第七章新陈代谢总论与生物氧化ppt课件.ppt

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1、第七章 新陈代谢总论与生物氧化,第一 节、 新陈代谢总论,第二节 、 生物氧化,第一节 新陈代谢总论,一 新陈代谢的概念,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,二、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。,三 、 新陈代谢的调节,三个水平调节：分子水平-酶浓度和数量的调节 （包括基因水平上的调节）细胞水平-细胞区域化调节整体水平-激素和神经的调节,四、生物体内能量代谢的基本规律,自由能：生物体（或恒温恒压

2、）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。,G = H - TS,对于 A +B C +D,G= -2.303RTlgK K=CD/AB,生物体中 T2 =T1 所以热不能作功，能作功的能量是自由能。通常人们可以把能量分为两种。一种是热能，热能做功只能引起温度和压力的变化；另一种是自由能可在恒温恒压下做功。自由能公式为： G HT SG在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化H体系焓的变化；T体系的绝对温度； S-体系的墒变。,生物能学 (Bioenergetics) 生物能的性质1. 自由能的概念：热机作功公式为：,W：所做的功 Q：吸

3、收的热量 T1：作功前温度T2：作功后温度,自由能可以简单的看成是用于做功的能量在热力学中对自由能有严格的定义，在生化中，生物体用以做功的能量正是体内化学反应释放的自由能，或者说，在生物体内体现自由能变化是一个能量逐步浓缩的过程： 光能ATP 碳水化合物这个过程用最简洁的热力学语言描述为： “自由能不断增加，熵值不断减小的过程”。2、什么是生物能 生物能主要是指生物分子的化学能，也包括一些形式的物理能如：动能、电能、辐射能、热能等。生命活动中的能量形式同自然界能量形式一样，同样遵循热力学第一定律 即一种能量形式的产生，必然有另一种能量消失。,3. 生物能的性质 1) 生物能的来源； 例如 光合

4、碳素循环作用（植物的能量生成 光能电能活跃化学能稳定化学能 （ATP、NADPH (碳水化合物) 活跃化学能转变为稳定化学能的过程： CO2NADPH(ATP)CH2O2) 标准生成自由能 标准生成自由能-在标准状态下，由稳定单质生成1摩尔纯化合物的G 就等于该化合物的 标准自由能生成。见表20-2,3) 偶联反应自由能变化的可加性及其意义 例 两个相偶联的反应： A-B+C G = + 5kcal / mol (+20.92 kj / mol) B-D G = - 8 kcal / mol (-33.47 kj / mol) A-C + D G = - 3 kcal /mol (- 12,5

5、5 kj / mol) 偶联反应的自由能是可以加和的 加和的结果是A生成C和D的反应可以自发进行。一个热力学上不利的反应, 可以由热力学上有利的反应所驱动。,4、能量学用于生物化学反应的一些规定 1) 自由能: 物理化学中的标准自由能（G）为25、一个大气压，参与反应的物质均为1个mol时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有 H+ 参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则这个标准条件的pH值为 0 ，显然，不符合生物体系反应条件。生物体系中，其标准自由能是指pH7.0时的自由能，用G 表示 ，自由能的变化用 G 表示2) 氧化还原电位：生物体系中为 pH7.0 时的电位（E ）3

6、) 自由能与氧化还原电位的关系：G = -n FE n：转移电子数目 F：法拉第常数96.4914kJ/mol V,概 念： 水解自由能在20.92 kJ/mol （ 5千卡/mol ）以上的化合物。 高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“”表示 以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物”,五、 高能化合物,1 磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“OP ”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。,高能化合物类型：,2 氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸,3 硫酯键型 ，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A,常见磷酸化合物标准水解自由

7、能,ATP的结构特性,1 . 结构水解自由能：每个高能键的水解自由能为 30.5kJ/mol或7.3kcar/mol,细胞内影响ATP自由能释放的因素 ATP水解释放的自由能受到许多因素的的影响 , 主要包括: 1. pH 值 2. ATP的浓度 多数细胞ATP 、 ADP和无机磷酸的浓度大约 在2-10mmol /L之间.,ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+负电荷集中，共振杂化，H+ 浓度低,2. 产生高水解自由能的原因,ATP在能量转换中的地位和作用 作为能量通货的原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体,生物能流：,高能化合物,磷酸化合物,非磷酸

8、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,六、能量代谢与物质代谢的关系,异氧生物分解有机营养物质并产生ATP的三个阶段：,乙酰辅酶A,三羧酸循环,生物氧化的方式及特点一、生物氧化的概念 有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程如 葡萄糖 6 CO2 + 6 H2O + 能量 （2870.22 kJ/mol） 碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP二、生物氧化的方式 1 加氧氧化,第二节 生物氧化与氧化磷酸化(Biological oxidation and oxidative phosparylat

