新陈代谢与生物氧化讲解课件

1、 新陈代谢与生物氧化 Metabolism and biological oxidation第一节 新陈代谢总论一、新陈代谢的概念 活细胞中全部有序的化学变化的总称。新陈代谢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 合成代谢（同化作用） 分解代谢（异化作用）生物小分子（简单）合成为生物大分子（复杂）需要能量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。新陈代谢的研究方法1. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro)3. 代谢途径阻断2. 同位素示踪法二、生物体内能量代谢的基本规律化学反应自由能方程式G

2、 =H TS（ G是总自由能的变化， H 是总热能的变化，S是熵的变化）当G0，反应不能自发进行。当给体系补充自由能时，才能推动反应进行（为吸能反应）。当G0，体系的反应能自发进行(为放能反应)。当G0，表明体系已处于平衡状态。自由能： 生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。四、高能化合物分类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：ATP释放自由能特别多的化合物。常用P 或 P表示。烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔酰基磷酸化合物氨甲酰

3、磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩尔氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸 有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。光能（太阳能）:植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能： 通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。生命能量来源第二节 生物氧化糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的特点1、反应条

4、件温和2、伴随生物还原反应的发生3、水是许多生物氧化反应的氧供体 4、碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。5、分步进行的过程6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。 二、生物氧化的方式（一）CO2的生成生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。A 直接脱羧作用CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脱羧酶HOOCC H2C COOH 丙酮酸羧化酶CH3CCOOH + CO2OO（-脱羧）（-脱羧）B 氧化脱羧作用：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。（二）脱氢氧化反应A 脱氢琥珀酸脱氢HOOCCH2CHOHCOOHCH3CC

5、OOH + CO2NADP+NADPH + H+O乳酸脱氢酶B 加水脱氢 酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。（三）氧直接参加的氧化反应加氧酶 能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如， 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O氧化酶 主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。（四）H2O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、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。MH2M递氢体递氢体H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、

6、COQ还原型氧化型Cyt递电子体 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶氧化酶定义呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程，又称电子传递体系或电子传递链。组成：递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e），存在于线粒体内膜上 。1、呼吸链内膜脊膜烟酰胺核苷酸类：主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD +为辅酶。 电子和氢离子一起被接受，还原型Co将氢移到NADH脱氢酶（黄素）上。2、呼吸链中包括5类电子载体：NAD+和NADP+的结构R=H: NAD+; R=H2PO3:NA

7、DP+ NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。黄素脱氢酶类 黄素酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅基FMN（ FAD ）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN 。铁硫蛋白类 NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合，组合成铁-硫中心。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3+反应传递电子。 表示无机硫 辅酶Q类 又称泛醌（CoQ)，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（ CoQH2）

8、，处在呼吸链的中心地位。泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。细胞色素类（cytochromes) 是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。其作用靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。 a、cytbc1复合体：含ctyb 、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3 。 除含铁还含铜（ Cu2+Cu+）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。 传递体 作用 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NAD+） 递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） 递氢体 黄素蛋白（辅基为 FAD和 FMN） 递氢体 铁硫蛋

9、白（Fe-S） 单电子传递体辅酶Q 递氢体细胞色素类 单电子传递体复合体: NADH-Q（泛醌）还原酶 功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 由以上五种电子传递体组成4个复合体复合体的功能 NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2复合体: 琥珀酸-Q（泛醌）还原酶 功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 复合体: QH2（泛醌）-细胞色素c还

10、原酶 功能：将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1复合体: 细胞色素c氧化酶 功能：将电子从细胞色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 1. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cyt c 复合体O2糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部分经此呼吸链氧化为水。例如丙酮酸、异柠檬酸、乳酸、酮戊二酸、苹果酸、谷氨酸等。3、体内两条重要的呼吸链：根据接受氢的初始受体不同2. FADH2氧化呼吸链 琥珀酸 复合体 Q 复合体Cyt c 复合体O2一般情况下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脱氢生成FADH2作

