新陳代謝與生物氧化

1、動態(tài)部分第四章 新陳代謝與生物氧化第一節(jié)新陳代謝一、新陳代謝的概念二、新陳代謝的研究方法三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律四、高能化合物與ATP的作用1、合成與分解的關(guān)系 合成為分解準備了物質(zhì)前提，外部物質(zhì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部物質(zhì)分解為合成提供了必需的能量內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化為外部物質(zhì)一般泛指生物與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換和能量交換的過程。 生物小分子合成生物大分子 合成代謝 （同化） 耗能 新陳代謝 能量代謝 產(chǎn)能 分解代謝 （異化） 生物大分子分解為生物小分子 物 質(zhì)代 謝 一、新陳代謝的概念生物體通過新陳代謝獲得能量通過新陳代謝建造和修復(fù)生物體通過新陳代謝完成遺傳信息的貯存、傳遞和表達的過程。2、生物體新陳代謝的

2、作用 不同生物的代謝大同小異大同 各類生物的物質(zhì)的代謝途徑十分相似小異 也有偏向低等的厭氧生物尚沒有發(fā)展出好氧代謝途徑，而高等生物包括好氧細菌都發(fā)展出了更為高效的好氧代謝，但同時保存了厭氧代謝途徑。為什么具有許多相同之處呢？共同的祖先！3、新陳代謝的特點反應(yīng)步驟繁多，具有嚴格的順序性； 與環(huán)境相適應(yīng)，自動調(diào)節(jié)； 在整體水平進行調(diào)節(jié) 在細胞水平進行調(diào)節(jié) 通過酶活性調(diào)節(jié)來進行調(diào)節(jié)。營養(yǎng)物質(zhì)的攝取與吸收 利用光能的生物（植物、微生物） 食草動物 食腐動物（微生物） 食肉動物 （輪回）4、新陳代謝的過程 一般指物質(zhì)在細胞中的合成和分解過程 將攝取的營養(yǎng)物質(zhì)和細胞中原有的物質(zhì)（結(jié)構(gòu)物質(zhì)或功能物質(zhì)）分解為

3、機體所需的結(jié)構(gòu)元件或分解供能； 將結(jié)構(gòu)元件裝配成大分子（結(jié)構(gòu)物質(zhì)、功能物質(zhì)）； 在物質(zhì)代謝的同時進行能量代謝排泄中間代謝主要涉及目前已經(jīng)清楚的細胞內(nèi)四大物質(zhì)的合成與分解。代謝的實質(zhì)是物質(zhì)在酶的作用下分解或合成，所以代謝的研究內(nèi)容也即分為兩個方面： 參與的酶 物質(zhì)的變化過程通過巧妙的實驗設(shè)計、嚴密的邏輯推斷與重復(fù)性的驗證。二、代謝的研究方法活體內(nèi)(in vivo)與活體外(in vitro)實驗法同位素示蹤法3. 代謝途徑阻斷法4. 遺傳缺欠癥方法氣體測量法核磁共振波譜法（NMR）1、活體內(nèi)與活體外實驗純化合物排泄物的化學(xué)分析典型案例脂肪酸的氧化整體方法（in vivo)Knoop的標記化合物實

4、驗脂肪酸的氧化脂肪酸末端甲基接上苯基偶數(shù)碳FA苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）奇數(shù)碳FA苯甲酰-N-甘氨酸（馬尿酸）各類組織細胞各種破碎方法碎片置于試管中向該試管中加入純化合物（如葡萄糖）分析各類代謝中間產(chǎn)物及酶，邏輯推斷。離體法(in vitro)利用含放射性同位素的物質(zhì)，測試其在不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)移 高能化合物 ATP2、同位素示蹤法CH3C14OOH呼出C14O2糞便含C14例：穩(wěn)定性同位素：指原子量不同，不進行衰變，無射線輻射的同位素。放射性同位素：指原子量不同，有射線輻射的同位素。利用抗代謝藥或酶的抑制劑代謝途徑受阻導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物的積累碘乙酸3-磷酸甘油醛脫氫酶氟化鈉烯醇化酶利用遺傳缺陷

