第八章 新陈代谢总论与生物氧化.ppt

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1、第八章 新陈代谢总论与生物氧化,第一节 新陈代谢总论,第二节 生物氧化,第一节 新陈代谢总论,一、 新陈代谢的概念,新陈代谢,合成代谢 （同化作用）,分解代谢 （异化作用）,生物小分子合成为 生物大分子,需要能量,释放能量,生物大分子分解为 生物小分子,能量代谢,物质代谢,新陈代谢的共同特点：,1. 由酶催化，反应条件温和。,2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。,3. 对周围环境高度适应。,二、 新陈代谢的研究方法,活体内(in vivo)与活体外(in vitro)实验法 同位素示踪法 3. 代谢途径阻断法 4. 遗传缺欠症方法 气体测量法 核磁共振波谱法（NMR）,三、 高能化合物与AT

2、P的作用,高能化合物,磷酸化合物,非磷酸化合物,磷氧型,磷氮型: 肌酸磷酸,硫酯键化合物,甲硫键化合物,烯醇磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5kCal/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。,（1）烯醇式磷酸化合物（例）,磷氧型高能磷酸化合物：,- 61.9 kJ/mol,(2)酰基磷酸化合物（例）,- 42.3 kJ/mol,（3）焦磷酸化合物（例）,磷氮型高能磷酸化合物：,- 43.1 kJ/mol,(1) 硫酯键型高能化合物 （例）,非磷酸高能化合物：,乙酰辅酶A 31.4 kJ/mol,(2) 甲硫

3、型高能化合物 （例）, 41.8 kJ/mol,O,N,N,N,N,NH2,-H,H-,OH,H,O - O-P O- O,O O-P O-P-O-CH2 - O - O,OH,ATP的特殊作用,ATP作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存 者，是能量货币,ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂,ATP H2O ADP Pi其G0= - 30.51kJmo1； 当ADP Pi ATP时，也需吸收30.51kJmol的自由能,第二节 生物氧化, 有机物质在细胞内氧的作用下,生成CO2和水并释放能量的过程称为生物氧化。又称组织呼吸或细胞呼吸。,1. 在细胞内，于体温、近于中性的含水环 境中由酶催化。2

4、. 能量逐步释放，部分存于ATP中。3. 分为线粒体氧化体系(真核)和非线粒体氧化体系(原核细胞膜)。,一、 生物氧化的特点 （一）生物氧化的特点,（二）氧化还原的本质电子转移电子转移的主要形式：1. 直接的电子转移 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+,2. 氢原子的转移 AH2 + B A + BH2 ( H H+ + e ) 3. 有机还原剂直接加氧 RH + O2 + 2H+ + 2e ROH + H2O,(1) 直接脱羧,生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。,二、 生物氧化中CO2的生成,(2)氧化脱羧,：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）,HOOCCH

5、2CHOHCOOH,NADP+,NADPH + H+,O,苹果酸,CH3CCOOH + CO2,苹果酸酶,三、生物氧化中 H2O 的生成,生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。,在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。,生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。,1、呼吸链的概念代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给氧而生成水的全部体系称为呼吸链(respiratory chain)，也称电子传递体系或电子传递链(electron transfer chain)。由于参

6、与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。,呼吸链包括：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素c 还原酶、细胞色素c氧化酶,NADH,NADH-Q还原酶,Q,细胞色素c还原酶,细胞 色素c,O2,琥珀酸-Q还原酶,FADH2,细胞色素c氧化酶,2、呼吸链种类根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种: NADH呼吸链：绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通过此呼吸链完成 FADH2呼吸链：只能催化某些代谢物脱氢, 不能使 NADH 或 NADPH脱氢,3、呼吸链

7、的组成呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能,（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有200多种该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢体。,在烟(尼克)酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH 或NADPH;当有受H体存在时， NADH或NADPH上的H可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。,（2） 黄素脱氢酶类以FMN或FAD为辅基的脱氢酶类该类酶也属不需氧脱氢酶，催化代谢物脱下一对H原子，使FMN或FAD还原为FMNH2或FADH2。FMN 和 FAD 是比 NAD+ 或 NADP+ 更强

