代谢总论和生物氧化课件

1、代谢总论和生物氧化代谢总论与生物氧化代谢总论与生物氧化第七章第七章代谢总论和生物氧化第一节第一节 新陈代谢的有关概念新陈代谢的有关概念 新陈代谢新陈代谢(metabolism) 又称为代谢，是指生物体与周围环境进行物又称为代谢，是指生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变化的总称。化的总称。 生物体的一切生理现象，如生长、发育、繁生物体的一切生理现象，如生长、发育、繁殖、呼吸等等，都是代谢反应的结果。新陈代谢殖、呼吸等等，都是代谢反应的结果。新陈代谢是生命最基本的特征，一旦代谢停止，生命也就是生命最基本的特征，一旦代谢停止，生命

2、也就结束了。结束了。代谢总论和生物氧化新陈代谢新陈代谢合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢生长旺盛时：生长旺盛时： 合成代谢合成代谢 分解代谢分解代谢成长的生物：成长的生物： 合成代谢合成代谢 分解代谢分解代谢衰老或饥饿：衰老或饥饿： 合成代谢合成代谢 分解代谢分解代谢代谢总论和生物氧化 能量代谢能量代谢 研究光能或化学能在细胞中向生物能研究光能或化学能在细胞中向生物能(ATP)转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。 物质代谢物质代谢 糖、脂、蛋白质及核酸等类物质在细胞

3、内糖、脂、蛋白质及核酸等类物质在细胞内发生酶促转化的途径及调控机理，包括细胞自发生酶促转化的途径及调控机理，包括细胞自身旧分子的分解和新分子的合成。身旧分子的分解和新分子的合成。代谢总论和生物氧化 合成代谢合成代谢 合成代谢也称生物合成，小、简单的前体合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等。蛋白质和核酸等。 分解代谢分解代谢 分解代谢是代谢作用的分解过程，是有分解代谢是代谢作用的分解过程，是有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、单的终产物（

4、如乳酸、CO2和和NH3等）的过程。等）的过程。代谢总论和生物氧化 代谢作用中的能量关系代谢作用中的能量关系 分解代谢释放能量，部分被转化为分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和和还原的电子载体（还原的电子载体（NADH、NADPH、FADH2），其余的作为热量散失。），其余的作为热量散失。 合成代谢需要获得能量，通常需要合成代谢需要获得能量，通常需要ATP分分子磷酸酯键的转移和还原型辅酶（子磷酸酯键的转移和还原型辅酶（NADH、NADPH和和FADH2）供应还原力。）供应还原力。代谢总论和生物氧化 代谢途径代谢途径 细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能

5、的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。就是指具有其酶系。SABDCPe1e2e3e4e5代谢总论和生物氧化 代谢作用的特点代谢作用的特点l 代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序性。但有极强的顺序性。l 代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所催化。所催化。l 代谢作用具有高度灵敏的自我调节。代谢作用具有高度灵敏的自我调节。 整体水平上，主要靠

6、激素或激素伴同神经系统进行的综整体水平上，主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节；合调节； 细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现；细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现； 分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现。等实现。代谢总论和生物氧化 生物的营养类型生物的营养类型 自然界中的生物根据其所利用的碳源和能自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源的不同，生物可分为两大类型：源的不同，生物可分为两大类型：自养生物自养生物(Autotrophs)：可利用大气中的可利用大气中的CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌

7、作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。和高等植物。异养生物异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。代谢总论和生物氧化第二节第二节 中间代谢的实验研究方法中间代谢的实验研究方法1. 研究材料：研究材料： 单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体2. 研究水平：研究水平：体内研究（体内研究（in vivo）：用生物体、组织器官或微）：用生物体、组织器官或微 生物群体研究。生物

8、群体研究。体外研究（体外研究（in vitro）：用组织切片、匀浆、提取）：用组织切片、匀浆、提取 液等研究。液等研究。代谢总论和生物氧化组织匀浆组织匀浆600g10min15,000g5min100,000g60min代谢总论和生物氧化1. 代谢平衡实验代谢平衡实验 通过体内实验研究代谢物摄入和产物排出通过体内实验研究代谢物摄入和产物排出的平衡关系。例如测定呼吸商可判断体内能量的平衡关系。例如测定呼吸商可判断体内能量来源。来源。研究代谢途径的方法研究代谢途径的方法R.O. =产产CO2量（量（L）耗耗O2量（量（L） 糖、脂、蛋白质等营养物质在体内氧化分解需要消糖、脂、蛋白质等营养物质在体内

