新陳代謝總論與生物氧化課件

1、 第八章 新陳代謝總論與生物氧化第一節(jié) 新陳代謝總論第二節(jié) 生物氧化第一節(jié) 新陳代謝總論一、 新陳代謝的概念新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝新陳代謝的共同特點(diǎn)：1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2. 諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3. 對(duì)周圍環(huán)境高度適應(yīng)。二、 新陳代謝的研究方法活體內(nèi)(in vivo)與活體外(in vitro)實(shí)驗(yàn)法同位素示蹤法3. 代謝途徑阻斷法4. 遺傳缺欠癥方法氣體測(cè)量法核磁共振波譜法（NMR）三、 高能化合物與ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型

2、: 肌酸磷酸硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔?一般將水解時(shí)能夠釋放21 kJ /mol（5kCal/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物稱為高能化合物。（1）烯醇式磷酸化合物（例）磷氧型高能磷酸化合物： - 61.9 kJ/mol(2)?；姿峄衔铮ɡ? 42.3 kJ/mol（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷） - 30.5 kJ/mol焦磷酸 - 28.84 kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物： - 43.1 kJ/mol(1) 硫酯鍵型高能化合物 （例）非磷酸高能化合物：乙酰輔酶A 31.4 kJ/mol(2) 甲硫型高能化

3、合物 （例） 41.8 kJ/molONNNNNH2-HH-OHH O- O-P O - O O O -P O-P-O-CH2- O - OOHATP的特殊作用ATP作用：是能量的攜帶者或傳遞者，而非貯存 者，是能量貨幣ATP是生物細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑ATP H2O ADP Pi 其G0= - 30.51kJmo1；當(dāng)ADP Pi ATP時(shí)， 也需吸收30.51kJmol的自由能磷酸肌酸（脊椎動(dòng)物）和磷酸精氨酸（無(wú)脊椎動(dòng)物）是能量的貯存形式肌酸磷酸激酶 第二節(jié) 生物氧化 有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)氧的作用下,生成CO2和水并釋放能量的過(guò)程稱為生物氧化。又稱組織呼吸或細(xì)胞呼吸。 1. 在細(xì)胞內(nèi)，于體溫、

4、近于中性的含水環(huán) 境中由酶催化。 2. 能量逐步釋放，部分存于ATP中。 3. 分為線粒體氧化體系(真核)和非線粒體氧 化體系(原核細(xì)胞膜)。 一、 生物氧化的特點(diǎn)（一）生物氧化的特點(diǎn)（二）氧化還原的本質(zhì)電子轉(zhuǎn)移 電子轉(zhuǎn)移的主要形式： 1. 直接的電子轉(zhuǎn)移 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+ 2. 氫原子的轉(zhuǎn)移 AH2 + B A + BH2 ( H H+ + e ) 3. 有機(jī)還原劑直接加氧 RH + O2 + 2H+ + 2e ROH + H2O(1) 直接脫羧CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脫羧酶（-脫羧）丙酮酸HOOCC H2C COOH丙酮酸羧化酶CH3CC

5、OOH + CO2OO（ -脫羧）草酰乙酸 生物體內(nèi)CO2的生成來(lái)源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔?。二?生物氧化中CO2的生成(2)氧化脫羧：在脫羧過(guò)程中伴隨著氧化（脫氫）HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH + H+O蘋(píng)果酸CH3CCOOH + CO2蘋(píng)果酸酶三、生物氧化中 H2O 的生成 生物氧化作用主要是通過(guò)脫氫反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(jié)合生成水。 在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。 生物體主要以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。氧化型2H+MH2M 氧化型還原型(2H)遞氫體NAD+,NADP+,

