第七章新陈代谢总论与生物氧化ppt课件

1、第七章第七章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化一一 新陈代谢总论新陈代谢总论二二 生物氧化生物氧化一、新陈代谢总论一、新陈代谢总论一新陈代谢的概念：一新陈代谢的概念：(metabolism) 生命的根本特征生命的根本特征包括生物体内所发生的一包括生物体内所发生的一切化学变化合成和分解切化学变化合成和分解作用作用 中间代谢中间代谢新陈代谢的功能新陈代谢的功能 1从周围环境中获得营养物质。从周围环境中获得营养物质。2将外界引入的营养物质转变为本将外界引入的营养物质转变为本身需要的构造元件身需要的构造元件building blocks。3将构造单元装配本钱身的大分子。将构造单元装配本钱身

2、的大分子。4构成或分解生物体功能所需的生构成或分解生物体功能所需的生物分子。物分子。5提供生命活动所需的一切能量提供生命活动所需的一切能量分解代谢与合成代谢分解代谢与合成代谢生物小分子合成大分子合成代谢需求能量新陈代谢释放能量分解代谢生物大分子分解成小分子能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢二新陈代谢的研讨方法二新陈代谢的研讨方法1.研讨资料：单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体2.研讨方法：体内研讨invivo:用生物整体研讨体外研讨invitro：用切片，匀浆等研讨3.同位素示踪法：4.代谢途径阻断：如用酶的抑制剂(三)生物能学简介 有关热力学的一些根本概念有关热力学的一些根本概念 体系、环境

3、、形状体系、环境、形状 能的两种方式能的两种方式 热与功热与功 热力学第一定律和内能热力学第一定律和内能(internal energy)、焓焓(enthalpy) 热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵(entropy) 自在能自在能(free energy)自在能freeenergy G=H-TS =H-TS 自在能的变化能预示某一过程能否自发自在能的变化能预示某一过程能否自发进展，即：进展，即： G0，反响不能自发进展，反响不能自发进展 G=0，反响处于平衡形状。，反响处于平衡形状。化学反响自在能的变化和平衡常数的关系化学反响自在能的变化和平衡常数的关系 假设有一个化学反响式：假设有一个化

4、学反响式：aA + bB = cC + dD 恒温恒压下：恒温恒压下：G=G+ RTlnQc 式中：式中：G= - RTlnKbadCCBADCQ G G 某一化学反响随参与化学反响物质的浓度、发生化学反响的某一化学反响随参与化学反响物质的浓度、发生化学反响的pHpH和温度和温度而改动的自在能变化。而改动的自在能变化。 Qc - Qc - 浓度商：浓度商： badCBADCKeqGG 规范条件规范条件T=298OK,T=298OK,大气压为大气压为1atm,1atm,反响物和生成物浓度为反响物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0下，化学反响自在能的变化。下，化学反

5、响自在能的变化。 Keq - Keq - 平衡常数：平衡常数： 偶联化学反响偶联化学反响GG变化的可加性变化的可加性 在偶联的化学反响中，各反响的规范自在能变化是在偶联的化学反响中，各反响的规范自在能变化是可以相加的：例：可以相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 那么那么 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 该规那么阐明一个在热力学上不利的反响，该规那么阐明一个在热力学上不利的反响，可以与热力学有利的反响偶联进展，即可以被热力可以与热力学有利的反响偶联进展，即可以被热力学有利的反响所驱动而进展。这在

6、生物化学反响中学有利的反响所驱动而进展。这在生物化学反响中是很多的。是很多的。 能量学用于生物化学反响中的一些规定能量学用于生物化学反响中的一些规定 1 在稀的水溶液系统中，假设有水作为反在稀的水溶液系统中，假设有水作为反响物或产物时，响物或产物时， 水的浓度近似的即活水的浓度近似的即活度为度为1.0。 2 生物体规范情况的生物体规范情况的pH规定为规定为7.0。 3 G是是 pH为为7.0时的规范情况下的的时的规范情况下的的规范自在能。规范自在能。 4 根据国际单位制根据国际单位制(Le Systeme international Unut ，简称，简称 SI单位单位)，热和，热和能量的单位

7、用焦耳能量的单位用焦耳/摩尔摩尔(Joules/mol)。(四四) 高能化合物与高能化合物与ATP 生化反响中，在水解时或基团转移反响中可生化反响中，在水解时或基团转移反响中可释放出大量自在能释放出大量自在能21千焦千焦/摩尔的化合摩尔的化合物称为高能化合物。物称为高能化合物。 高能化合物的类型高能化合物的类型 ATP的特点及其特殊作用的特点及其特殊作用高能化合物的类型高能化合物的类型 ATP的特点的特点 在在pH=7环境中，环境中，ATP分子中的三个磷酸基分子中的三个磷酸基团完全解离成带团完全解离成带4个负电荷的离子方式个负电荷的离子方式ATP4-，具有较大势能，加之水解产物稳定，因此水，具

