生物化学_新陈代谢与生物氧化_课件.ppt

第七章 新陈代谢与生物氧化 （ metabolisim & Biological Oxidation）,一 新陈代谢总论,二 生物氧化,大纲要求,生物氧化的概念和特点 生物氧化的方式和种类 线粒体氧化体系 非线粒体氧化体系 生物氧化过程中能量的转移和作用,一 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。 4.是长期进化形成的，生物界其基本过程十分相似。,（二） 新陈代谢的研究方法,1. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro),2. 同位素示踪,3. 代谢途径阻断,（四） 高能化合物与ATP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,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,代谢途径存在区隔化,细胞核是遗传信息贮存场所 在这里进行基因复制和转录，从而控制细胞的代谢活动。 细胞质中间代谢主要在细胞胞液中进行 糖酵解、糖原异生的许多反应以及糖、脂肪酸、氨基酸和核苷酸的生物合成。 在胞液中的核糖体（游离）是蛋白质起始合成的主要场所。,内质网： 糙面内质网合成蛋白质。蛋白质在内质网合成的同时，也要进行修饰与加工，如糖基化、羟基化、酰基化等。 光面内质网：与糖类、脂类合成关系密切，除少数线粒体的磷脂外，细胞的磷脂、糖脂、胆固醇都由内质网上的酶类催化而成。 高尔基体： 对细胞合成物或吸收物加工，浓缩，包装、运输。,线粒体,线粒体具有极其复杂的膜结构: 有外膜内膜之分。外膜含有形成大通道的蛋白，相对分子量在10000以下的一般分子均能通过。内膜折皱成嵴，其上分布大量结构蛋白与酶类。 主要为与呼吸链有关的细胞色素氧化还原酶类，ATP合成酶及调节代谢物进出的运输蛋白。,内膜包围的内腔充满基质，其中含有数百种不同的酶类。包括丙酮酸氧化脱羧，脂肪酸 氧化，三羧酸循环及氨基酸分解代谢有关的酶类。,ATP在能量供应中的作用,提供生物合成所需能量； 生物机体活动以及肌肉收缩的能量来源； 提供物质跨膜运输所需要的能量； 参与DNA、RNA和蛋白质的合成，保证遗传信息的正确传递，ATP以特殊方式递能。,物质在生物体内氧化分解并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。,Whats biological oxidation?,生物体内的生物氧化过程与体外燃烧不同的是： 在37，近于中性的含水环境中，由酶催化进行； 反应逐步释放出能量，相当一部分能量以高能磷酸酯键的形式储存起来。,乙酰CoA,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,CO2,生物氧化的一般过程,2H,TAC,Section 1 The Oxidation System of Producing ATP,第一节 生成ATP的氧化体系,在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链(respiratory chain)。,一、线粒体氧化呼吸链,Whats respiratory chain?,构成呼吸链的递氢体或递电子体通常以复合体的形式存在于线粒体内膜上。,（一）呼吸链的组成(p505),1复合体（NADH-泛醌还原酶）：,NADH还原酶 + 4(Fe-S),NADH还原酶,NADH还原酶催化（NADH+H+）的脱氢反应，从而将2H传递给其辅基FMN，生成FMNH2。,铁硫蛋白,铁硫蛋白(Fe-S)共有9种同工蛋白；分子中含有由半胱氨酸残基硫原子及无机硫原子与铁离子形成的铁硫中心(铁硫簇)，一次可传递一个电子至CoQ。,铁硫中心的结构,泛醌（CoQ）,泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）是游离存在于线粒体内膜中的脂溶性有机化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可在醌型与氢醌型之间相互转变。,2复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）：,琥珀酸脱氢酶+3(Fe-S)+Cyt b560,这是一类以铁卟啉为辅基的酶。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子，通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。 细胞色素根据其铁卟啉辅基的结构以及吸收光谱的不同而分类。