11、为这条呼吸链的最初供体。呼吸链的组成及传递体的顺序 各组分在链上的位置次序与其得失电子趋势的强度有关。电子总是从低氧化还原电位向高的电位上流动的，氧化还原电位的数值愈低，即供电子的倾向愈大，愈易成为还原剂，而处在呼吸链的前面。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：抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物1NADH氧化呼吸链：2.FADH2氧化呼吸链 NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链电子传递链三、氧化磷酸化作用伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。P240ADP + Pi

12、+ 能量 ATPAMP + PPi + 能量 ATP1. ATP的生成（1）底物水平磷酸化：在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP 生成ATP。X + ADP ATP + XP（2）电子传递体系磷酸化(electron transport system)即：电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP。NADHFMNCoQbc1caa3O2PPP3ADP3ATPP/O比值：在电子传递体系磷酸化中，在一定时间内，每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间

13、接测出ATP生成量。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2 电子传递过程和磷酸化作用相耦联的部位，从NADH到分子氧的呼吸链中，有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为ATP。2. 氧化磷酸化作用机理(mechanism)化学渗透学说(chemiosmotis hypothesis) 氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。化学偶联学说形成高能中间产物，促使ATP生成。结构偶联学说 电子传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能形式，然后将能量传递给ATP酶分子，形成ATP。 A*ox + ADP +Pi Aox + ATPMH2MNAD+2H+FeS2e2H

14、+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e O2O2-X- + IO-XHIOHH2OXIXIXI 头部ATP合酶ADP +PiATP2H+X- +IO-H2O化学渗透学说内膜 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP H+ H+ H+ 胞液侧 基质侧 + + + + + + + + + + - - - - - - - - - 化学渗透假说详细示意图化学渗透学说：英国P.Mitchell于1961年提出的。主要论点：呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作

15、用，质子被泵出线粒体内膜外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。化学渗透学说：英国P.Mitchell于1961年提出的。(1)呼吸链中氢传递体和电子传递体是间隔交替排列的。（2）传氢体有氢泵的作用，当传氢体从内膜内侧接受从底物传来的氢后，可将其中的电子传给其后的电子传递体，而将两个氢泵出内膜。（3）内膜对氢不能自由通过，泵出膜外侧的氢不能自由返回膜内侧，因而使内膜外侧的氢离子浓度高于内侧，造成氢离子浓度的跨膜梯度。此梯度所包含能量可驱使ADP和Pi合成ATP。（4）利用ATP合成酶的特点，将膜外侧的氢离子转化成内侧的氢离子，与氧生成水

16、。3. 胞液中NADH的氧化磷酸化(oxidative phosphorylation of NADH in cytoplasm)NADH + H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-磷酸线粒体内膜甘油-磷酸穿梭作用（肌肉、神经组织）甘油-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2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-天冬氨酸转运NADH系统（肝、肾、心等组织）（一）需氧脱氢酶和氧化酶 四、其他生物氧化体系（二）过氧化物酶体中的酶类 1、过氧化氢酶(catalase)又称触酶，其辅基含4个血红素2H2O2 2H2

17、O + O2 过氧化氢酶 2、过氧化物酶(perioxidase)以血红素为辅基，催化H2O2直接氧化酚类或胺类化合物 R + H2O2 RO + H2O RH2+ H2O2 R + 2H2O 过氧化物酶 过氧化物酶 呼吸链电子传递过程中可产生超氧离子（O2）其化学性质活泼,可使磷脂分子中不饱和脂肪酸氧化生成过氧化脂质,损伤生物膜。（三）超氧化物歧化酶2O2+ 2H+ SODH2O2 + O2 H2O + O2 过氧化氢酶SOD：超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase) 谷胱甘肽过氧化物酶 H2O2(ROOH) H2O(ROH+H2O) 2G SH G S S G NADP+ NADPH+H+ * 此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤 谷胱甘肽还原酶 含硒的谷胱甘肽过氧化物酶 （四）微粒体中的酶类 1、加单氧酶(monoxygenase)* 催化的反应：RH + NADPH + H+ + O2 ROH + NADP+ + H2O 故又称混合功能氧化酶(mixed-function oxidase)或羟化酶(hydroxylase)。上述反应需要细胞色素P450 (Cyt P450)参与。目 录2、加双氧酶 此酶催化氧分子中的2个氧原子加到底物中带双键的2个碳原子上。例 如： (O2) 色氨酸吡咯酶磷酸甘油穿