8、有较大势能，加之水解产物稳定，因此水解自在能很大解自在能很大G=-30.5千焦千焦/摩尔。摩尔。ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1ADP3-+H2OAMP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+ATP的生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物程度磷酸化底物程度磷酸化 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )浸透能浸透能( (物质自动转运物质自动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )

9、热能热能( (维持体温维持体温) )生物体内能量的传送和利生物体内能量的传送和利用都以用都以ATP为中心。为中心。ATP在能量转运中位置和作用在能量转运中位置和作用 ATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货 ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸基团贮藏磷酸肌酸磷酸基团贮藏物物6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 3-磷酸甘油磷酸甘油 * * 生物氧化与体外氧化熄灭的一样点生物氧化与体外氧化熄灭的一样点生物氧化中物质的氧化方式遵照氧

10、化复原生物氧化中物质的氧化方式遵照氧化复原反响的普通规律。反响的普通规律。物质在体内外氧化时所耗费的氧量、最终物质在体内外氧化时所耗费的氧量、最终产物产物CO2，H2O和释放能量均一样。和释放能量均一样。二二 生物氧化的化学本质与特点生物氧化的化学本质与特点本质：生物氧化是发生在生物体内的氧化复原反本质：生物氧化是发生在生物体内的氧化复原反响响 反响条件反响条件 温温 和和 剧剧 烈烈 ( (体温、体温、pHpH近中性近中性) () (高温、高压高温、高压) )反响过程反响过程 逐渐进展的酶促反响逐渐进展的酶促反响 一步完成一步完成能量释放能量释放 逐渐进展逐渐进展 瞬间释放瞬间释放 化学能、

11、热能化学能、热能 热能热能CO2CO2生成方式生成方式 有机酸脱羧有机酸脱羧 碳和氧结合碳和氧结合H2O H2O 需需 要要 不需求不需求速率速率 受体内多种要素调理受体内多种要素调理 生物氧化生物氧化 体外熄灭体外熄灭* * 生物氧化与体外熄灭的不同点生物氧化与体外熄灭的不同点(一一) 生物氧化的方式生物氧化的方式 1. 1. 失电子失电子 2. 2. 脱氢脱氢( (最主要最主要) ) 3. 加氧加氧 Fe 2+ Fe 3+ +eCOOH C =O + 2H CH3 2H+ +2eCOOHHOCHCH3Cu + O2 CuO1 2二二)CO)CO生成的方式生成的方式 根本方式：根本方式： 有

12、机酸脱羧有机酸脱羧 分类：分类： -脱羧脱羧 羧基位置在羧基位置在碳原子上碳原子上 -脱羧脱羧 羧基位置在羧基位置在碳原子上碳原子上 单纯脱羧不伴氧化单纯脱羧不伴氧化 氧化脱羧伴氧化氧化脱羧伴氧化直接脱羧直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶-脱羧HOOCCH2CCOOH 丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO-脱羧氧化脱羧氧化脱羧 ：在脱羧过程中伴随着氧化脱氢。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O三三 H2O的生成的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。生物体主要以脱氢酶、传送体及氧化酶组成生物氧化体系，以促

13、进水的生成。MH2M递氢体递氢体H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ复原型氧化型Cyt递电子体递电子体 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶1. 呼吸链电子传送链呼吸链电子传送链根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两种：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。2. 呼吸链的组成呼吸链的组成3. 呼吸链中传送体的顺序呼吸链中传送体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抑制剂：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物线粒体呼吸

14、链呼吸链氧化体系中的酶类、传送体按一定的呼吸链氧化体系中的酶类、传送体按一定的规律分布、陈列在线粒体内膜和基质中，将规律分布、陈列在线粒体内膜和基质中，将代谢脱下的氢传送给氧生成水，由于与细胞代谢脱下的氢传送给氧生成水，由于与细胞利用氧的呼吸过程有关，常将这一体系称为利用氧的呼吸过程有关，常将这一体系称为呼吸链，又称电子传送链。呼吸链，又称电子传送链。 线粒体有双层膜构造，外膜光滑，内膜折叠成嵴，伸向基质。内外膜之间为膜间腔。呼吸链的组分及其作用呼吸链的组分及其作用 1 1以以NAD+ NAD+ 、 NADP+NADP+为辅酶的脱氢酶类为辅酶的脱氢酶类 尼克酰胺核苷酸类尼克酰胺核苷酸类 NAD