6、FMN,FAD,COQ還原型遞電子體 Cyt b, c1, c, aa32e O2O2-H2O脫氫酶氧化酶 1、呼吸鏈的概念 代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列傳遞體，最后（將質(zhì)子和電子）傳遞給氧而生成水的全部體系稱為呼吸鏈(respiratory chain)，也稱電子傳遞體系或電子傳遞鏈(electron transfer chain)。 由于參與這一系列催化作用的酶和輔酶及中間傳遞體在膜（原核細(xì)胞膜、真核線粒體內(nèi)膜）上一個(gè)接一個(gè)地構(gòu)成了鏈狀反應(yīng)，故常將這種形式的氧化過(guò)程稱為呼吸鏈。呼吸鏈包括： NADH-Q還原酶、琥珀酸-Q還原酶、細(xì)胞色素c 還原酶、細(xì)胞色素c氧化酶NADHN

7、ADH-Q還原酶Q細(xì)胞色素c還原酶細(xì)胞色素cO2琥珀酸-Q還原酶FADH2細(xì)胞色素c氧化酶2、呼吸鏈種類 根據(jù)代謝物上脫下的氫的初始受體不同，在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有2種: NADH呼吸鏈： 絕大部分分解代謝的脫氫氧化反應(yīng)通 過(guò)此呼吸鏈完成 FADH2呼吸鏈： 只能催化某些代謝物脫氫, 不能使 NADH 或 NADPH脫氫 NADH FMN Q Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) O2FADH2 (Fe-S)電子傳遞鏈各組份的排列順序 II（琥珀酸-Q還原酶）INADHQ還原酶IIIQ-細(xì)胞色素 c還原酶IV細(xì)胞色素c氧化酶3、呼吸鏈的組成 呼吸鏈中

8、的電子載體以多酶復(fù)合體形式發(fā)揮功能膜間隙（外）基質(zhì)（內(nèi)）琥珀酸延胡索酸（1）煙（尼克）酰胺脫氫酶類以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶，已知的有200多種 該類酶均為不需氧脫氫酶，即不以氧為直接受氫體。還 原氧 化 在煙(尼克)酰胺脫氫酶的作用下，代謝物脫下的氫被其輔酶接受而轉(zhuǎn)變?yōu)镹ADH 或NADPH;當(dāng)有受H體存在時(shí)， NADH或NADPH上的H可被脫下而氧化為NAD+或NADP+。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。 （2） 黃素脫氫酶類以FMN或FAD為輔基的脫氫酶類 該類酶也屬不需氧脫氫酶，催化代謝物脫下一對(duì)H原子，使FMN或FAD還原為FMNH2或FADH2。 FMN 和 FAD

9、 是比 NAD+ 或 NADP+ 更強(qiáng)的氧化劑。 FMNH2 或 FADH2 可進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給輔酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+ 2H- 2H（3）鐵硫蛋白類（簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-S ） 鐵硫蛋白(Fe-S)是一類與電子傳遞有關(guān)的非血紅素鐵蛋白，其作用是借鐵的變價(jià)互變進(jìn)行電子傳遞: Fe3+ + e Fe2+ 因鐵硫蛋白的活性部分含有活潑的硫和鐵原子，故稱鐵硫中心。 鐵硫蛋白在生物界廣泛存在，在線粒體內(nèi)膜上常與黃素酶或細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物而存在。在從NADH到氧的呼吸鏈中，有多個(gè)不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的與細(xì)胞色素 b及c1有關(guān)。

10、 鐵硫蛋白有幾種不同的類型, 可概括為3類: Fe-0S 2Fe 2S 4Fe 4S Fe 只含1個(gè)鐵原子 2Fe 2S 4Fe 4S （4）輔酶Q類電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。 為一種脂溶性醌類化合物, 又名泛醌, 簡(jiǎn)寫(xiě)為CoQ或Q。 其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原而形成對(duì)苯二酚衍生物，故屬于遞氫體。Q (氧化型)半醌式中間體QH QH2 還原型 但它不能從底物接受氫，而是一種中間傳遞體; 是黃素蛋白類和細(xì)胞色素類之間的電子載體。（5）細(xì)胞色素類一類含有血紅素輔基的電 子傳遞蛋白的總稱 細(xì)胞色素主要是通過(guò) Fe3+ + e Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用。線粒體電子傳遞鏈至少含有