9、氧化分解需要消耗耗O2，放出，放出CO2，CO2与与O2的体积比称为呼吸商。的体积比称为呼吸商。代谢总论和生物氧化R.O.糖类糖类1脂肪脂肪0.7蛋白质蛋白质0.8正常代谢正常代谢0.85-0.95三大营养物质三大营养物质能量来源能量来源饥饿状态饥饿状态0.7-0.8脂肪、蛋白质脂肪、蛋白质糖尿病人糖尿病人0.7脂肪脂肪代谢总论和生物氧化2. 代谢障碍实验代谢障碍实验 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析。若造成代谢不会过多积累，不容易进行分析。若造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累

10、，便于探讨代谢途径历程。于探讨代谢途径历程。 造成微生物营养缺陷型造成微生物营养缺陷型 使用抗代谢物使用抗代谢物 使用专一性抑制剂抑制酶活使用专一性抑制剂抑制酶活代谢总论和生物氧化3. 代谢物标记追踪实验代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当将代谢底物分子适当“标记标记”，然后追踪，然后追踪“标记标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。同位素示踪法：同位素示踪法： 常用稳定同位素：常用稳定同位素：2H、15

11、N、13C、18O常用放射性同位素：常用放射性同位素：3H、32P、14C代谢总论和生物氧化4. 测定特征性酶测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。就表明该代谢途径存在。糖代谢途径的特征性酶：糖代谢途径的特征性酶： EMP途径：醛缩酶途径：醛缩酶 HMP途径：途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA循环：柠檬酸合成酶循环：柠檬酸合成酶 代谢总论和生物氧化第三节第三节 生物氧化生物氧化 Biological Oxidation一、概念一、概念 物质在物质在体内体内的的氧化氧化分解过程，主要是分解过程，主要是糖、糖

12、、脂、蛋白质脂、蛋白质等在体内分解时等在体内分解时逐步释放能量逐步释放能量、最最终生成终生成二氧化碳和水二氧化碳和水的过程。的过程。代谢总论和生物氧化 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化反应的一般规律。电子，遵循氧化反应的一般规律。 物质在体内、体外氧化时所消耗的氧量、最终物质在体内、体外氧化时所消耗的氧量、最终产物（产物（CO2、H2O）和释放的能量均相同。）和释放的能量均相同。二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点生物氧化与体外氧化的相同点：生物氧化与体外氧化的相同点：代谢总论和生物氧化生物氧化与体外氧化的不同点：生物氧化与体外氧化

13、的不同点：生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化反应温度反应温度37高温高温反应环境反应环境近中性近中性干燥干燥催化剂催化剂酶酶无无能量释放的速度能量释放的速度缓慢缓慢快速快速能量释放的形式能量释放的形式主要以生成主要以生成ATP等高等高能化合物的形式释放能化合物的形式释放热热产生产生CO2与与H2O的方式的方式进行广泛的加水脱氢进行广泛的加水脱氢反应，间接得氧，脱反应，间接得氧，脱下的氢与氧结合成水；下的氢与氧结合成水；有机酸脱羧产生有机酸脱羧产生CO2。氧直接与碳、氧直接与碳、氢结合，生氢结合，生成成CO2与与H2O。代谢总论和生物氧化生物氧化中生物氧化中CO2的生成方式：的生成方式：有机酸脱羧

14、有机酸脱羧 单纯脱羧单纯脱羧-单纯脱羧单纯脱羧-单纯脱羧单纯脱羧 氧化脱羧氧化脱羧-氧化脱羧氧化脱羧-氧化脱羧氧化脱羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH + CO2O=OH苹果酸酶苹果酸酶NADP+NADPH + H+苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2 + CO2氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶-氨基酸氨基酸胺胺HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH + CO2O=丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸草酰乙酸丙酮酸丙酮酸H3C-C-COOH + HSCoAO=H3C-C-SCoA + CO2O=NAD+NADH +

15、H+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系丙酮酸丙酮酸乙酰乙酰CoA代谢总论和生物氧化生物氧化中物质氧化的方式：生物氧化中物质氧化的方式： 加氧加氧RCHO + 1/2O2 RCOOH 脱氢脱氢RCH2OH RCHO-2H 加水脱氢加水脱氢CH3CHO CH3COOHCH3CHOHOH+H2O-2H 失电子失电子Fe2+ Fe3+-e代谢总论和生物氧化三、生物氧化的一般过程三、生物氧化的一般过程糖原糖原三酰甘油三酰甘油蛋白质蛋白质葡萄糖葡萄糖脂肪酸脂肪酸+甘油甘油氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoATACCO22H呼吸链呼吸链H2OADP+PiATP代谢总论和生物氧化线粒体的结构：线粒体的结构：代谢总论和生物氧化

