能量代谢与生物能的利用.ppt

第七章 能量代谢与生物能的利用,本章内容,新陈代谢 生物能学 生物氧化,一、新陈代谢,（一）新陈代谢的概念： 1、概念： 新陈代谢（metabolism)活细胞中所有化学变化的总称。每一变化均由酶催化。 呼吸作用 生长 运动 光合作用等,2、类型：,合成代谢： 由小分子合成生物大分子的过程； 耗能 分解代谢： 将生物大分子分解成小分子的过程； 放能,一、新陈代谢,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,能量代谢：,研究代谢过程中伴随着生物体的合成代谢分解代谢中能量的变化。 物质代谢： 即生命物质的降解和建成，包括合成代谢和分解代谢。它与能量代谢紧密偶联、互成因果。,代谢途径（ metabolism pathway) ： 指糖、脂类、蛋白质、核酸及水、盐 代谢的一系列化学反应。 代谢物： 统指代谢反应中任一反应物、中间产物或产物。,一、新陈代谢,3、代谢特点：,1）严格的细胞内定位 2）特异的酶促反应 3）共通的代谢间关联 4）严谨的反应顺序 5）高效率的调控机构 马蝇,一、新陈代谢总论,中间代谢-物质在细胞内的分解和合成过程,人体细胞外的消化分为四个过程： 1)口腔内的消化 2)胃的消化 3)小肠消化 4)大肠消化,（二）研究新陈代谢的方法：,1、活体内与活体外实验： 1）在活体内（in vivo）： 生物体内:动物实验、组织细胞培养等。,一、新陈代谢,例如1904年，德国生物学家Knoop根据体内实验提出脂肪酸 -氧化学说。 一CH2CH2一CH2CH2一CH2COOH - 2CH3COOH + 一CH2COOH 一CH2一CH2CH2一CH2COOH - 2CH3COOH + 一COOH,2）在活体外（in vitro)：,在试管内进行:细胞切片、匀浆液、提 取液等。,2、同位素示踪法：,同位素标记某种代谢物，然后追踪同位元素在体内的变化途径，就能获得有关代谢途径的丰富知识。,一、新陈代谢,3、代谢途径阻断等方法,用抗代谢物或酶抑制剂阻抑中间代谢的某一环节，使中间物积累，便于分析和推测代谢情况。,一、新陈代谢,1、下列关于新陈代谢叙述中不正确的是（ ）,A、新陈代谢是一切生物生存的基本条件,B、新陈代谢的过程是生物体自我更新的过程,C、新陈代谢过程中包含着物质变化和能量变化,D、新陈代谢包括同化作用和异化作用两个完全对立的过程,2、一个长期生病、逐渐消瘦。他的新陈代谢的特点是 （ ）作用占有优势。,( D,异化) 二、生物能学 生物体内新陈代谢的规律,（一）热力学第一定律与生物体系 热力学第一定律：能量即不能创造也不能消失，只能从一种形式转变为另一种形式。 1、生物体系是一个开放体系。 特点：与环境有物质交换和能量交换。,2、化学能的变化：,光能 化学能,二、生物能学,光合生物,生物体与环境的总能量保持不变。 特点：能量逐步释放。,（二）热力学第二定律与生物体系,热力学第二定律：指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵。,自由能：生物体（或恒温恒压）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。 生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定律作抗争。,G = H - TS,该方程式表说明： G 0，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动 反应进行。 G=0 ，表明体系已处于平衡状态。 对于 A +B C +D G= -2.303RTlgK K=CD/AB,（三） 高能化合物与ATP的作用,高能化合物-随水解反应或基团转移反应放出大量自由能的化合物。 高能磷酸化合物-含有高能磷酸转移基团的化合物。常用 p表示。 例如：葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖 + ADP,生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的 1、类型： 1）磷氧键型：如ATP等 2）氮磷键型：如磷酸肌酸等 3）硫酯键型：如脂酰CoA等 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸,二、生物能学,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物电,热能-体温,光能-生物发光,ATP是生物系统能量交换的中心,荧火虫,2.ATP的特殊作用,二、生物能学,其他三磷酸核苷也可作为能量直接来源。 如 三磷酸尿苷（UTP）-用于多糖的合成。 ATP + UDP ADP + UTP 三磷酸胞苷（CTP）-用于磷酯的合成。 ATP + CDP ADP + CTP 三磷酸鸟苷（GTP）-用于蛋白质的合成 。 ATP + GDP ADP + GTP 磷酸肌酸-是动物组织中的能量贮存形式。,将高能磷酸键转移给肌酸以 磷酸肌酸形式储存,三、生物氧化,（一）概念： 概念：有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。,生物氧化 燃烧 特点：,在活体细胞中进行，需酶参加 温和条件 复杂的氧化还原过程 能量逐步释放，以ATP形式储存和转运 真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质 膜上进行。,类型：,1、电子转移： 2、氢原子的转移： 3、有机还原剂直接加氧:,三、生物氧化,加水脱氢(实质是加氧反应),酶催化的醛氧化成酸的反应,（二） CO2的生成,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。,-脱羧 （羧基位置） -脱羧,分类,单纯脱羧（不伴氧化）,氧化脱羧（伴氧化）,节,1. -单纯脱羧,2. -单纯脱羧,1）单纯脱羧,O CH3 C COOH,返回,1. -氧化脱羧,2.-氧化脱羧,O CH3CCOOH + CoASH + NAD+,O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2,2）氧化脱羧,返回,（三） 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,1、呼吸链（又称电子传递链）： 代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。 2、呼吸链的类型： 1）NADH呼吸链：产生3个ATP 2）FADH2呼吸链：产生2个ATP,NADH电子传递链 FADH2电子传递链,3、呼吸链的组分：,呼吸链的组成:脱氢酶、呼吸传递体、未端氧化酶组成的生物氧化酶体系。