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1、第八章 新陈代谢总论和生物氧化,动态生物化学之一,第八章 新陈代谢总论和生物氧化动态生物化学之一,8.0 概论,1、新陈代谢（metabolism）的概念:新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。它包括生物体内所发生的一切合成（同化作用，耗能）和分解（异化作用，放能）作用。,8.0 概论1、新陈代谢（metabolism）的概念:,2、新陈代谢分类,指生物体从外界摄取物质，并 把它们转变成自身物质的过程。,通常是将生物小分子合成为 生物大分子。,指生物体内原有的物质经一系 列变化最终变成排泄物排出体 外的过程,通常将生物大分子分解为生 物小分子。,合成代谢（同化作用）,分解代谢
2、（异化作用）,放出能量。,需要能量。,2、新陈 指生物体从外界摄取物质，并 通常是将生物,对立统一的关系,合成代谢与分解代谢相互联系、相互依存、相互制约。能量代谢的放能与吸收同样是相互联系、相互依存、相互制约的。,对立统一的关系合成代谢与分解代谢相互联系、相互依存、相互制约,3、新陈代谢过程的特点,绝大多数代谢反应的条件比较温和，由酶所催化。反应相互配合，彼此协调，有严格的顺序性。生物体对内外环境有高度的适应性和灵敏的自动调节。反应途径一般都有严格的细胞定位，即代谢途径局限于细胞的特定区域。,3、新陈代谢过程的特点绝大多数代谢反应的条件比较温和，由酶所,“中间代谢”,指物质在细胞中的合成和分解
3、过程，不涉及营养物质的消化吸收与代谢产物的排泄。,4、新陈代谢过程,营养物质的消化吸收、中间代谢、代谢产物的排泄等阶段,“中间代谢”指物质在细胞中的合成和分解过程，不涉及营养物质的,8.1 新陈代谢总论,1.活体内与活体外实验（1）in vivo（体内实验）在正常生理条件 下，在神经、体液等调节机制下的整体代谢情况。,提出了-氧化假说,1904年 Knoop,(CH2)nCOOH,COOH,，CH2COOH,狗,一、新陈代谢的研究方法,8.1 新陈代谢总论1.活体内与活体外实验提出了-氧化假,（2）“in vitro”活体外实验 组织切片法 组织匀浆法 组织抽提液 实例：糖酵解、三羧酸循环、氧
4、化磷酸化（生物氧化）,（2）“in vitro”活体外实验,2.同位素示踪法 同位素，质子数相同，而中子数不同（质量数不同）。分类：稳定性同位素、放射性同位素。3H，14C，32P，35S，125I（12.1年）（5568年）（14天）（87天）（60天）,3.代谢途径阻断等方法 用抗代谢物或酶的抑制剂来阻抑中间代谢的某一环节，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，以推测代谢情况。,2.同位素示踪法3.代谢途径阻断等方法,利用患代谢障碍病的病人或动物进行代谢研究,A B C D E F,排出体外,停止,利用患代谢障碍病的病人或动物进行代谢研究 A,4.突变体研究法,基因突变,酶的缺失,相应产物的
5、缺失或酶作用底物的堆积,鉴别代谢途径的酶及中间代谢物,4.突变体研究法基因突变酶的缺失相应产物的缺失或酶作用底物,二、生物体内能量代谢的基本规律,1、能量代谢：指伴随着生物体内的物质代谢而发生的一系列能量转变。遵循热力学定律（第一和第二定律）G HT S G：（实际）自由能变化；H总热能变化；T S总体熵变化。,二、生物体内能量代谢的基本规律1、能量代谢：指伴随着生物体内,当G0时，在补充自由能时可以进行（吸能）G0时，体系处于平衡状态。,当G0时，体系的反应自发进行（放能）；,三、高能化合物与ATP作用,1、高能化合物：在生物化学反应中，随水解反应或集团转移反应能够放出大量自由能的化学化合物
6、（高能磷酸化合物（P）、硫酯型高能化合物、甲硫型高能化合物）。高能磷酸化合物：磷氧型+磷氮型p205（表8-1）,三、高能化合物与ATP作用1、高能化合物：在生物化学反应中，,16,根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：磷氧键型（-O-P),酰基磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,16根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型,17,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,17氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸,18,焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,18焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷
7、酸7.3千卡/摩尔,19,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,19烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔,20,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。,20氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/,21,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,21硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸酰基辅酶A,22,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,22甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸,2、ATP的作用,ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂。其他核苷三磷酸也可以供能：如UTP（多糖）、CTP（磷