5、癥研究代謝途徑3. 代謝途徑阻斷法三、生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律 熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律指出，熱的傳導(dǎo)自高溫流向低溫。機體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)朝著達到其平衡點的方向進行。G=H - TS（H是總熱量的變化，S是總熵的改變，T是體系的絕對溫度）。1.服從熱力學(xué)原理。2.吉布斯自由能GG0，反應(yīng)可以自發(fā)進行。G0，反應(yīng)不能自發(fā)進行， 吸收能量才推動反應(yīng)進行。G0，體系處在平衡狀態(tài)。標準自由能變化用G。表示（25，1個大氣壓，pH為7，反應(yīng)物和產(chǎn)物濃度為1mol/L時所測得，單位是kJ/mol）。（R為氣體常數(shù)，lnK為平衡常數(shù)的自然對數(shù)。K1，G。為負值，反應(yīng)趨于生成物的方向進行；K

6、1，G。為正值。）3G 。 和化學(xué)平衡的關(guān)系A(chǔ)+BC+De-脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)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間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等） 共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位 生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階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鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物 一般將水解時能夠釋放21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G-21kJ/mo

7、l）的化合物稱為高能化合物。四、高能化合物與ATP的作用ATP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是生物細胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑ATP H2O ADP Pi 其G0= - 30.51kJmo1；當ADP Pi ATP時， 也需吸收30.51kJmol的自由能磷酸肌酸（脊椎動物）和磷酸精氨酸（無脊椎動物）是能量的貯存形式能量源自:能源物質(zhì)的分解 （糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)）分解代謝氧化產(chǎn)能ADP機械能（運動）化學(xué)能（合成反應(yīng)）滲透能（分泌、吸收）電能（生物電）熱能（體溫維持）光能（生物發(fā)光） UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP第二節(jié)生物氧化一、生物氧

8、化的概念、特點和部位二、生物氧化的酶類和體系 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：有機物質(zhì)在生物體細胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程稱為生物氧化（biological oxidation）。又稱細胞呼吸或組織呼吸。一、生物氧化的概念、特點和部位 2.特點：生物氧化和有機物質(zhì)體外燃燒在化學(xué)本質(zhì)上是相同的，遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均相同。 酶促氧化過程、反應(yīng)條件溫和 氧化與還原相偶聯(lián) 質(zhì)子和電子由載體傳遞到氧生成水 分步進行：有利于提高能量利用率 氧化磷酸化3.部位：在真核生物細胞內(nèi)，生物氧化都是在線粒

9、體內(nèi)進行，原核生物則在細胞膜上進行。二、生物氧化的酶類和體系 1.酶類：重要的為氧化酶和脫氫酶兩類， 脫氫酶尤為重要。2.體系：有不需傳遞體和需傳遞體的兩種體系。 不需傳遞體其特點: 不伴磷酸化，不生成ATP， 主要與體內(nèi)代謝物、藥物和毒物生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。需傳遞體的最典型的是呼吸鏈。 生物氧化中CO2的生成是代謝中有機酸的脫羧反應(yīng)所致。三、生物氧化中CO2的生成直接脫羧氧化脫羧按脫羧基的位置-脫羧-脫羧請判斷以下脫羧反應(yīng)的類型四、生物氧化中水的生成脫氫酶氧化酶還原型氧化型一個或多個傳遞體M.2HMH2O1/2O2（一）呼吸鏈的概念和類型1.定義： 代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的

10、傳遞體，最后與激活的氧結(jié)合生成水的全部體系，此過程與細胞呼吸有關(guān)，所以將此傳遞鏈稱為呼吸鏈（respiratory chain）或電子傳遞鏈（electron transfer chain）。 線粒體呼吸鏈 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 2、呼吸鏈種類NADH2呼吸鏈FADH2呼吸鏈 （二）呼吸鏈的組成 組成呼吸鏈的成分已發(fā)現(xiàn)20余種，分為5大類。 分別為：煙酰胺脫氫酶類、黃素脫氫酶類、鐵硫蛋白