9、ion),2 脱氢氧化 加水脱氢:,Fe2+ Fe3+ e,（3）脱电子：,HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸琥珀酸脱氢酶 延胡索酸,直接脱氢：,三、生物氧化的特点：生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellular respiration) 1) 逐步氧化，有序可控； 2) 条件温和，多步酶促反应; 3) 能量逐步释放并以ATP的方式贮存。 4） 分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。,四、CO2生成方式 （1）

10、直接脱羧,（2）氧化脱羧:,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,五、H2O的生成方式,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。,MH2,M,递氢体,递氢体H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ,还原型,氧化型,Cyt递电子体 b, c1, c, aa3,2H+,2e, O2,O2-,H2O,脱氢酶,氧化酶,六、氧化酶类 1.电子转移酶 如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应,2. 氧化酶

11、： （1）一般氧化酶：单独使底物脱氢，并把氢交给氧的酶类，如一酶体系中的多酚氧化酶。,（3）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶,（2）黄素氧化酶：接受底物的氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢的酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶,3. 脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：,4. 加氧酶：加双氧酶和加单氧酶,一、电子传递链 指线粒体内膜上的电子传递系统，即电子从NADH到O2的传递经过的途径 类 别： NADH呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、 Cyt c

12、1、 Cyt c、 Cyta.a3 FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、 Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3 呼吸链主要由蛋白质复合体组成分为四部分： NADHQ还原酶； 琥珀酸Q还原酶； 细胞色素还原酶； 细胞色素氧化酶,电子传递和氧化呼吸链,NADNADHQ还原酶Q细胞色素还原酶细胞色素C细胞色素氧化酶 O2 琥珀酸Q还原酶 黄素蛋白中的FADH2,二、组成呼吸链的成员,2. 琥珀酸Q还原酶（复合酶II）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。,1. NADH脱氢酶（复合酶I：辅基为

13、FMN，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化NADH脱氢，并具有质子泵功能，其与铁-硫蛋白形成复合体,3. CoQ：是醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下：,（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给Cytc,4. 细胞色素还原酶 （复合酶III） 所有的细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基血红素，如Cytc的辅基与蛋白质的结合。,Fe2+ Fe3+e,其中的铁离子可接受电子和释放电子,5 .细胞色素氧化酶 （复合酶I

14、V）主要催化细胞色素C到细胞色素aa3 的电子传递： aa3是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。在膜的外部，Cyta接受Cytc的电子，经过Cu传给a3 ，a3 的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。 该复合体又称呼吸链末端氧化酶。,（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta a3。,三、工作机理：1. 呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：,2. 工作机理：,复合酶III,复合酶I,复合酶IV,复合酶II,四、存在状态,四个复合体： 复合体I： NADH脱氢酶、铁硫蛋白 复合体II： 琥

15、珀酸脱氢酶、铁硫蛋白 复合体III： 细胞色素b、c1 复合体IV： 细胞色素氧化酶,NADHFP2（内膜内侧）Qbc1caa3O2 NADHFP3（内膜外侧）Qbc1caa3O2 NADHFP4（外膜）b5caa3O2,五、植物中的呼吸支路,FP2/FP3/FP4 黄素蛋白,电子传递支路之一,电子传递支路之二,电子传递支路之三,交替途径,NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2,六、电子传递抑制剂：,抑制部位 1. 抑制NADH Q 还原酶内的电子传递抑制部位 2. 抑制CoQ c1 的所在传递抑制部位 3. 抑制细胞色素氧化酶中电子的传递,氧化磷酸化,一、概念:伴随生物氧化的放

16、能反应并由ADP与Pi合成ATP的过程。二、类型: 底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能磷酸基 团转移给ADP合成ATP的过程。,氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程 , 又叫偶联磷酸化 。,三、偶联部位: 1. 电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP,每消耗1原子氧同时消耗几原子磷，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP 底物NADH琥珀酸CoQ 细胞色素c P/O 3 2 2 1 ATP 2.5 1.5 1.5 1,2. P/O：,呼吸主链产能部位: 第一部位 NADH-CoQ 产生 1个ATP 第二部位 CoQ- Cyt C 产生 0.5个ATP

17、 第三部位 Cyt C1 - O2 产生 1个ATP,四、氧化磷酸化机理: 1.氧化磷酸化的细胞结构基础,线粒体（mitochondria）,外 膜（outer membrane）,内 膜（inner membrane）,嵴（sterility）,2. F1-F0因子：结构,F1：3a、3b、g、d、e 5种共9个亚基，,亚基为ATP合成部位,F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底。,g亚基突出与F0结合,ATP,F1-F0的工作机理,（1）化学偶联假说（Chemical coupling hypothesis ) （2）构象偶联假说 (conformational coupli

18、ng hypothesis ) （3） 化学渗透学说 （Chemical osmotic theory）（Mitchell 1961）,电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度,2. 氧化磷酸化机理,化学渗透学说机理,化 学 渗 透 学 说 要 点,线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4. 质子经F1F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。,化学渗透学说的试验根据 氧化磷酸化重建试验,MH2,M,NAD+,2H+,FeS,2e,2H+,FMN