,细胞色素类,铁卟啉辅基的分子结构,细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。 存在于线粒体内膜的细胞色素有Cyt aa3，Cyt b（b560，b562，b566），Cyt c，Cyt c1； 存在于微粒体的细胞色素有Cyt P450和Cyt b5。,细胞色素b的分子结构,细胞色素c的分子结构,3复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）：,2Cyt b + Cyt c1 +(Fe-S),Cyt a + Cyt a3,4复合体（细胞色素c氧化酶）：,（二）呼吸链组分的排列顺序,通过四个方面的实验可确定呼吸链各组分的排列顺序： 标准氧化还原电位 拆开和重组 特异抑制剂阻断 还原状态呼吸链缓慢给氧,氧化呼吸链的组成, NADH氧化呼吸链 NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2,氧化呼吸链的排列顺序,Q,Cytc,1NADH氧化呼吸链：,NAD+ FMN (Fe-S)CoQb(Fe-S)c1caa3,2. 琥珀酸氧化呼吸链：,两条电子传递链的关系,上节小结：,两个概念： 生物氧化和呼吸链 两个氧化体系： 线粒体氧化体系、其他氧化体系 两条电子传递链： NADH和琥珀酸,一、生物氧化的概念 物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、 脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、 最终生成二氧化碳和水的过程。,摄氧 产能（ATP+热能） 产生H2O+ CO2,生物氧化特点 需O2 释放能量 产生H2O+ CO2,概念： （1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶 所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成 水； （2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜； 传递氢的酶和辅酶递氢体 传递电子的酶和辅酶递电子体 （3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电 子传递体。,二、 呼吸链（respiratory chain,线粒体的结构,呼吸链,呼吸链主要成分和作用,递氢体 递电子体,烟酰胺(nicotinamide)脱氢酶（NAD+、NADP+） 黄素蛋白(flavoprotein)（FMN、FAD） 铁硫蛋白(iron-sulfur cluster)（Fe-S） 泛醌(Ubiquinone)（CoQ） 细胞色素类(Cytochrome)（Cyt）,1、呼吸链中的组成,复合体 复合体 复合体 复合体 复合体,酶名称 NADH-Q 还原酶 琥珀酸-Q还原酶 Q-CytC 还原酶 CytC 氧化酶,辅基 FMN，Fe-S FAD， Fe-S 铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，Cu,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,复合物 NADH-Q 还原酶,泛醌（ubiquinone , Q）亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ）人体中： CoQ10 A、结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性 3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子 载体（无蛋白） B、作用：递氢体 C、递氢机制： 是多种底物进入呼吸链的中心点,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,（2）复合物 （琥珀酸-泛醌还原酶） 细胞色素b560（细胞色素cytochrome,Cyt）,A、结构：一类含铁卜啉辅基的色素蛋白 B、分类: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1 C、区别： 铁卜啉辅基侧链不同 铁卜啉辅基与酶蛋白连接方式不同 D.作用： Cytb,c -单电子传递 Fe2+ Fe3+e Cytaa3-以O2为电子受体,（3） 复合物 Q-cytc还原酶,Cytc 呈水溶性 与线粒体内膜外表面结合不紧密 易与线粒体内膜分离,（3） 复合物 Q-cytc还原酶,（4）复合物 Cytc 氧化酶,呼 吸 链 简 图,NADH FMN Q10 Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S),FAD.H2 (Fe-S),琥珀酸,2H,2H,2H,2H,2H+,2e,2e,2e,2e,2e,体内两条重要的呼吸链： （1）NADH 氧化呼吸链 （2）琥珀酸氧化呼吸链,二、氧化磷酸化,1. 