8、的氧化剂。,FMNH2 或 FADH2 可进一步将电子转移给辅酶Q。,（3）铁硫蛋白类（简写为Fe-S ）铁硫蛋白(Fe-S)是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，其作用是借铁的变价互变进行电子传递: Fe3+ + e Fe2+ 因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，故称铁硫中心。,铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素 b及c1有关。,铁硫蛋白有几种不同的类型, 可概括为3类:, Fe-0S 2Fe 2S 4Fe 4S, 2Fe 2S , 4Fe 4S ,（4

9、）辅酶Q类,电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物, 又名泛醌, 简写为CoQ或Q。,其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。,但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体; 是黄素蛋白类和细胞色素类之间的电子载体。,（5）细胞色素类一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称,细胞色素主要是通过 Fe3+ + e Fe2+ 的互变起传递电子的作用。线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素： a，a3，b，c，c1 它们的辅基结构略有不同: 血红素A Cyt a，a3血红素B Cyt b，血红蛋白，肌红蛋白血红素C Cyt c1，c,aa3 、b、c1中辅基与

10、蛋白质非共价结合， c 的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b c1 c aa3 O2,a和a3组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子。Cyt aa3可直接以O2为电子受体，故aa3又称细胞色素c氧化酶。a与a3之间的2个铜离子，起电子传递作用：Cu+ Cu2+ 的互变, 将Cytc所携电子传递给O2。,4. 呼吸链中传递体的顺序,测定各电子传递体氧化还原电位的数值 按氧化还原电位由低到高顺序排列；,确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：,b. 利用电子传递抑制剂切断其中的电子流，测定各组分的氧化还原状态确定其顺序；,MH2,NADH,-0.32,

11、FMN,-0.30,CoQ,+0.04,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,各组分E ： 低 高 电子迁移方向：低电位 高电位, G： 逐步降低 放能,电子总是从低氧化还原电位向高氧化还原电位上流动，氧化还原电位数值越低，供电子的倾向越大，越容易成为还原剂，而处在呼吸链的前面。,(a),MH2,NADH,-0.32,FMN,-0.30,CoQ,+0.04,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,鱼藤酮 安密妥,抑制剂：,抗霉素A,氰化物，CO, 叠氮化

12、合物,硫化氢,电子传递抑制剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。,(b),四、氧化磷酸化作用(Oxidative phosphorylation),伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,电子传递体系磷酸化,1. 底物水平磷酸化,底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布, 形成了某些高能磷酸化合物的中间产物, 通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。,X + ADP ATP + X,P,是捕获能量的一种方式，在发酵作用（无氧呼吸）中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。 和氧的存在与否无关，在ATP 生成中没有氧分子参与，也不经 过电子传递链传递电子。,特

13、点:,底物水平磷酸化反应举例,2. 电子传递体系磷酸化,当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。,概念：,1,是需氧生物获得ATP 的一种主要方式, 是生物体内能量转移的主要环节, 需要氧分子的参与。 真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行, 原核生物在细胞质膜上进行。,特点：,3、 呼吸链与ATP生成量的关系,（1） 呼吸链的4个复合物及ATP 成酶 都镶嵌在线粒体内膜上。从NADH到分子氧、有3处能使氧化还原过程释放的能量转化为ATP。FADH2到分子氧的呼吸链中，有2处能使氧化还原过程释放的能

14、量转化为ATP 。,（2） P/O比值和ATP生成量的关系,P/O比：物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的mol数（或ADP mol数），即生成ATP的mol数。,实验证明，呼吸链电子传递过程中：每对电子通过复合体、 、 可导致 10个（442）质子从基质泵出；FADH2 的电子进入电子传递链只能导致 6个（42）质子跨膜移动；,每合成 1 个 ATP 需消耗 4个质子， NADH:2.5个 ATP FADH:1.5个 ATP,（3）呼吸链中的自由能变化,1,复合体I: NADHCoQ, E0= 0.360V, G0= -69.5kJ/mol复合体III: CoQ Cytc, E