,三、生物氧化,1)脱氢酶及与其相联系的传递体 烟 酰胺腺嘌呤核苷酸类辅酶 有两种： NAD -辅酶I（CO I） 和 NADP -辅酶II（CO II） 黄素脱氢酶类辅基 有两种： FMN 和 FAD 辅酶Q（泛醌）,（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶),是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 *功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,辅酶Q,返回,2)、电子传递与末端氧化酶体系 细胞色素氧化酶体系 这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质 在呼吸链中，依靠活性中心 中铁的化合的价变化而传递电子。 目前发现细胞色素有多种如 a、a3、b、 c1 、 c2等， 在呼吸链中的排列序顺为 b c1 c a a3 O2 铁硫蛋白类（FeS) 通过铁硫中心Fe2+ / Fe3+ 进行电子传递。 酚氧化酶体系 通过Cu+ / Cu2+ 进行电子传递。 抗坏血酸氧化酶体系 通过Cu+ / Cu2+ 进行电子传递。,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1等。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。,细胞色素,（cytochrome,cyt）,下页,铁硫蛋白,铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以（ Fe-S ） (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,下页,-e-,铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.,返回,NADH 链 2H+ 2e SH2 NAD FMNH2 CO Q 2cyt- Fe2+ 1/2O2 S NADH2 FMN CO QH2 2cyt- Fe3+ O2- H2O 2e,4. 呼吸链中传递体的顺序,MH2,NADH,-0.32,FMN,-0.30,CoQ,+0.10,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,鱼藤酮 安密妥,E0 低高 抑制剂：呼吸毒物(阻断电子传递),抗霉素A,氰化物，CO， 叠氮化合物,阿的平,解偶联剂:破坏呼吸链释放的能量用于ATP合成 如:2,4-二硝基苯酚、P-三氟甲氧基苯腙二氰化物、双香豆素都是常解偶联剂。 并不抑制电子传递),（四） 氧化磷酸化作用,伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。,主要由： ADP + Pi + 能量 ATP,少数情况： AMP + PPi + 能量 ATP,1. ATP的生成,（1）底物水平磷酸化 （2）电子传递体系磷酸化,1) 底物水平 磷酸化-是指底物在氧化过程中，分子内部能量重新分布而形成为一种高能磷酸化合物。这种高能磷酸化合物的基团和键能可转移到ADP中形成ATP。 例如： O CHO C-O P COOH | + H3 P O4 | | CHOH CHOH CHOH | NAD NADH+ + H+ | ADP ATP | CH2 O-P CH2 -O -P CH2 -O -P 2)、电子传递水平磷酸化 (注意产能部位) 电子传递水平磷酸化-发生在呼吸传递上，底物脱下的氢进入电子传递体系，最后和氧生成水。同时在这个过程中产生大量能量，并贮存在ATP中。 NADH FMN CO Q b c1 c a a3 O2 p p p ADPATP ADPATP ADPATP P/O-指消耗1 mol 氧所消耗无机磷酸的 mol 数。也就是指每消耗1 mol O2 所生成ATP的 mol 数。 实验证明： NADH2 P/O = 3 FADH2 P/O = 2,2. 胞液中NADPH和NADH的氧化磷酸化,NADPH + H+,NADP+,异柠檬酸,线粒体内膜,异柠檬酸穿梭作用,异柠檬酸,NAD +,-酮戊二酸,NADH + H+,呼吸链(3ATP),-酮戊二酸,NADH + H+,NAD+,二羟磷酸丙酮,甘油-磷酸,线粒体内膜,甘油-磷酸穿梭作用,甘油-磷酸,FAD,二羟磷酸丙酮,FADH2,NADHFMNCoQbc1caa3O2(2ATP),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(3ATP),苹果酸-天冬氨酸转运NADH系统,3. 氧化磷酸化作用机理,化学渗透学说,氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。,化学偶联学说(高能中间产物学说),形成高能中间产物，促使ATP生成。,结构(构象）偶联学说,Ared + Box,A*ox +Bred,A*ox + ADP +Pi Aox + ATP,1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。,化学渗透学说,当线粒体内膜上的呼吸链进行电子传递时，电子能量逐步降低，脱下的H+质子便穿过膜从线粒体的基质进入到内膜外的腔中，造成跨膜的质子梯度（浓度差），导致化学渗透发生，即质子顺梯度从外腔经内膜通道（ATP合成酶）而返回到线粒体的基质中，所释放的能使ADP与磷酸结合生成ATP。,4 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,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。,RH + O2 + NADPH + H+ ROH + NADP + H2O,加双氧酶,此酶催化氧分子直接加到作用物分子上 O2,加双氧酶 -胡萝卜素 2视黄醛,2). 过氧化物酶体系,氧是维持生命必需的物质,但也有毒性,机体长时间在纯氧中呼吸可致呼吸紊乱,乃至死亡.这与生物氧化过程中大量产生过氧化氢等有关.,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。,测试题,1.作为递氢体，能将电子直接传递给细胞 色素的是 : A、 NADH+H B、NADPH+H C、CoQ D、FADH2 E、FMNH2,(C),测试题,A、FAD B、NAD C、FMN D、NADP E、TPP 线粒体内-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是: 线粒体外苹果酸脱氢酶的辅酶是：,(A),(B),测试题,下列有关细胞色素的叙述哪一项是正确的： A、全