11、5種細(xì)胞色素：a，a3，b，c，c1它們的輔基結(jié)構(gòu)略有不同: 血紅素A Cyt a，a3 血紅素B Cyt b，血紅蛋白，肌紅蛋白 血紅素C Cyt c1，c血紅素A血紅素C血紅素B aa3 、b、c1中輔基與蛋白質(zhì)非共價(jià)結(jié)合， c 的輔基與蛋白質(zhì)以硫醚鍵共價(jià)結(jié)合。 典型的線粒體呼吸鏈中，細(xì)胞色素的順序是： b c1 c aa3 O2 a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，無(wú)法分開(kāi)，除含鐵卟啉外，還有銅原子。Cyt aa3可直接以O(shè)2為電子受體，故aa3又稱細(xì)胞色素c氧化酶。 a與a3之間的2個(gè)銅離子，起電子傳遞作用：Cu+ Cu2+ 的互變, 將Cytc所攜電子傳遞給O2。4. 呼吸鏈中傳遞體的順序測(cè)定各

12、電子傳遞體氧化還原電位的數(shù)值 按氧化還原電位由低到高順序排列；確定呼吸鏈中各傳遞體順序的方法依據(jù)： b. 利用電子傳遞抑制劑切斷其中的電子流，測(cè)定各組分的氧化還原狀態(tài)確定其順序； MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18各組分E ： 低 高 電子遷移方向：低電位 高電位 G： 逐步降低 放能電子總是從低氧化還原電位向高氧化還原電位上流動(dòng)，氧化還原電位數(shù)值越低，供電子的傾向越大，越容易成為還原劑，而處在呼吸鏈的前面。(a)MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1

13、 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚(yú)藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO, 疊氮化合物,硫化氫電子傳遞抑制劑:能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)。(b)四、氧化磷酸化作用(Oxidative phosphorylation) 伴隨放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化氧化磷酸化底物水平磷酸化電子傳遞體系磷酸化1. 底物水平磷酸化底物被氧化時(shí)伴隨著分子內(nèi)部能量的重新分布, 形成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物, 通過(guò)酶的作用使磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上形成ATP的作用。X + ADP ATP + XP是捕獲能量的一種方式， 在發(fā)酵作用（無(wú)氧呼吸）中是進(jìn)行生物氧 化取得

14、能量的唯一方式。和氧的存在與否無(wú)關(guān)， 在ATP 生成中沒(méi)有氧分子參與，也不經(jīng) 過(guò)電子傳遞鏈傳遞電子。特點(diǎn):底物水平磷酸化反應(yīng)舉例COO-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. 電子傳遞體系磷酸化 當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過(guò)電子傳遞體系（呼吸鏈）傳遞給氧形成水時(shí)，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP，這一全過(guò)程稱為電子傳遞體系磷酸化。概念：1ADP ATP底物產(chǎn)物FAD FADH2NAD NADHH2O電子傳遞體系磷酸化：能量是需氧生物獲得ATP 的一種主要方式, 是生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的主要環(huán)節(jié), 需要氧分子的參與。真核生物氧化磷酸化過(guò)程在線粒體內(nèi)

15、膜 進(jìn)行, 原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)行。特點(diǎn)： 3、 呼吸鏈與ATP生成量的關(guān)系 （1） 呼吸鏈的4個(gè)復(fù)合物及ATP 成酶 都鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上。從NADH到分子氧、有3處能使氧化還原過(guò)程釋放的能量轉(zhuǎn)化為ATP。 FADH2到分子氧的呼吸鏈中，有2處能使氧化還原過(guò)程釋放的能量轉(zhuǎn)化為ATP 。 （2） P/O比值和ATP生成量的關(guān)系P/O比： 物質(zhì)氧化時(shí)，每消耗1mol氧原子所消耗的無(wú)機(jī)磷酸的mol數(shù)（或ADP mol數(shù)），即生成ATP的mol數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中： 每對(duì)電子通過(guò)復(fù)合體、 、 可導(dǎo)致 10個(gè)（442）質(zhì)子從基質(zhì)泵出； FADH2 的電子進(jìn)入電子傳遞鏈只能導(dǎo)致 6個(gè)（4