15、+ NAD+ 、 NADP+ NADP+ 递氢递氢体体 2 2黄素蛋白黄素蛋白 FMN FMN 、FAD FAD 递氢体递氢体 3 3铁硫蛋白铁硫蛋白 单电子传送体单电子传送体 4 4泛醌辅酶泛醌辅酶Q Q 递氢体递氢体 5 5细胞色素体系细胞色素体系 单电子传送体单电子传送体尼克酰胺核苷酸的作用原理尼克酰胺核苷酸的作用原理RHCONH2N+CRHHCONH2N+ H+ H + e+ e + H+ H+ H+ H+NAD(P)+ NAD(P)H+H+2H+2H-2H-2H黄素核苷酸的作用原理黄素核苷酸的作用原理OOCH3CH3RNNNHN核黄素核黄素( (黄色黄色) )FAD/FMN FADH

16、2/FMNH2+2H+2H-2H-2H-2H-2H+2H+2HHNNOOCH3CH3NHNHH复原型复原型 核黄素核黄素( (无色无色) )a2Fe-2Sb4Fe-4S铁硫蛋白的构造Fe 2+ Fe 3+-e+eFMN Fe-SFAD (Fe-S)b辅酶辅酶Q Q的构造及作用原理的构造及作用原理O CH3 CH3H3CO H3COOCH2CH=C CH2n HOOH3CO H3COCH3RH3CO H3COOHOHCH3R+2H+2H-2H-2H泛醌泛醌细胞色素体系细胞色素体系CytCyt. Cyt的本质的本质细胞色素细胞色素 = = 酶蛋白酶蛋白 + + 血红素血红素. Cyt的分类的分类3

17、030多种多种a a组：组：a a、a1a1、a2a2、 a3 a3 b b组：组：b b、b1b17 7、P450 P450 c c组：组：c c、c1c1、c2c2、 c3 c3 细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子细胞色素是一类以铁卟啉为辅基的催化电子传送的酶类。传送的酶类。电子传送链电子传送链复合体复合体: NADH-Q: NADH-Q泛醌复原酶泛醌复原酶u 功能功能: 将电子从将电子从NADH传送给泛醌传送给泛醌 (ubiquinone) 复合体复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 ComplexI构造表示图复

18、合体复合体: : 琥珀酸琥珀酸-Q-Q泛醌复原酶泛醌复原酶u 功能功能: : 将电子从琥珀酸传送给泛醌将电子从琥珀酸传送给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 Complex构造表示图复合体复合体: QH2: QH2泛醌泛醌- -细胞色素细胞色素c c复原酶复原酶 u 功能：将电子从泛醌传送给细胞色素功能：将电子从泛醌传送给细胞色素c c 复合体复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1Complex构造表示图复合体复合体: : 细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶u 功能：将电子从细胞色素功能：将电子从细胞

19、色素c传送给氧传送给氧 复合体复合体复原型复原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中其中Cyt a3 和和CuB构成的活性部位将电子交给构成的活性部位将电子交给O2。Complex构造表示图各复合物之间的相互关系NADH氧氧化呼吸链化呼吸链 FADH2氧氧化呼吸链化呼吸链呼吸链中传送体为什么是按照这样的一个顺序呼吸链中传送体为什么是按照这样的一个顺序陈列呢？陈列呢？ 线粒体内的两条呼吸链复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体复合体复合体呼吸链电子传送链呼吸链电子传送链电子亲和力递增的顺序电子亲和力递增的顺序ATPFADH2ATPATP鱼藤酮鱼藤酮杀粉蝶菌素粉蝶霉素杀粉蝶菌素粉蝶霉素A A

20、阿米妥异戊巴比妥阿米妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 CO、CN-、N3-及及H2S呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体电子传送链电子传送链区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经区别：从琥珀酸分子中脱下的氢原子不经NAD+，而直接传送给黄素酶而直接传送给黄素酶四四 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用伴随着放能的氧化作用而进展的磷酸化。ADP+Pi+能量ATPAMP+PPi+能量ATP1. ATP的生成的生成1底物程度磷酸化 ：在被氧化的底物上发生磷酸化作用。X+ADPATP+XP2电子传送体系磷酸化 ：电子从NADH或FADH2经过电子传送体系传送给氧构