16、（一）呼吸链（一）呼吸链（respiratory chain) 概念：概念：（1）代谢脱下的成对氢原子（）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶）通过多种酶和辅酶 所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成 水；水；（2）酶和辅酶按一定顺序排列在）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体线粒体内膜；内膜； 传递氢的酶和辅酶传递氢的酶和辅酶递氢体递氢体 传递电子的酶和辅酶传递电子的酶和辅酶递电子体递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，统称电递氢体、递电子体都起传

17、递电子的作用，统称电 子传递体，该链又称子传递体，该链又称电子传递链电子传递链。四、生成四、生成ATP的氧化体系的氧化体系代谢总论和生物氧化呼吸链中的组成呼吸链中的组成: : 复合体复合体复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体复合体复合体 酶名称酶名称NADH-CoQ还原酶还原酶琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶CoQ-CytC 还原酶还原酶CytC 氧化酶氧化酶 辅基辅基 FMN，Fe-S FAD， Fe-S 铁卜啉，铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，铁卜啉，Cu代谢总论和生物氧化NADH 氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链代谢总论和生物氧化（1）复合物）复合物 NADH-CoQ

18、还原酶还原酶M结合铁硫蛋白的结合铁硫蛋白的,辅基为辅基为FMN的黄的黄素蛋白，素蛋白，42条肽链，条肽链，850kD.M结合结合NADH,并并将其氧化为将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌将电子传递给泛醌,使使4H+释放入内外释放入内外膜间隙膜间隙.代谢总论和生物氧化NAD+与与NADP+的结构：的结构：NNNNNH2OCH2HOHORHHHOPOPOCH2OOHOHHHNHO-O-CNH2OOO+NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶辅酶INADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶辅酶IIR=H:NAD+; R=H2PO3:NADP+代谢总论和生物氧

19、化H+e代谢总论和生物氧化代谢总论和生物氧化 Fe-S辅基的铁硫簇含有等量的铁原子和辅基的铁硫簇含有等量的铁原子和硫原子硫原子Fe2S2, Fe4S4FeFe4 4S S4 4作用：作用： Fe2+ Fe3+e 单电子传递单电子传递代谢总论和生物氧化 泛醌（泛醌（ubiquinone） 亦称辅酶亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 人体中：人体中： CoQ10A、结构结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性脂溶性3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子是电子传递体中唯一可游离存在的电子 载体（无蛋白）载体（无蛋白）代谢总论和生物氧化NADH+

20、HNADH+H+ +NADNAD+ +FMNFMNFMNHFMNH2 2FeFe3+3+FeFe2+2+Q QQHQH2 2NADHNADHFMNFMNFe-SFe-SQ Q复合体复合体传递电子的过程：传递电子的过程：NADH+HNADH+H+ +代谢总论和生物氧化（2）复合物）复合物 琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶即琥珀酸脱氢酶即琥珀酸脱氢酶.至少由至少由4条肽链组条肽链组成，含有一个成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白及细个铁硫蛋白及细胞色素胞色素b560.其作用是催化电其作用是催化电子从琥珀酸转至子从琥珀酸转至CoQ，但不转移质，但不转移质子。子。代谢总论和生物氧化细胞色素细胞色素cyt

21、ochrome,CytA A、结构结构：一类含：一类含铁铁卟啉卟啉辅基的色素蛋白辅基的色素蛋白B B、分类分类: Cyta: Cytaa: Cyta: Cytaa3 3 Cytb: Cytb Cytb: Cytb562562 、CytbCytb566566、 CytbCytb560560 Cytc: Cytc Cytc: Cytc 、 c c1 1C C、区别区别： 铁卟啉辅基铁卟啉辅基侧链侧链不同不同铁卟啉辅基与酶蛋白铁卟啉辅基与酶蛋白 连接方式不同连接方式不同细胞色素细胞色素c c代谢总论和生物氧化甲酰基甲酰基多聚异戊二烯长链多聚异戊二烯长链代谢总论和生物氧化（3） 复合物复合物 CoQ-

22、cytc还原酶还原酶即细胞色素即细胞色素c还原酶，还原酶，由至少由至少11条不同肽链组成，条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色个单体包含两个细胞色素素b（b562、b566）、一个）、一个细胞色素细胞色素c1和一个铁硫蛋和一个铁硫蛋白。白。催化电子从辅酶催化电子从辅酶Q传给传给细胞色素细胞色素c，每转移一对，每转移一对电子，同时将电子，同时将4个质子由个质子由线粒体基质泵至膜间隙。线粒体基质泵至膜间隙。b b566566b b562562Fe-SFe-Sc c1 1QHQH2 2CytcCytc代谢总论和生物氧化Cytc 呈水溶性呈水溶性 与线粒体内膜外