11、類、輔酶Q類、細胞色素類。 低能水平 高氧化還原勢高能水平 低氧化還原勢Cyt.b Cyt.c1 Cyt.c Cyt.a Cyt.a32H+FAD輔酶Q輔酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+ 1/2O2 H2OATPATP典型的呼吸鏈電子的傳遞方向是：NADH2 O2電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。 1輔酶和輔酶 它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。2、黃素酶 黃素酶的種類很多，輔基有2種，即FMN和FAD。FAD是琥

12、珀酸脫氫酶的輔基，都是以核黃素為中心構(gòu)成的，其異咯嗪環(huán)上的第1位及第5位兩個氮原子能可逆地進行加氫和脫氫反應(yīng)，為遞氫體。 FMNH2 或 FADH2 可進一步將電子轉(zhuǎn)移給輔酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R51NNNCCONHOCH3CH3HHR+ 2H- 2H 鐵硫蛋白(Fe-S)分子中含非卟啉Fe與對酸不穩(wěn)定的S，其作用是借鐵的變價互變進行電子傳遞: Fe3+ + e Fe2+ 因鐵硫蛋白的活性部分：含有2個活潑的硫和2個鐵原子，故稱鐵硫中心。3、鐵硫蛋白（簡寫為Fe-S ） 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

13、多個不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的與細胞色素 b及c1有關(guān)。鐵硫蛋白有幾種不同的類型, 可概括為3類: FeS 2Fe 2S 4Fe 4S Fe S 只含1個鐵原子 2Fe 2S 4Fe 4S 它是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。4、輔酶-Q（CoQ）5、細胞色素 細胞色素主要是通過 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5種細胞色素：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細胞色素在電

14、子傳遞鏈中的順序b c1 c aa3O2Fe-S2Cu測定各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確定其順序；c. 通過電子傳遞體體外重組實驗加以驗證； d. 根據(jù)從線粒體中分離到的傳遞體復(fù)合體排序(4種)。(三）呼吸鏈中傳遞體的順序從NADH到分子氧每一電子傳遞體得電子的傾向逐漸增大電子傳遞抑制劑:能阻斷呼吸鏈中某部位電子傳遞物。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MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.

15、29O2+0.816FAD-0.18魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO, 疊氮化合物呼吸鏈中各傳遞體順序 低能水平 高氧化還原勢高能水平 低氧化還原勢Cyt.b Cyt.c1 Cyt.c Cyt.a Cyt.a32H+FAD輔酶Q輔酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+ 1/2O2 H2OATPATP電子的傳遞方向是：NADH2 O2電子傳遞伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。 在生物氧化過程中，氧化放能反應(yīng)常常有吸能的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)發(fā)生。偶聯(lián)反應(yīng)將氧化釋放的一部分自由能用于無機磷參加的高能

16、磷酸鍵生成反應(yīng)。這種氧化放能反應(yīng)與磷酸化吸能反應(yīng)的偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用。根據(jù)生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為底物水平磷酸化及電子傳遞體系磷酸化。五、氧化磷酸化作用 伴隨著放能的氧化作用而進行的磷酸化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電子傳遞體系磷酸化1. 底物水平磷酸化底物被氧化時伴隨著分子內(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, 通過酶的作用使磷酸基團轉(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;和氧的存在與否無關(guān)。特點:底物水平磷酸化反應(yīng)舉例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. 電子傳遞體系磷酸化 當電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系（呼吸鏈）傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP，這一全過程稱為電子傳遞體系磷酸化。（1）概念1電子傳遞體系磷酸化：ADP ATP底物產(chǎn)物FAD FADH2NAD NADHH2O能量需要氧分子的參與。真核生物氧化磷酸化過程在線粒體內(nèi)膜 進行, 原核生物在細胞質(zhì)膜上進行。特點：NADHFMN輔酶Qbc1caa3O2 FAD -0.18電勢：-0.32 -0.30 +0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816P