16、2）質(zhì)子跨膜移動(dòng)； 每合成 1 個(gè) ATP 需消耗 4個(gè)質(zhì)子，NADH:2.5個(gè) ATP FADH:1.5個(gè) ATP （3）呼吸鏈中的自由能變化1復(fù)合體I: NADHCoQ, E0= 0.360V, G0= -69.5kJ/mol復(fù)合體III: CoQ Cytc, E0= 0.190V, G0= -36.7kJ/mol復(fù)合體IV: Cytaa3 O2, E0= 0.580V, G0= -112kJ/mol復(fù)合體II: FADH2CoQ, E0= 0.085V, G0= -16.4kJ/mol 可見(jiàn)，當(dāng)一對(duì)電子相繼經(jīng)過(guò)復(fù)合體、和時(shí)，每一步都釋放出足以合成一分子ATP的自由能； 但當(dāng)一對(duì)電子經(jīng)過(guò)復(fù)

17、合體時(shí)，釋放的能量不足以合成ATP, 其作用僅僅是將電子由FADH2注入電子傳遞鏈。化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō)構(gòu)象變化學(xué)說(shuō)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō) 4、氧化磷酸化作用機(jī)制 氧化作用（電子傳遞）與磷酸化作用相偶聯(lián)已經(jīng)不存在任何疑問(wèn)，但對(duì)二者究竟如何偶聯(lián)，尚有許多未完全闡明的問(wèn)題。共存在三種假說(shuō)：(1) 化學(xué)偶聯(lián)學(xué)說(shuō) 1953年 Edward Slater 最先提出。 認(rèn)為：電子傳遞產(chǎn)生一種高能中間物, 它隨后的裂解釋放能量驅(qū)動(dòng)ATP合成。 但在電子傳遞體系磷酸化作用中一直未找到任何一種活潑的高能中間物。 1964年P(guān)aul Boyer最先提出。 認(rèn)為: 電子傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)發(fā)生構(gòu)象變化, 而形成一種高能形式, 這種

18、高能形式通過(guò)將能量提供給ATP合成而恢復(fù)其原來(lái)的構(gòu)象。 1994年J.Walke 發(fā)現(xiàn)了ATP合成酶的結(jié)構(gòu)；(2) 構(gòu)象變化學(xué)說(shuō)組成： Fo（疏水部分） + F1（親水部分）+柄部 Fo ：基底部，是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子 通道 F1 : 頭部，(33) 催化生成ATPATP合成酶基質(zhì)側(cè)膜間隙側(cè) 1961年英國(guó)生物化學(xué)家 Peter Mitchell 首先提出, 1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 基本要點(diǎn)：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)釋放出的自由能, 可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè), 產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度( H+濃度梯度和跨膜電位差 ) , 以此儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng) A

19、DP 與 Pi 生成ATP。 (3)化學(xué)滲透假說(shuō)（chemiosmotic hypothesis）膜間隙琥珀 酸延胡索酸基質(zhì)化學(xué)勢(shì)差內(nèi)堿電勢(shì)差內(nèi)負(fù)質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)ATP合成內(nèi)膜外膜5、氧化磷酸化的抑制 (1) 電子傳遞抑制劑（如魚(yú)藤酮、抗霉素A和 氰化物）能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳 遞，耗氧量和ATP生成量同步下降。5、氧化磷酸化的抑制 解偶聯(lián)劑: 如2, 4 - 二硝基苯酚、雙羥香豆素、 三氟甲氧基苯腙、羰基氰化物等。 (2) 解偶聯(lián)作用：使電子傳遞和ATP形成兩個(gè)過(guò)程分離，只抑制ATP 的形成過(guò)程，不抑制電子傳遞過(guò)程和氧的利用, 使電子傳遞產(chǎn)生的自由能都變?yōu)闊崮堋?3) 質(zhì)子通道阻斷劑: 通過(guò)與ATP合酶結(jié)合而阻斷質(zhì)子通