8、脂）、GTP（蛋白质）。ATP是能量的携带者或传递者，但不是严格的能量贮存者。往往以肌酸磷酸形式贮存。,ATP水解成为ADP可释放30.51KJ/mol的自由能,2、ATP的作用ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂。ATP水,能量源自,能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解,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,ATP能量利用形式：ATP可以把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起，利用ATP水解释放的自由能可以驱动各种需能的生命活动。,能量源自能源
9、物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解分解代谢机械能,4.肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式,ATP是能量的携带者或传递者，但严格地说不是能量的贮存者。肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式，但不能直接被生物体利用。,ADP,ATP,Mg2+,肌酸激酶,4.肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式 ATP是能量,5.辅酶A的递能作用,辅酶A（CoA）作为酰基载体参与许多代谢过程，巯基为其功能集团；在酶促转乙酰基的反应中CoA起接受或提供酰基的作用。乙酰基与CoA通过一个硫酯键结合为乙酰CoA，硫酯键为高能键，水解时可释放31.38kJ/mol自由能；,酯酰CoA,5.辅酶A的递能作用辅酶A（CoA）作为酰基载体参与许多
10、,趋同分解,分叉合成,循环途径,乙酰CoA是代谢中起枢纽作用的重要物质,趋同分解分叉合成循环途径乙酰CoA是代谢中起枢纽作用的重要物,8.2 生物氧化,主要内容：生物氧化的概念 呼吸链 氧化磷酸化,8.2 生物氧化主要内容：,生物氧化（biological oxidation）：指有机物质在生物体内氧的作用下，生成CO2和水并释放能量的过程。高等动物通过肺部进行呼吸，吸入氧，排出CO2，吸入氧用以氧化摄入体内的营养物质获得能量，故生物氧化也称为呼吸作用。有氧呼吸、无氧呼吸,生物氧化（biological oxidation）：指有机,一、生物氧化的特点（与体外氧化的异同）：在细胞内进行，条件温
11、和，有酶和许多中间传递体的参与。能量逐步释放，并以ATP形式捕获能量，总能量与体外氧化相同。生物氧化中CO2的生成是有机酸脱羧生成水的生成是代谢产物脱下的氢经一系列的传递体与氧结合而生成的；有严格的细胞定位（真核生物在线粒体内进行，原核生物在细胞膜上进行）。,一、生物氧化的特点（与体外氧化的异同）：,生物氧化中CO2的生成,CO2是由含羧基的有机化合物脱羧所致。直接脱羧在脱羧酶的作用下，直接脱去一分子-COO-。氧化脱羧脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）反应,（直接脱羧）,生物氧化中CO2的生成CO2是由含羧基的有机化合物脱羧所致。,生物氧化中水的生成,H2O2H+O2-H来自于底物的脱氢反应，并需
12、要许多酶的参与，经过许多中间传递体，最后与O结合。O必须经过氧化酶激活。,生物氧化中水的生成H2O2H+O2-,二、呼吸链的组成及电子传递顺序,1、呼吸链的概念 代谢物上的H原子被脱氢酶激活后经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，而生成水的全部体系称呼吸链。也称电子传递体系或电子传递链。,二、呼吸链的组成及电子传递顺序1、呼吸链的概念,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,呼吸链的类型和电子传递顺序,两种类型（根据最初的受H体不同）：NADH（绝大多数）和FADH2,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt a
13、a3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶,辅酶Q-细胞色素还原酶,细胞色素C还原酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,呼吸链的排列顺序：各成分按低氧还电位高氧还电位,呼吸链的类型和电子传递顺序 两种类型（根据最初的受H体不同）,ELECTRON CARRIERS AND REDOX POTENTIAL,ELECTRON CARRIERS AND REDOX PO,2、呼吸链的组成,2、呼吸链的组成,各类电子载体,NADH,FMN；Fe-S,CoQ,各类电子载体NADHFMN；Fe-SCoQ,（1）烟酰胺脱氢酶类（以NAD(P)为辅基
14、）,在生物体的能量代谢中起重要作用,NADH或NADPH：还原型辅酶I 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。,（1）烟酰胺脱氢酶类（以NAD(P)为辅基）在生物体的能量,（2）黄素脱氢酶类（以FMN和FAD为辅基）反应分两步进行,（2）黄素脱氢酶类（以FMN和FAD为辅基）,（3）铁硫蛋白类（Fe-S）,4Fe-4S,铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。,它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原
15、子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用,（3）铁硫蛋白类（Fe-S）4Fe-4S铁硫蛋白(简写为Fe,（4）辅酶Q类（泛醌类，ubiquinone）,电子传递链中唯一的非蛋白电子载体,（4）辅酶Q类（泛醌类，ubiquinone）电子传递链中唯,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,FAD,Fe-S,Cyt b,（5）细胞色素类（cytochromes）,Cyt是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中依靠铁的化合价的变化来传递电子,Fe3+e Fe2+,Cytb Cytc1CytcCytaCyta3O2,Fe-S,2Cu,（5）细胞色素类（cytochromes）Cyt是,细胞
