新陈代谢与生物氧化

1、动态部分第四章 新陈代谢与生物氧化第一节新陈代谢一、新陈代谢的概念二、新陈代谢的研究方法三、生物体内能量代谢的基本规律四、高能化合物与ATP的作用1、合成与分解的关系 合成为分解准备了物质前提，外部物质转化为内部物质分解为合成提供了必需的能量内部物质转化为外部物质一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。 生物小分子合成生物大分子 合成代谢 （同化） 耗能 新陈代谢 能量代谢 产能 分解代谢 （异化） 生物大分子分解为生物小分子 物 质代 谢 一、新陈代谢的概念生物体通过新陈代谢获得能量通过新陈代谢建造和修复生物体通过新陈代谢完成遗传信息的贮存、传递和表达的过程。2、生物体新陈代谢的

2、作用 不同生物的代谢大同小异大同 各类生物的物质的代谢途径十分相似小异 也有偏向低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好氧代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。为什么具有许多相同之处呢？共同的祖先！3、新陈代谢的特点反应步骤繁多，具有严格的顺序性； 与环境相适应，自动调节； 在整体水平进行调节 在细胞水平进行调节 通过酶活性调节来进行调节。营养物质的摄取与吸收 利用光能的生物（植物、微生物） 食草动物 食腐动物（微生物） 食肉动物 （轮回）4、新陈代谢的过程 一般指物质在细胞中的合成和分解过程 将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结构物质或功能物质）分解为

3、机体所需的结构元件或分解供能； 将结构元件装配成大分子（结构物质、功能物质）； 在物质代谢的同时进行能量代谢排泄中间代谢主要涉及目前已经清楚的细胞内四大物质的合成与分解。代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢的研究内容也即分为两个方面： 参与的酶 物质的变化过程通过巧妙的实验设计、严密的逻辑推断与重复性的验证。二、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）1、活体内与活体外实验纯化合物排泄物的化学分析典型案例脂肪酸的氧化整体方法（in vivo)Knoop的标记化合物实

4、验脂肪酸的氧化脂肪酸末端甲基接上苯基偶数碳FA苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）奇数碳FA苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）各类组织细胞各种破碎方法碎片置于试管中向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。离体法(in vitro)利用含放射性同位素的物质，测试其在不同物质间的转移 高能化合物 ATP2、同位素示踪法CH3C14OOH呼出C14O2粪便含C14例：稳定性同位素：指原子量不同，不进行衰变，无射线辐射的同位素。放射性同位素：指原子量不同，有射线辐射的同位素。利用抗代谢药或酶的抑制剂代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累碘乙酸3-磷酸甘油醛脱氢酶氟化钠烯醇化酶利用遗传缺陷

5、症研究代谢途径3. 代谢途径阻断法三、生物体内能量代谢的基本规律 热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。G=H - TS（H是总热量的变化，S是总熵的改变，T是体系的绝对温度）。1.服从热力学原理。2.吉布斯自由能GG0，反应可以自发进行。G0，反应不能自发进行， 吸收能量才推动反应进行。G0，体系处在平衡状态。标准自由能变化用G。表示（25，1个大气压，pH为7，反应物和产物浓度为1mol/L时所测得，单位是kJ/mol）。（R为气体常数，lnK为平衡常数的自然对数。K1，G。为负值，反应趋于生成物的方向进行；K

6、1，G。为正值。）3G 。 和化学平衡的关系A+BC+De-脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoA磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等） 共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位 生物体内能量产生的三个阶段高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型：胍基磷酸化合物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21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G-21kJ/mo

7、l）的化合物称为高能化合物。四、高能化合物与ATP的作用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的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式能量源自:能源物质的分解 （糖、脂、偶尔是蛋白质）分解代谢氧化产能ADP机械能（运动）化学能（合成反应）渗透能（分泌、吸收）电能（生物电）热能（体温维持）光能（生物发光） UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP第二节生物氧化一、生物氧

8、化的概念、特点和部位二、生物氧化的酶类和体系 三、生物氧化中CO2的生成四、生物氧化中水的生成五、氧化磷酸化作用1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biological oxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。一、生物氧化的概念、特点和部位 2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。 酶促氧化过程、反应条件温和 氧化与还原相偶联 质子和电子由载体传递到氧生成水 分步进行：有利于提高能量利用率 氧化磷酸化3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒

9、体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。二、生物氧化的酶类和体系 1.酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类， 脱氢酶尤为重要。2.体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。 不需传递体其特点: 不伴磷酸化，不生成ATP， 主要与体内代谢物、药物和毒物生物转化有关。需传递体的最典型的是呼吸链。 生物氧化中CO2的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。三、生物氧化中CO2的生成直接脱羧氧化脱羧按脱羧基的位置-脱羧-脱羧请判断以下脱羧反应的类型四、生物氧化中水的生成脱氢酶氧化酶还原型氧化型一个或多个传递体M.2HMH2O1/2O2（一）呼吸链的概念和类型1.定义： 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的