23、表面结合不紧密与线粒体内膜外表面结合不紧密 易与线粒体内膜分离易与线粒体内膜分离代谢总论和生物氧化复合体复合体传递电子的过程传递电子的过程QH2的第一次氧化的第一次氧化QH2的第二次氧化的第二次氧化代谢总论和生物氧化（4）复合物）复合物 Cytc 氧化酶氧化酶每个单体由至少每个单体由至少13条不条不同的肽链组成，分为三个同的肽链组成，分为三个亚单位：亚单位：I包含两个细胞包含两个细胞色素（色素（a、a3）和一个铜）和一个铜蛋白蛋白(CuB);包含两个铜包含两个铜离子离子(CuA)构成的双核中构成的双核中心，其结构与心，其结构与2Fe-2S相相似似; 的功能尚不了解。的功能尚不了解。Cu2+ +

24、 e Cu+CuCuA A a a a a3 3 Cu CuB BCyt cCyt cO O2 2代谢总论和生物氧化NADH氧化呼吸链氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链代谢总论和生物氧化总反应总反应NADH + HNADH + H+ + + 1/2O + 1/2O2 2NADNAD+ + + H + H2 2O O呼吸链呼吸链或或FADHFADH2 2 + 1/2O + 1/2O2 2呼吸链呼吸链FAD + HFAD + H2 2O O进一步进一步: :2H + 1/2O2H + 1/2O2 2呼吸链呼吸链H H2 2O O含在含在FADHFADH2 2中或中或NADHNADH中中代谢

25、总论和生物氧化呼吸链中电子传递体的排列顺序的确定：呼吸链中电子传递体的排列顺序的确定： 利用脱氧胆酸处理线粒体内利用脱氧胆酸处理线粒体内膜，分离出呼吸链的膜，分离出呼吸链的4种复种复合物、辅酶合物、辅酶Q、细胞色素、细胞色素C及及ATP合酶。合酶。 根据标准氧还电位根据标准氧还电位E0的高低的高低排列排列 根据电子传递体氧化还原态根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测时的吸收光谱变化进行检测 利用阻断剂研究分析利用阻断剂研究分析 四种复合物的电子传递再造四种复合物的电子传递再造实验实验代谢总论和生物氧化三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）

26、概念：概念： 呼吸链中电子的传递过程偶联呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸磷酸化，生成化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生是体内产生ATP的主要方式。的主要方式。代谢总论和生物氧化反应反应 ADP + Pi ADP + Pi ATP + HATP + H2 2O O 为为什么需要偶联什么需要偶联? ? ATP是比是比ADP与与Pi能量更高的化能量更高的化合物。由合物。由ADP与与Pi反应生成反应生成ATP是非是非自发过程，需要获自发过程，需要获得能量才能进行。得能量才能进行。ADP + PiATP+H2O30.5kJ/mol能量升高能量升高反应能级图反应能

27、级图代谢总论和生物氧化呼吸链电子传递过程中，哪些区段呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现放出的能量能实现ADPADP的磷酸化？的磷酸化？代谢总论和生物氧化什么是什么是P/OP/O比？其值有何意义？比？其值有何意义？ -物质氧化时，每消耗物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷氧原子所消耗无机磷的的mol数（或数（或ADP mol数），或每消耗数），或每消耗1mol氧所生氧所生成的成的ATP的的mol数数.代谢总论和生物氧化ATPATP合成酶合成酶代谢总论和生物氧化 氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联学说、构象偶联学说及化学渗透学说。目前学说、构象

28、偶联学说及化学渗透学说。目前公认度较大的是化学渗透学说。公认度较大的是化学渗透学说。呼吸链的氧化与呼吸链的氧化与ADPADP的磷酸化是怎的磷酸化是怎样偶联的？样偶联的？19611978 代谢总论和生物氧化化学渗透学说：化学渗透学说：l电子传递过程中，电子传递链起到质子泵的电子传递过程中，电子传递链起到质子泵的作用，将作用，将H+从线粒体内膜基质泵至线粒体内从线粒体内膜基质泵至线粒体内外膜间隙侧，造成膜间隙与基质侧质子化学外膜间隙侧，造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度，形成了膜电位，这是推动浓度梯度，形成了膜电位，这是推动ATP合合成的原动力。成的原动力。l 当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质子流进入子流进入ATP合成酶通道流回基质侧，释放合成酶通道流回基质侧，释放的自由能带动的自由能带动ATP合成酶运转，合成合成酶运转，合成A