新陈代谢概述与生物能学

1、第七章 代谢总论与生物氧化学习导航第一节 代谢总论第二节 生物氧化第一节 代谢总论一、有关概念二、新陈代谢的特点与调节一、有关概念1.新陈代谢(简称代谢 ) 营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。 实质：错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围环境高度适应而成的一个有规律的总过程。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 同一种物质，分解代谢和合成代谢途径一般是不同。 使代谢增加了灵活性和应变能力。 其过程是高度协调、高度整合。能量代谢2.代谢过程：消化吸收、中间代谢及代谢产物的排泄。

2、(底物、中间产物(代谢物 )和最终产物)3.主要代谢途径 具有共同规律的途径，在生物界具有相当普遍性。4.新陈代谢的功能 获得营养；转变为元件；组成大分子；形成或分解生物分子；提供所需能量。二、新陈代谢的特点与调节1、特点2、新陈代谢的调节在温和条件下进行(由酶催化)；步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性；各代谢途径相互交接 ，形成物质与能量的网络化交流系统。精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和能量。各代谢途径之间存在许多重复出现的基元(通用活化载体).1、特点2、新陈代谢的调节 分子水平、细胞水平和整体水平。基因表达的调控。 主要有三个环节： 酶量的调节（转录水平） 酶活性的调节（

3、变构、共价） 反应底物的调节第二节 生物氧化一、概念二、特点与方式三、高能化合物四、呼吸链五、氧化磷酸化糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能一、生物氧化的概念 糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。二、 生物氧化的特点和方式 特点 生物氧化过程中CO2的生成 生物氧化过程中H2O的生成 有机物在体内氧化的一般过程生物氧化的特点在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下）;有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行;其途径迂回曲折，有条不紊;

4、 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。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：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2RH2O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 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+

5、 乙醇脱氢酶例：12 O2NAD+电子传递链 H2O2eO=2H+糖原 三酯酰甘油 蛋白质 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TCA 2H 呼吸链 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般过程三、高能化合物1、高能化合物的类型 2、ATP的形成与特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。高能化合物类型ATP的特点 在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。腺嘌呤核糖 O P O P

6、O P O-OOOO-O-O-+Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1ATP的形成与作用ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸机械能-运动化学能-合成渗透能-分泌吸收电能-生物电热能-体温光能-生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用一般情况下，ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸与ATP的转换磷酸肌酸、磷酸精氨酸（无脊椎动物肌肉中）贮能作用ATP的生成和利用ATP AD

7、P 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 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)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。体内有些合成反应不直接利用ATP供能，而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白质合成等。 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP四

8、、呼吸链定义组成呼吸链中传递体的排列顺序体内重要的呼吸链定义在生物氧化过程中，从代谢物脱下的成对氢原子（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，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。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。组成：递氢体和电子传递体（2H 2H+ + 2e），存在于线粒体内膜上 呼吸链的定义呼吸链的组成烟酰胺脱氢酶类. 黄素蛋白酶类. 铁-硫蛋白类. 辅酶. 细胞色素类NADH辅 酶

9、 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黄素蛋白（F AD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）烟酰胺脱氢酶类 特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理: NAD(P) + + 2H+ +2e NAD(P)H + H+黄素蛋白酶类 特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2铁硫蛋白 +e 传递电子机理：Fe3

10、+ Fe2+ -e 特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成FeS中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。CoQ 特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。 +2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2H细胞色素 传递电子机理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。 类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体

11、，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。呼吸链中传递体的排列顺序实验依据：1）根据各种组分标准氧化还原电位确定顺序，氧化还原电位逐渐增加，该值越大，说明越易构成氧化剂处于呼吸链的末端，越小，说明越易构成还原剂处于呼吸链的始端。2）电子亲和力增加的顺序排列；3）吸收光谱变化，氧化程度逐渐增高；4）利用电子传递抑制剂选择性阻断； 5）拆开和重组6）还原状态呼吸链缓慢给氧，根据各组分氧化还原状态确定顺序呼吸链（电子传递链）电子亲和力递增的顺序ATPFADH2ATPATP1. NADH氧化呼吸链NADH 复合体Q 复合体Cy

12、t 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。2. 琥珀酸氧化呼吸链 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作为这条呼吸链的最初供体。体内重要的呼吸链NADH氧化呼吸链 FADH2氧化呼吸链电子传递链五、氧化磷酸化ATP的生成： 主要由：ADP+pi+能量ATP 少数情况：AMP+ ppi+能量ATP ATP是生命活动的直接供能物质，体内能量的生成就是ADP经磷酸化生成ATP的过程。能量贮存在ATP的高能磷酸键中。体内磷酸化主要有两种方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。1、底物水平磷酸化 定义：底物水平磷酸化 是指代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使分子内部能量重新分配，能量集中产生高能键，然后使ADP磷酸化生成ATP的过程。 底物被氧化时形成高能磷酸化合物的中间物，通过酶的作用使ADP生成ATP。 底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量来自伴随底物脱氢，分子内部能量的重新分布。如：糖酵解过程产生ATP2、氧化磷酸化1）定义：在生物氧化过程中，底物脱氢产生NADH 和FMNH2经呼吸链传递氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联ADP磷酸化生成ATP，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化 (oxidati