10、传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratory chain）或电子传递链（electron transfer chain）。 线粒体呼吸链 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 2、呼吸链种类NADH2呼吸链FADH2呼吸链 （二）呼吸链的组成 组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。 分别为：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白

11、类、辅酶Q类、细胞色素类。 低能水平 高氧化还原势高能水平 低氧化还原势Cyt.b Cyt.c1 Cyt.c Cyt.a Cyt.a32H+FAD辅酶Q辅酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+ 1/2O2 H2OATPATP典型的呼吸链电子的传递方向是：NADH2 O2电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。 1辅酶和辅酶 它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。2、黄素酶 黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FAD是琥

12、珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。 FMNH2 或 FADH2 可进一步将电子转移给辅酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R51NNNCCONHOCH3CH3HHR+ 2H- 2H 铁硫蛋白(Fe-S)分子中含非卟啉Fe与对酸不稳定的S，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2个活泼的硫和2个铁原子，故称铁硫中心。3、铁硫蛋白（简写为Fe-S ） 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

13、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: FeS 2Fe 2S 4Fe 4S Fe S 只含1个铁原子 2Fe 2S 4Fe 4S 它是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。4、辅酶-Q（CoQ）5、细胞色素 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血红素A血红素C血红素B细胞色素在电

14、子传递链中的顺序b c1 c aa3O2Fe-S2Cu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确定其顺序；c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证； d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合体排序(4种)。(三）呼吸链中传递体的顺序从NADH到分子氧每一电子传递体得电子的倾向逐渐增大电子传递抑制剂:能阻断呼吸链中某部位电子传递物。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MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.

15、29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO, 叠氮化合物呼吸链中各传递体顺序 低能水平 高氧化还原势高能水平 低氧化还原势Cyt.b Cyt.c1 Cyt.c Cyt.a Cyt.a32H+FAD辅酶Q辅酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+ 1/2O2 H2OATPATP电子的传递方向是：NADH2 O2电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。 在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能

16、磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。五、氧化磷酸化作用 伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化ADP + Pi + 能量 ATPAMP + PPi + 能量 ATP（一） ATP的生成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 + XP是捕获能量的一种方式;和氧的存在与否无关。特点:底物水平磷酸化反应举例COO-

17、C-O P CH2磷酸烯醇式丙酮酸 COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADP ATP2. 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。（1）概念1电子传递体系磷酸化：ADP ATP底物产物FAD FADH2NAD NADHH2O能量需要氧分子的参与。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：NADHFMN辅酶Qbc1caa3O2 FAD -0.18电势：-0.32 -0.30 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816P

18、3ADPPP3ATP产能的三个部位（2） P/O比和由ADP生成ATP的数目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。 NADH呼吸链： P/O比值 3 FADH2呼吸链：P/O比值 2 故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中，可分别合成3个、2个ATP。（3）呼吸链电子传递过程中的自由能变化1例细胞色素bG=-296.49(0.82-0.07) =-296.490.75 =-144.735KJ/mol每合成1mol ATP G=30.52KJ复合体I: NADHCoQ, E0= 0.360V, G0=

19、 -69.5kJ/mol复合体III: CoQ Cytc, E0= 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。最近的研究表明： 复合体、和不能直接合成ATP，但能螯合通过电子传递所产生的自由能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形

20、成跨膜的质子梯度。（即：电子转移所释放的能量能有效地贮存在一种质子梯度中） 跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力。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 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（二）胞液中NADH的氧化磷酸化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FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2ONAD+甘油-磷酸CH2OHCHOHCH2O胞液甘油-磷酸脱氢酶；线粒体甘油-磷酸脱氢酶(黄

21、素蛋白脱氢酶)苹果酸-天冬氨酸穿梭系统酵解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COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH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（三）氧化磷酸化作用的机理有关氧化磷酸化机理的几种假说 化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说1. 化学偶联假说 1953年 Edward Slater 最先提出。 认为：电子传递产生一种高能共价中间物, 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

22、。 1964年Paul Boyer最先提出。 认为: 电子沿呼吸链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, 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。 但至今未能找到有力的实验证据。2. 构象偶联假说a.呼吸链催化反应是定向的； b.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；c.电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（内膜对H+是不通透的），在膜内外侧产生了跨膜质子梯度 和电位梯度3. 化学渗透假说 1961年英国生物化学家 Peter Mitchell 首先提出, 1978年获诺贝尔化学奖。膜间隙琥珀 酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜d. 在膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP合酶组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP支持化学渗透假说的实验证据：氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。破坏H+浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+ 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定