21、成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP。NADHFMNCoQbc1caa3O2PPP3ADP3ATPP/O比值：在电子传送体系磷酸化中，在一定时间内所耗费的氧以克原子计与所产生的ATP数目的比值。NADH的的P/O=3FADH2的的P/O=2w氧化磷酸化的大小用氧化磷酸化的大小用P/OP/O表示表示w磷氧比磷氧比P/O)P/O)是指每耗费是指每耗费1mol1mol原子氧时原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的磷，即产生多少摩尔的ATPATP。w可间接测可间接测ATPATP生成量：生成量：w NADHNADH呼吸链：呼吸链： P/O =3P/

22、O =3w FADH FADH呼吸链：呼吸链： P/O = 2P/O = 2线线粒粒体体离离体体实实验验测测得得的的一一些些底底物物的的P/O比比值值底底 物物呼呼吸吸链链的的组组成成P/O比比值值可可能能生生成成的的 ATP数数 -羟羟丁丁酸酸NAD+复复合合体体CoQ复复合合体体2.42.8 3Cyt c复复合合体体O2琥琥珀珀酸酸复复合合体体CoQ复复合合体体1.7 2Cyt c复复合合体体O2抗抗坏坏血血酸酸Cyt c复复合合体体O20.88 1细细胞胞色色素素c (Fe2+) 复复合合体体O20.61-0.68 1ATPATP ATP 氧化磷酸化偶联部位氧化磷酸化偶联部位电子传送链自

23、在能变化电子传送链自在能变化 区区段段电电位位变变化化(E)自自由由能能变变化化G=-nFE能能否否生生成成ATP(G是是否否大大于于30.5KJ) Cyt aa3O2 0.53V 102.3KJ/mol 能能NAD+CoQ0.36V 69.5KJ/mol 能能CoQCyt c 0.21V 40.5KJ/mol 能能2. 胞液中胞液中NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化NADH + H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-磷酸线粒体内膜甘油-磷酸穿越作用甘油-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2阐明：1S-磷酸甘油脱氢酶和M-磷酸甘油脱氢酶是同工酶，前者的辅酶是NAD+，后

24、者的辅基是FAD，因此一对氢经该穿越作用进入呼吸链彻底氧化可产生2个ATP。2该穿越作用存在于骨骼肌、脑和神经组织中。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呼吸链呼吸链苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统阐明：阐明：1S-苹果酸脱氢酶和苹果酸脱氢酶和M-苹果酸脱氢酶是同工酶，苹果酸脱氢酶是同工酶，均以均以NAD+作为辅酶。作为辅酶。2一对氢经该穿越作用进入呼吸链彻底氧化可产一对氢经该穿越作用进入呼吸链彻底氧化可产生生3个个ATP。3该穿越作用存在于肝脏心肌和肾脏中。该穿越作用存在于肝脏心肌和肾脏中。 3. 氧化磷酸化作用机理氧化磷酸化作用机理化学浸

25、透学说化学浸透学说氧化磷酸化作用的关键要素是质子H+梯度和完好的线粒体内膜。化学偶联学说化学偶联学说构成高能中间产物，促使ATP生成。构造偶联学说构造偶联学说Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+PiAox+ATP线粒体基质线粒体基质 线粒体膜线粒体膜 + + + + - - - - H+ O2 H2O H+e- ADP+Pi ATP 化学浸透假说简单表示图化学浸透假说简单表示图化学浸透假说化学浸透假说Chemiosmotic hypothesis 电子传送链是一个质子电子传送链是一个质子泵，使质子从线粒体基泵，使质子从线粒体基质排到内模外，构成质排到内模外，构成H浓度梯度，

26、产生的电浓度梯度，产生的电动势驱动动势驱动H经过经过ATP合成酶系统上的特殊通合成酶系统上的特殊通道回流到线粒体基质，道回流到线粒体基质，同时释放出自在能与同时释放出自在能与ATP的合成相偶联的合成相偶联化学浸透假说化学浸透假说(chemiosmotic (chemiosmotic hypothesis):hypothesis): 电子传送释出的能量用电子传送释出的能量用于构成跨膜的质子于构成跨膜的质子 H + H + 梯度，此梯度用以驱梯度，此梯度用以驱动动ATPATP的合成。在电子的合成。在电子传送和磷酸化之间起偶传送和磷酸化之间起偶联作用的是联作用的是H +H +电化学梯电化学梯度。度。化学浸透模型化学浸透模型Chemiosmotic Model)ATP合成酶合成酶 位于线粒体内膜的内外表，又称F1/F0-ATP合成酶。F1由5种亚基组成，为酶复合物的球状头部，也是活性中心，位于内膜基质外表。F0横贯内膜，含有质子通道，由4种亚基组成。茎部有寡霉素敏感蛋白OSCP，有