课件：生物化学简明教程第四版新陈代谢总论和生物氧化.ppt

8 新陈代谢总论与生物氧化,1,主要内容：介绍新陈代谢的概念和研究方法，生物能力学的基本内容和高能化合物的概念和特点。重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。,新陈代谢的概念,2,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行。,8.1 新陈代谢总论,材料: 活细胞-单细胞生物、多细胞生物的细胞、病毒、 噬菌体。 常用的材料： 大肠杆菌 大肠杆菌噬菌体 大肠杆菌噬菌体T4 枯草杆菌 四膜虫 酒酵母 红色面包霉 小球藻 玉米 果蝇 海胆 爪蟾 鸽 小鼠 大鼠 兔 黑猩猩,3,8.1.1 新陈代谢的研究方法,8.1 新陈代谢总论,常用的材料：,4,整体方法,5,建立动物模型（脂肪酸的氧化）,（1）in vivo，“在体内”和（in vitro，“在体外”）,在体内:用生物整体进行研究 在体外：用组织切片、匀浆、或提取液作为研究材料进行研究,组织提取法,6,各类组织细胞,（2）示踪法 1) 1904年Franz Knoop以苯基作为示踪物，研究脂肪酸的代谢。 2)同位素示踪法 例如1，用14C标记乙酸喂饲动物，如CO2中发现14C，说明乙酸的羧基转变成了CO2。 例如2，氨基用同位素标记后成为15NH2, 用质谱测定仪测定含有15N的化合物。 3)放射性同位素示踪法。常用的有氚（3H）、碳14（14C）、磷32（32P）、硫34（34S）35(35S) 碘131（131I）等。,7,（3）代谢途径阻断法 使用抗代谢物或酶的抑制剂 碘乙酸抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶； 丙二酸抑制琥珀酸脱氢酶。 （4）突变体或遗传缺欠症研究法： 大肠杆菌利用乳糖基因突变-半乳糖苷酶缺失乳糖堆积 遗传缺欠症（先天性基因突变）缺乏某种酶 前体物的积累 在血液或随尿排出 测定（如：苯丙酮尿症）,8,8.1.2 生物体内能量代谢的基本规律,9,能量代谢- 热力学第一定律- 热力学第二定律- 热力学第二定律和熵(entropy) 能的两种形式 热与功 自由能，总热能的变化H，总体熵的变化S =H-TS,物理意义：* (体系中能对环境作功的能量) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。,自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。,10,R(气体常数)=8.315 kJ/(mol.k),T为热力学温度,G 标准条件（T=298K,大气压为101325Pa,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化,单位kJ/mol。,假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + dD 恒温恒压下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq=-2.303RTlgKeq,11,例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,12,达平衡时 =Keq=19,解：,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6kJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6kJ.mol-1,未达平衡时 =Qc=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G。如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001mol/L，求反应的G是多少？,例题：,8.1.3 高能化合物,13,（1）生物体中常见的高能磷酸化合物（3060 kJ.mol-1） 高能磷酸键，键能,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的化合物称为高能化合物。,14,ATP+H2O ADP+ Pi G -30.5 kJ/摩尔,ADP+H2O AMP+ Pi G -33. 1 kJ/摩尔,（2）ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂,15,ATP在能量转运中地位和作用,16, ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用都是以ATP为中心的。 ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂把分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联。 体内有些反应不一定都直接利用ATP供能：多糖合成（UTP），磷脂合成（CTP）、蛋白质合成（GTP） 但物质氧化释放的能量大都是必须先合成ATP，然后由ATP合成UTP/CTP/GTP。 ATP是能量的携带者或传递者，不是能量的贮存者。 ATP是磷酸基团的传递者。,17,18,ATP在能量代谢的偶联作用,糖类分解 脂质分解 蛋白质分解 核苷酸分解,ADP,ATP,8.1.4 肌酸磷酸是高能磷酸键的贮存形式,19,8.1.5 辅酶A的递能作用,20,生物氧化-有机物在生物体内氧的作用下，生成CO2和水并释放能量的过程。,8.2 生物氧化,21,在pH 接近中性，体温条件下，一系列酶的催化作用下进行。 能量逐步释放，以 ATP 捕获能量，既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。 以脱羧基的形式生成CO2 。 水是代谢物脱下来的氢经过一系列的传递体与氧结合生成。 生物氧化有严格的细胞定位。,8.2.1 生物氧化的特点,22,（1）呼吸链的概念,代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，并与之结合生成水的全部体系称呼吸链，也称电子传递链。