18、3ADPPP3ATP產(chǎn)能的三個部位（2） P/O比和由ADP生成ATP的數(shù)目P/O比： 物質(zhì)氧化時，每消耗1mol氧原子所消耗的無機磷酸的mol數(shù)（或ADP mol數(shù)），即生成ATP的mol數(shù)。 NADH呼吸鏈： P/O比值 3 FADH2呼吸鏈：P/O比值 2 故推斷從NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸鏈中，可分別合成3個、2個ATP。（3）呼吸鏈電子傳遞過程中的自由能變化1例細胞色素bG=-296.49(0.82-0.07) =-296.490.75 =-144.735KJ/mol每合成1mol ATP G=30.52KJ復(fù)合體I: NADHCoQ, E0= 0.360V, G0=

19、 -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，當一對電子相繼經(jīng)過復(fù)合體、和時，每一步都釋放出足以合成一分子ATP的自由能； 但當一對電子經(jīng)過復(fù)合體時，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。最近的研究表明： 復(fù)合體、和不能直接合成ATP，但能螯合通過電子傳遞所產(chǎn)生的自由能，從而將質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵出至膜間隙，形

20、成跨膜的質(zhì)子梯度。（即：電子轉(zhuǎn)移所釋放的能量能有效地貯存在一種質(zhì)子梯度中） 跨膜質(zhì)子梯度所蘊含的自由能是推動ATP合成的驅(qū)動力。在細胞質(zhì)中經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的 NADH, 不能透過線粒體內(nèi)膜進入呼吸鏈以便進行有氧氧化。只能通過兩種精妙的“穿梭”系統(tǒng)解決 NADH 的再氧化問題： 甘油-磷酸穿梭系統(tǒng) 蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)（二）胞液中NADH的氧化磷酸化NADH + H+線粒體內(nèi)膜甘油-磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羥丙酮磷酸FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2二羥丙酮磷酸CH2OHC=OCH2ONAD+甘油-磷酸CH2OHCHOHCH2O胞液甘油-磷酸脫氫酶；線粒體甘油-磷酸脫氫酶(黃

21、素蛋白脫氫酶)蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨酶細胞質(zhì)線粒體細胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶線粒體蘋果酸脫氫酶線粒體內(nèi)膜（三）氧化磷酸化作用的機理有關(guān)氧化磷酸化機理的幾種假說 化學(xué)偶聯(lián)假說 構(gòu)象偶聯(lián)假說 化學(xué)滲透假說1. 化學(xué)偶聯(lián)假說 1953年 Edward Slater 最先提出。 認為：電子傳遞產(chǎn)生一種高能共價中間物, 它隨后的裂解釋放能量驅(qū)動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

22、。 1964年P(guān)aul Boyer最先提出。 認為: 電子沿呼吸鏈傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化, 而形成一種高能形式, 這種高能形式通過將能量提供給ATP合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。 但至今未能找到有力的實驗證據(jù)。2. 構(gòu)象偶聯(lián)假說a.呼吸鏈催化反應(yīng)是定向的； b.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈是一個質(zhì)子泵；c.電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時釋放出來的能量，用于驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（內(nèi)膜對H+是不通透的），在膜內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 和電位梯度3. 化學(xué)滲透假說 1961年英國生物化學(xué)家 Peter Mitchell 首先提出, 1978年獲諾貝爾化學(xué)獎。膜間隙琥珀 酸延胡索酸基質(zhì)化學(xué)勢差內(nèi)堿電勢差內(nèi)負質(zhì)子驅(qū)動力推動ATP合成內(nèi)膜外膜d. 在膜內(nèi)外勢能差的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子沿著一個特殊通道（ATP合酶組成部分），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成ATP支持化學(xué)滲透假說的實驗證據(jù)：氧化磷酸化作用的進行需要封閉的線粒體內(nèi)膜存在。線粒體內(nèi)膜對H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。破壞H+濃度梯度的形成（用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑）必然破壞氧化磷酸化作用的進行。線粒體的電子傳遞所形成的電子流能夠?qū)+ 從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。大量直接或間接的實驗證明膜表面能夠滯留大量質(zhì)子，并且在一定