15、0= 0.190V, G0= -36.7kJ/mol复合体IV: Cytaa3 O2, E0= 0.580V, G0= -112kJ/mol复合体II:FADH2CoQ, E0= 0.085V, G0= -16.4kJ/mol,可见，当一对电子相继经过复合体、和时，每一步都释放出足以合成一分子ATP的自由能；但当一对电子经过复合体时，释放的能量不足以合成ATP, 其作用仅仅是将电子由FADH2注入电子传递链。,化学偶联学说,构象变化学说,化学渗透学说,4、氧化磷酸化作用机制,氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说

16、：,(1) 化学偶联学说,1953年 Edward Slater 最先提出。认为：电子传递产生一种高能中间物, 它随后的裂解释放能量驱动ATP合成。但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。,1964年Paul Boyer最先提出。认为: 电子传递使线粒体内膜蛋白质发生构象变化, 而形成一种高能形式, 这种高能形式通过将能量提供给ATP合成而恢复其原来的构象。1994年J.Walke 发现了ATP合成酶的结构；,(2) 构象变化学说,组成： Fo（疏水部分） + F1（亲水部分）+柄部Fo ：基底部，是镶嵌在线粒体内膜中的质子 通道 F1 : 头部，(33) 催化生成AT

17、P,ATP合成酶,1961年英国生物化学家 Peter Mitchell 首先提出, 1978年获诺贝尔化学奖。基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自由能, 可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧, 产生膜内外质子电化学梯度( H+浓度梯度和跨膜电位差 ) , 以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动 ADP 与 Pi 生成ATP。,(3)化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）,5、氧化磷酸化的抑制,(1) 电子传递抑制剂（如鱼藤酮、抗霉素A和氰化物）能够阻断呼吸链中某一部位电子传递，耗氧量和ATP生成量同步下降。,5、氧化磷酸化的抑制,解偶联剂: 如2, 4

18、 - 二硝基苯酚、双羟香豆素、三氟甲氧基苯腙、羰基氰化物等。,(2) 解偶联作用：使电子传递和ATP形成两个过程分离，只抑制ATP 的形成过程，不抑制电子传递过程和氧的利用, 使电子传递产生的自由能都变为热能。,(3) 质子通道阻断剂: 通过与ATP合酶结合而阻断质子通 道, 既抑制呼吸链中氧的利用, 又抑制ATP的生成,抑制剂：如寡霉素。它能与ATP合酶Fo的亚基 结合，抑制H转运。由于抑制了从膜间隙流 回基质的质子流而阻断ATP合成。,五、 胞液中 NADH 的氧化磷酸化,在细胞质中经糖酵解产生的 NADH, 不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。只能通过两种精妙的“穿梭”系统解决

19、 NADH 的再氧化问题： 甘油-磷酸穿梭系统 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,NADH + H+,线粒体内膜,甘油-磷酸穿梭作用,甘油-磷酸,FAD,二羟丙酮磷酸,FADH2,NADHFMNCoQbc1caa3O2,胞液甘油-磷酸脱氢酶；,线粒体甘油-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶),酵解,NADH,草酰乙酸,天冬氨酸,NAD+,苹果酸,苹果酸,NAD+,草酰乙酸,NADH,天冬氨酸,NADH呼吸链,苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,转氨酶,转氨酶,细胞质,线粒体,细胞质苹果酸脱氢酶,线粒体苹果酸脱氢酶,线粒体内膜,两种穿梭系统的比较,-磷酸甘油穿梭,苹果酸-天冬氨酸穿梭,穿梭物质,-磷酸甘油 磷酸二羟丙酮,苹果酸、 谷氨酸 天冬氨酸、-酮戊二酸,进入线粒 体后转变 成的物质,FADH2,NADH+ H+,进入呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,NADH 氧化呼吸链,生成ATP数,2.5,存在组织,某些肌肉、神经组织,肝脏和心肌组织,相同点,将胞浆中NADH的还原当量转送到线粒体内,1.5,