底物水平磷酸化： 直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,（一）生物体内ATP的生成方式,底物水平磷酸化见于下列三个反应：,2. 氧化磷酸化： 在线粒体中，底物分子脱下的氢原子经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)。,（二）氧化磷酸化的偶联部位,1. P/O比值： 通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。 每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷原子的摩尔数称为P/O比值。,线粒体离体实验测得的一些底物的P/O比值,合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。 因此，在NADH氧化呼吸链中有三处可以生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可以生成ATP。,2. 自由能变化与ATP的生成部位：,氧化磷酸化的偶联部位,（三）氧化磷酸化的偶联机制,1. 化学渗透假说： 目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Peter Mitchell提出的化学渗透学说(chemios-motic hypothesis)。,生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成,(一)CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：直接脱羧 氧化脱羧,在生物体内，CO2是通过有机酸的脱羧作用生成的。 按照羧基所连接的位置不同，可将有机酸的脱羧作用分为-脱羧和-脱羧。 按照脱羧时是否伴有氧化作用，可将有机酸的脱羧作用分为单纯脱羧和氧化脱羧。,1. 单纯脱羧： 见于氨基酸的脱羧作用。,2. 单纯脱羧： 见于草酰乙酸的脱羧作用。,3. -氧化脱羧： 见于丙酮酸的脱氢与脱羧作用。,4. 氧化脱羧： 见于苹果酸的脱氢与脱羧作用。,参与生物氧化的酶类,脱氢酶(Dehydrogenase); 使代谢物的氢活化、脱落，并将之传递给其他受氢体或传递体。 氧化酶(Oxidase); 在生物氧化中，以氧直接为受氢体的氧化还原酶类称为氧化酶。 加氧酶(Oxigendase); 催化加氧反应的酶。 传递体(Carrier). 生物氧化过程中起着中间传递氢或电子作用的物质，它们既不能使代谢物脱氢，也不能使氢活化。,（一）.脱氢酶 1.以黄素核苷酸为辅基的脱氢酶 （1）需氧黄酶,（2）不需氧黄酶,2.以尼克酰胺核苷酸为辅基的脱氢酶,（二）氧化酶(Oxidase),（二）H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,化学渗透学说,电子释放的能量转化为呼吸链向线粒体内外膜间隙释放质子，造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度。质子跨线粒体内膜渗透流回基质侧，带动ATP合成酶运转，合成ATP。,19611978,氧化磷酸化偶联机制,（1） 化学渗透学说 呼吸链传递电子和质子: 电子-释放的能量 质子-线粒体内膜的内侧（基质侧） 线粒体内膜的外侧（膜间隙侧）,化学渗透假说的基本要点,该学说认为氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。 当质子顺浓度梯度回流时，这种形式的“势能”可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。,电子传递过程中, 呼吸链将质子放入 间隙侧,使线粒体 内膜两侧浓度不同。, 形成膜化学梯度 H+浓度 pH下降 跨膜电位差 能量储存 H+顺电化学梯度回流 ADP ATP F1-F0复合体 ATP合酶,能量,嵌于线粒体内膜上，其头部呈颗粒状，突出于线粒体内膜的基质侧。,ATP合酶：,（F1-F0复合体） ATP合酶 F1- 球状头部： 柄 ： F0-埋于内膜底部,含催化ATP合成的活性中心 调节质子流动及ATP合成的作用 含质子通道,质子梯度的形成机制,质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中。 