,8.2.2 呼吸链的组成及电子传递顺序,23,NADH 氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链（ FADH2 氧化呼吸链）,体内的两条主要的呼吸链：,（2）呼吸链的中传递体的顺序,24,1. NADH 氧化呼吸链 NADH 复合体 Q 复合体 Cyt c 复合体 O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 琥珀酸复合体 Q 复合体 Cyt c 复合体 O2,25,NADH 氧化呼吸链,FADH2 氧化呼吸链,Cytc,26,（2）呼吸链的组成,27,四种具有传递电子功能的酶复合体 (合成物),*泛醌和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,COQ氧化还原酶,琥珀酸,-,-,辅基,FMN,，,Fe,-,S,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,4,11,13,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,琥珀酸,-,COQ氧化还原酶,COQ,-,Cytc氧化还原酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,42,4,13,Cytc氧化酶,28,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,29,线粒体呼吸链复合体,30,FMN,Fe-S 复合体,FAD, Fe-S,Cytb 复合体,Cytb, Fe-S,Cytc1 复合体,Cytaa3,Cu 复合体,递氢体递电子体,烟酰胺 （ NAD+, NADP+ ） 黄素蛋白 (flavoprotein) （ FMN,FAD） 铁硫蛋白（ Fe- S ） 泛醌 (Ubiquinone) （ CoQ ） 细胞色素类 (Cytochrome) （ Cyt ）,31,2019/4/20,32,可编辑,1、烟酰胺核苷酸类（ NAD+,NADP+）,33,递氢体,2. 黄素蛋白 (flavoprotein) 类（ FMN,FAD）,34,递氢体,3. 铁硫蛋白,Fe2+,Fe3+电子,传递电子方式：,递电子体,35,4. 泛醌（ CoQ ）,36,递氢体,5. 细胞色素 (Cytochrome) 类,37,Cytb，Cytc1，Cytc, Cytaa3,组成呼吸链的细胞色素:,Fe2+,Fe3+ 电子,递电子体,38,细胞色素系统传递电子的过程,39,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,1/2 O2,O2- H2O,2 H+,2 e,2 e,2 e,2 e,2 e,b c1 c,Cu2+,aa3,呼吸链中电子传递时自由能的下降,40,FADH2,2 个电子,NADH,（3）呼吸链中传递体的顺序,标准氧化还原电位,41,原电池示意图,42, E0=E0正极- E0 负极=+0.34 V-(-0.76 V)=+1.10 V,负极反应: Zn=Zn2+2 e E0 Zn2+/Zn= - 0.76 V,正极反应: Cu=Cu2+2 e E0 Cu2+/Cu=+0.34 V,从电子供体到电子受体的4种电子转移方式,43,44,45,利用特异性呼吸链抑制剂研究传递体的顺序,46,电子传递体的体外重组实验确定传递体的顺序,8.2.3 氧化磷酸化,47,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成 ATP （即 ADP+Pi ATP ）,这种氧化放能和 ATP 生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化 (生物体通过磷酸化作用，将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移到 ATP 分子中形成高能磷酸键的过程) 。,（1）底物水平磷酸化,有机物氧化过程中由于底物分子内部能量重新分布形成高能磷酸键，转给ADP形成ATP。,48,呼吸链中电子传递时自由能的下降,（2）电子传递水平磷酸化,49,50,51,(3)呼吸链与ATP生成量的关系（磷氧比： P/O ）,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,52,H+,H+,线粒体内膜,内,外,化学渗透假说原理示意图,53,4 H+,2 H+,2 H+,4 H+,NADH+H+,2 H+,2 H+,2 H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2 个电子,+,_,质子流,线粒体内膜,例题：计算下反应式G,54,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 负极反应：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,（4）氧化磷酸化的机制,55,1、线粒体ATP合酶（mitochondrial ATPase） 2、能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitchell 化学渗透假说,1978年获诺贝尔化学奖,化学渗透假说 (chemiosmotic hypothasis),56,电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势( H+ )驱动ATP的合成。,线粒体 ATP 合酶,57,氧化磷酸化重建示意图,Boyer和Walker的工作,58,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构， 证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象， 从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构