16、色素,细胞色素,功能：单电子传递体,功能：单电子传递体,CytC中血红素与蛋白质的结合方式,CytC中血红素与蛋白质的结合方式,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,Cyt b;Fe-S;Cyt c1,Cyt b;Fe-S;Cyt c1,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,简写为cyt.c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cyt.a和a3。,细胞色素c氧化酶,简写为cyt.c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体,cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cyt
17、.a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,a3与Cu+更近一些,cyt.a和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,3.呼吸链中传递体的顺序呼吸链中H和电子的传递都有严格的顺序和方向。研究方法:标准氧化还原电位（standard reduction potential，Eo）电子传递抑制剂体外重组实验,3.呼吸链中传递体的顺序,电子从氧化还原电位低的向高的流动，Eo数值越低，供电子的能力越强，越易成为还原剂（表8-2）。确切的呼吸链顺序还不清楚。如C
18、ytb的位置。,电子从氧化还原电位低的向高的流动，Eo数值越低，供电子的,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,电子传递的抑制剂,鱼藤酮,抗酶素A,氰化物,电子传递的抑制剂鱼藤酮抗酶素A氰化物,体外重组实验,体外重组实验,三、氧化磷酸化作用,生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移到高能磷酸化合物ATP中，这种伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化称为氧化磷酸化作用（oxidative phosphorylation）。分类：底物水平磷酸化、电子传递体系磷酸化（通常所说氧化磷酸化）,ADPPiATP;AMP+PPi ATP,三、氧化磷酸化作用生物氧化所产生的能量，
19、除一部分用以维持体,（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，通过酶的作用生成ATP。XPi+ADP X+ATP,（1）底物水平磷酸化：,（2）电子传递体系磷酸化（主要形式）电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给O形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一过程称为电子传递体系磷酸化。电子传递(放能）和磷酸化作用（吸能）是耦联的（coupled），体内95%的ATP是经电子传递体系磷酸化途径产生的。,（2）电子传递体系磷酸化（主要形式）,氧化磷酸化偶联部位,P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消 耗的无机磷
20、的mol数,即生成ATP的mol数。,ADP+H3PO4 ATP,(1)测P/O值,实质：每消耗1mol氧原子所产生的ATP的mol数。,可以反映氧化磷酸化的效率,氧化磷酸化偶联部位P/O值是指物质氧化时,每消耗1mol氧原,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,从NADH到O的过程中，有三处能使生物氧化获得的能量转化为ATP：,从NADH到O的过程中，有三处能使生物氧化获得的能量转化为A,3.氧化磷酸化作用机制A 化学偶联（Chemical coupling）B.构象偶联（Conformational coupling）C.化学渗透学说（The ch
21、emiosmotic theory）,3.氧化磷酸化作用机制,化学渗透学说（要点）,Mitchell,P.A“paradigm”shift in understanding bioenergetics!1961,Nature,191:144-148.（1）传H体和传电子体交替排列，在内膜上有固定的位置，催化反应是定向的。（2）传H体有H泵的作用，可以将两个H+泵出内膜，而将电子传递给电子传递体。,化学渗透学说（要点）Mitchell,P.A“parad,电子由高能态到低能态时释放的能量用于驱动膜内侧质子迁移到膜外。,在膜内外侧形成跨膜质子梯度（pH）和电位梯度（）。,电子由高能态到低能态时释放
22、的能量用于驱动膜内侧质子迁移到膜外,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,第八章、新陈代谢总论和生物氧化精选课件,（3）H+不能自由通过内膜，因此形成外高内低的H+梯度，即跨膜电位。此梯度包含着电子传递过程中释放的能量，可以使ADP和Pi形成ATP。（4）H+通过内膜上的ATP合成酶流回基质，释放自由能，形成ATP，电化学梯度随之消失。,（3）H+不能自由通过内膜，因此形成外高内低的H+梯度，即跨,嵴放大示意图,ATP生成的结构基础,嵴放大示意图内膜外膜内、外膜间隔嵴ATP合酶ATP生成的结构,ATP合成酶,由亲水部分 F1（33亚基）和疏水部分F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,在线粒体内膜内外势能差的驱动下，膜外高能质子沿此合成酶回到膜内侧，此过程中释放能量，驱动下述反应进行。,ADP+Pi+能量ATP,ATP合成酶由亲水部分 F1（33亚基）和疏水,