每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。,质子梯度的形成,三、影响氧化磷酸化的因素,抑制剂（inhibitor） ATP/ADP的调节 甲状腺素（thyroxine）的调节 线粒体（mitochondrial）DNA突变（mutation）,三、氧化磷酸化的影响因素,ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。 ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。,（一）ATP/ADP比值,ADP/ATP的调节,ADP/ATP：氧化磷酸化 ADP/ATP：氧化磷酸化,甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。 其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，导致ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。,（二）甲状腺激素,Na+-K+-ATP酶生成,ATP水解,氧化磷酸化,ATP合成,耗氧量和产热量,（三）甲状腺素的调节,诱导,甲状腺素,（thyroxine）,氧化磷酸化的抑制剂,（三）药物和毒物,1呼吸链抑制剂： 能够抑制呼吸链递氢或递电子过程的药物或毒物称为呼吸链抑制剂。,能够抑制第一位点的有异戊巴比妥、粉蝶霉素A、鱼藤酮等； 能够抑制第二位点的有抗霉素A和二巯基丙醇； 能够抑制第三位点的有CO、H2S和CN-、N3-。其中，CN-和N3-主要抑制氧化型Cytaa3-Fe3+，而CO和H2S主要抑制还原型Cytaa3-Fe2+。,抑制剂呼吸链抑制,NADH FMN Q b c1 c aa3 O2 Fe-S,阿米妥 抗霉素A CN、N3- 鱼藤酮 CO、H2S,机理：阻断氢与电子的传递,2解偶联剂： 不抑制呼吸链的递氢或递电子过程，但能使氧化产生的能量不能用于ADP磷酸化的药物或毒物称为解偶联剂。 解偶联剂通常引起线粒体内膜对质子的通透性增加，从而使线粒体内膜两侧的质子梯度不能形成。 主要的解偶联剂有2,4-二硝基酚。,常见解偶联剂：2，4-二硝基苯酚（DNP） 作用机理：破坏内膜两侧的电化学梯度而使氧 化磷酸化偶联脱离。 氧化照常进行，ATP不能生成。,2、抑制剂解偶联剂,能抑制ATP合酶的质子回流，从而使线粒体内膜两侧质子电化学梯度增高，对呼吸链的电子传递和ADP磷酸化均产生抑制作用的药物和毒物称为氧化磷酸化抑制剂，如寡霉素。,3氧化磷酸化抑制剂：,4、线粒体DNA突变,mtDNA编码呼吸链复合体的多肽链及蛋白质,mtDNA突变,影响氧化磷酸化,ATP生成减少,mtDNA病,（mitochondrial DNA）,聋、盲、痴呆、肌无力、糖尿病,四、高能磷酸键的储存与释放,生物化学中常将水解时释放的能量20kJ/mol的磷酸键称为高能磷酸键。主要有以下几种类型： 1磷酸酐键：包括各种多磷酸核苷类化合物，如ADP，ATP，GDP，GTP，CDP，CTP，GDP，GTP及PPi等，水解后可释放出30.5kJ /mol的自由能。,（一）高能磷酸键的类型,2混合酐键：由磷酸与羧酸脱水后形成的酐键，主要有1,3-二磷酸甘油酸等化合物。在标准条件下水解可释放出61.9kJ/mol的自由能。 3烯醇磷酸键：见于磷酸烯醇式丙酮酸中，水解后可释放出61.9kJ/mol的自由能。 4磷酸胍键：见于磷酸肌酸中，水解后可释放出43.9kJ/mol的自由能。,几种常见的高能化合物,磷酸肌酸（creatine phosphate, CP）是骨骼肌和脑组织中能量的贮存形式。 磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。 反应过程由磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。,磷酸肌酸的生成,H2N+ C-NH2 H3C-N CH2 COO-,H2N+ H O C-NP-OH H3C-N OH CH2 COO-,肌酸激酶,肌酸,磷酸肌酸（CP）,ATP,ADP,肌肉和脑组织中能量的贮存形式,（二）ATP循环,ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键（A-PPP），均可以水解供能。 ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。