19、,2H+,Cytb,2H+,2e,CoQ,2H+,Cytc1,Cytc,Cytaa3,2e, O2,O2-,X- + IO-,XHIOH,H2O,XI,XI,XI,头部ATP合酶,ADP +Pi,ATP,2H+,X- +IO-,H2O,化学渗透学说,设A、B为呼吸链邻近的两个电子传递体,AH2 + B + I AI + BH2,（可进行下一轮传递）,AI + X XI + A,XI +Pi XP +I,XP + ADP ATP + X,作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。,解偶联(uncoupling) 使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离

20、的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。 解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、 2.4-二硝基苯酚、双香豆素等 典型的解偶联剂 2，4 二硝基苯酚作用机理。,五、氧化磷酸化的解偶联剂(uncoupler)和抑制剂,氧化磷酸化抑制剂(oxidative phosphorylation inhibitor) ：直接作用于F1F0复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理使堵塞了质子通道。,六、氧化磷酸化物质的运输,1. 外源NADH运输 （1）动物：穿梭系统：磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,酶 II 嵌入蛋白,功能：将磷酸甘油的电子传给CoQ，而使外源

21、NADH 的电子进入呼吸链。外源NADH的电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH可以产生2个ATP。,苹果酸穿梭: 该系统由两种苹果酸脱氢酶（，存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶 （，存在于细胞质和线粒体）和C1 、C2两个载体组成,外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，NADH可以产生3个ATP。,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,（2）植物 植物可以通过其呼吸支路将外源NADH转移到呼吸链，当然这种方式每个NADH 只能产生2个ATP,2. ATP、ADP和无机磷

22、酸的运输（1）ATP、ADP 的交换运输 ATP、ADP 是由同一个载体叫ATP/ADP 交换体，也叫腺苷酸载体的膜蛋白进行交换运输的。这个载体为二聚体，其机理见图。,属于主动运输（2）无机磷酸的运输 由线粒体膜上的磷酸载体进行交换运输，属于主动运输,1. ATP能量的利用 其主要方式是水解，以释放其高的水解自由能，催化方式有两种：ATP + H2O ADP + Pi ATP 水解的高能磷酸基团往往使底物磷酸化，使有机分子提高能位或蛋白质分子发生变构。 ATP +H2O AMP + PPi 这种水解方式产生的PPi 迅速被焦磷酸酶水解，因此该过程消耗了ATP 的两个高能键，是高度供能的过程。

23、2. ATP能量的贮存,七、ATP能量的利用与贮存,八、细胞内ATP 含量的调节 能荷（energy charge）：总腺苷酸中所负荷的ATP 的比例,正常条件下，细胞中能荷在0.8左右。ATP、ADP、AMP以及Pi 是一些调节酶的变构剂，通过调节酶的活性来调节细胞的能荷。,其它末端氧化酶,一、多酚氧化酶系统,褐变、杀菌、生色（制茶）二、抗坏血酸氧化酶系统,三、黄素蛋白氧化酶,四、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶超氧化物歧化酶（superoxide dismutase,SOD ）：广泛地存在于需氧生物中，作用为细胞的保护剂。,产物过氧化氢对细胞也是有毒害的，细胞的其它过程也会产生过氧化氢。这种物质

24、是由过氧化氢酶(catalase)催化而分解为水和氧气。,五、植物抗氰氧化酶系统 CN是呼吸链的抑制剂，但是植物在氰化物存在下，其呼吸链仍然可以进行电子传递，这是因为植物存在有抗氰氧化酶系统。,抗氰氧化酶系统传递电子时，以NADH为底物，其P/O是 1，以琥珀酸为底物，其P/O是 0。其余自由能以热的形式放出。该系统是植物处于正常状态时的一种电子传递系统，CoQ 决定正常呼吸途径和抗氰途径的比例。抗氰呼吸的高低与植物的生长发育阶段有关，在一些植物的特殊阶段，抗氰呼吸要占很大的比例。该系统生理意义有多种解释。,非线粒体氧化体系,与ATP合成无关，但具有重要生理功能。,1. 微粒体氧化体系,主要在

25、细胞的光滑内质网上进行。催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。,一个O加到底物分子上，另一个O则与NADPH上的二个H作用形成H2O，不生成ATP。加单氧酶。,生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。,加单氧酶体系,2. 过氧化物酶体系,在过氧化物酶体上进行的较为简单的氧化反应。过氧化物酶体含有较多的需氧脱氢酶，可以催化氨基酸、黄嘌呤等代谢脱氢、加氧，并生成H2O2。,H2O2的功用：参与甲状腺中活性碘的生成；在中性粒细胞中可杀死被吞噬进的细菌；使过氧化物（ROOH）转变为无毒的醇类。,H2O2的毒性：使酶失活；损伤膜功能；生成脂褐素颗粒。,