,代谢物,分解氧化,CO2 H2O,能,热能（散发）,化学能 （储能）,ATP,ADP,Pi,C,CP,+,能,机械能（肌肉收缩） 化学能（合成代谢） 渗透能（吸收分泌） 电能（神经传导生物电） 热能（维持体温）等,ATP的生成和利用,ATP循环,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),（三）多磷酸核苷间的能量转移,在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。,高能键转移,ATP +,UDP CDP GDP,ADP +,UTP（糖原合成） CTP（磷脂合成） GTP（蛋白质合成）,五、通过线粒体内膜的物质转运,线粒体外膜孔 蛋白，10kDa 的物质通过,线粒体内膜不 同的转运体,对 物质有选择性,1.胞质中NADH的氧化(线粒体外NADH的氧化) 机制: 、-磷酸甘油穿梭 (glycerophosphate shuttle) 、苹果酸-天冬氨酸穿梭 (malate-asparate shuttle),胞液中的3-磷酸甘油醛，3-磷酸甘油或乳酸脱氢，均可产生NADH。 这些NADH可经穿梭系统而进入线粒体氧化磷酸化，产生H2O和ATP。,（一）磷酸甘油穿梭系统,主要存在于脑和骨骼肌中。 NADH通过此穿梭系统带一对氢原子进入线粒体，由于经琥珀酸氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故只能产生2分子ATP。,磷酸甘油穿梭系统,FADH2,NAD+,FAD,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,NADH+H+,-磷酸甘油脱氢酶,-磷酸甘油穿梭,特点： 线粒体内外的-磷酸甘油脱氢酶的 辅酶不同 胞液-NAD+ 线粒体-FAD FADH2经琥珀酸氧化呼吸链 2ATP 主要存在于骨骼肌、神经细胞,（二）苹果酸穿梭系统,主要存在于肝和心肌中。 胞液中NADH+H+的一对氢原子经此穿梭系统带入一对氢原子，由于经NADH氧化呼吸链进行氧化磷酸化，故可生成3分子ATP。,NADH +H+,NAD+,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,天冬氨酸,苹果酸穿梭系统,苹果酸穿梭系统,1. 呼吸链存在于（ ）,A 细胞膜 B 线粒体外膜 C 线粒体内膜 D 微粒体 E 过氧化物酶体,2. 下列哪种物质不是NADH氧化呼吸链的组分？,A. FMN B. FAD C. 泛醌 D. 铁硫蛋白 E. 细胞色素c,3. ATP生成的主要方式是（ ）,A 肌酸磷酸化 B 氧化磷酸化 C 糖的磷酸化 D 底物水平磷酸化 E 高能化合物之间的转化,4 由琥珀酸脱下的一对氢，经呼吸链氧化可产生（ ）分子ATP,A 1 B 2 C 3 D 4 E 0,5 下例关于高能磷酸键的叙述，正确的是（ ）,A 所有高能键都是磷酸键 B 高能磷酸键只存在于ATP C 高能磷酸键仅在呼吸链中偶联 D 有ATP参与的反应也可逆向进行 E 所有的生化转变都需要ATP参与,6. 下列哪种酶以氧为受氢体催化底物氧化生成水？,A 丙酮酸脱氢酶 B 琥珀酸脱氢酶 C 黄嘌呤氧化酶 D 细胞色素c氧化酶 E SOD,7. 关于线粒体内膜外H+浓度叙述正确的是( ),A 浓度高于线粒体内 B 浓度低于线粒体内 C 可自由进入线粒体 D 进入线粒体需主动转运 E 进入线粒体需载体转运,8. 参与呼吸链电子传递的金属离子是( ),A 铁离子 B 钴离子 C 镁离子 D 锌离子 E 以上都不是,9. 呼吸链中,不具有质子泵功能的是( ),A 复合体 B 复合体 C 复合体 D 复合体 E 以上都不是,10. 关于超氧化物歧化酶,哪项是不正确的( ),A 可催化产生超氧离子 B 可消除超氧离子 C 可催化产生过氧花氢 D 含金属离子辅基 E 存在于胞液和线粒体中,11. Except iron, Cyt aa3 contain ( ) ion.,A Zn B Mg C Cu D Mn E K,12. Which one can be inhibited by CO in respiratory chain ?,A FAD B FMN C Fe-S D Cyt aa3 E Cyt c,13. Which one is uncoupler?,A CO B piericidin A C KCN D 2,4-dinitrophenol E H2S,14. The right electron tansferation sequence is ( ),A bcc1aa3O2 B c1cbaa3O2 C cc1baa3O2 D cbc1aa3O2 E bc1caa3O2,15. 关于ATP合成酶，叙述正确的是（ ）,A 位于线粒体内膜，又称复合体 B 由F1和F0两部分组成 C F0是质子通道 D 生成ATP的催化部位在F1的亚基上 E F1呈疏水性，嵌在线粒体内膜中,16. 关于辅酶Q, 哪些叙述是正确的?,A 是一种