陈代谢总论与生物氧化-2.ppt

,第八章,新陈代谢总论与生物氧化,一.新陈代谢总论,二.生物氧化,1.新陈代谢一般概念,2.同化作用与异化作用,3.能量代谢,4.各类代谢间的关系,5.呼吸商与卡价,6.新陈代谢研究方法,一.新陈代谢总论,1. 新陈代谢的一般概念,(广义)：生物体与周围环境进行的物质交换。,动物体的新陈代谢包括五个阶段：,(狭义)：活细胞内进行的一切化学反应，即中间代谢。,摄食、消化、吸收、中间代谢、排泄,消化：将食物中的大分子有机物水解成能被机体吸收 利用的小分子化合物的过程。,吸收：消化道物质透过黏膜进入血液或淋巴液的过程。,2. 同化作用与异化作用,同化作用：生物体从环境中摄取物质，经一系列的化学变化转变为自身的物质的过程称为同化作用。同化作用消耗能量。 异化作用：生物体内物质经一系列化学反应，最终变成排泄物的过程。异化作用产生能量。 合成代谢：生物体内由小分子物质转化成大分子物质的过程，属同化作用的范畴。 分解代谢：生物体内由大分子物质转变成小分子物质的过程，属异化作用的范畴。,新陈代谢包括同化作用和异化作用两方面的代谢过程。,3. 能量代谢,任何物质的变化都伴随着能量的变化，生物体内能量的变化过程称为能量代谢。能量代谢与物质代谢同时存在，不存在无物质代谢的能量代谢，也不存在无能量代谢的物质代谢。,4. 各类代谢间的关系,新陈代谢,同化作用,异化作用,环境物质 体内物质,吸能反应,放能反应,生物大分子 小分子,体内物质 环境物质,能量代谢,物质代谢,分解代谢,生物小分子 大分子,合成代谢,5. 呼吸商（R.Q）与卡价,呼吸商：营养物质在体内氧化分解时要消耗氧气，并放出二氧化碳，二者的比值称为呼吸商。,三大类营养物质的呼吸商： 葡萄糖: R.Q=1.0 脂肪: R.Q=0.7 蛋白质: R.Q=0.8,三大类营养物质的卡价： 葡萄糖：4.1Kcal/g 脂肪：9.7Kcal/g 蛋白质：5.7或4.4Kcal/g（氨或尿素）,卡价：单位重量的营养物质氧化产生的总热量， 称为卡价。,6. 新陈代谢的研究方法,研究材料 活体研究：“in vivo”： 以生物整体、整体器 官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体研究（又称体内研究）； 离体研究：“in vitro”： 以组织切片、匀浆或组织提取液为对象进行的代谢研究称为离体研究（又称体外研究）。,1、同位素示踪法： 用35S、32P、14C、3H标记代谢物后，跟踪代谢物在某一生物体的去向，了解该代谢物在该生物体内的代谢情况 ，属活体研究。 2、酶的抑制剂和拮抗物的应用： 属体外研究，了解某一反应被抑制之后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化。,研究方法,3、整体水平的研究： 以活动物为研究对象，分析其排泄物、血清、头发等，从而了解体内的代谢情况，属体内研究。 4、器官水平的研究： 切除动物的内脏后的代谢情况与切除之前对照，可了解该器官的代谢情况。 5、细胞、亚细胞水平的代谢研究等。,二.生物氧化,1. 生物氧化的特点 2. 生物氧化中二氧化碳的生成 3. 生物氧化中水的生成 4. 生物氧化中ATP的生成 5. 高能化合物,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。,1. 生物氧化的特点,（3）当有机物被氧化成C2O和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP能量如何产生？ 底物水平磷酸化 氧化磷酸化,内容,（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2CO2如何形成？ 脱羧反应,（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2OH2O如何形成？ 电子传递链,释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失,特点,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：,生物氧化 体外燃烧,细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件 （常温、常压、中性pH、水溶液）,一系列酶促反应 无机催化剂 逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放,2. 生物氧化中二氧化碳的生成,基本方式： 底物脱羧脱羧基作用,-脱羧 （羧基位置） -脱羧,分类:,单纯脱羧 （不伴随脱氢）,氧化脱羧 （伴随脱氢）,2. 生物氧化中二氧化碳的生成,1、-单纯脱羧,2、-单纯脱羧,O CH3 C COOH,1、-氧化脱羧,2、-氧化脱羧,O CH3CCOOH + CoASH + NAD+,O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2,3. 生物氧化中水的生成,4. 生物氧化中ATP的生成,底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物（PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。,a. 底物水平磷酸化,特点：ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化。,是与电子传递过程偶联的磷酸化过程。即伴随电子从底物到O2的传递，ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程，这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化。 这是需氧生物合成ATP的主要途径。 真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行。原核生物则在质膜上进行。,b. 氧化磷酸化,呼吸链,概念 需氧细胞内糖、脂肪、氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶，包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化。即还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下，其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移，最后转移给分子氧并生成水，这个电子传递体系称为电子传递链。由于消耗氧，故也叫呼吸链。 电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。,组成,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。包括： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素还原酶、细胞色素氧化酶。,NADH,NADH-Q 还原酶,Q,细胞色素 还原酶,细胞 色素C,细胞色素 氧化酶,O2,琥珀酸-Q还原酶,FADH2,呼吸链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的，在线粒体内膜上主要有两条呼吸链： NADH+H+ FMN Fe-S CoQ cytb Fe-S cytc1 cytc cytaa3 O2 Fe-S FAD,FMN Fe S,Cytb Fe-S cytc1,cytaa3,Fe-S FADH2,呼吸链的电子传递抑制剂图示 NADH NADH-Q还原酶 鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素 CoQ cytb 抗霉素A cytc1 cytc cytaa3 氰化物、一氧化碳、硫化氢、叠氮化合物 O2,常用的几种电子传递抑制剂及其作用部位 （1）鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素。其作用是阻断电子在NADH- Q还原酶内的传递，所以阻断了电子由NADH向CoQ的传递。 （2）抗霉素A：干扰电子在细胞色素还原酶中细胞色素b上的传递，所以阻断电子由QH2向cytC1的传递。 （3）氰化物（CN-）、硫化氢（H2S）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）等：其作用是阻断电子在细胞色素氧化酶中传递，即阻断了电子由cytaa3向分子氧的传递。,P/O比： 1940年，S Ochoa测定了在呼吸链中O2的消耗与ATP生成的关系，为此提出P/O比的概念。（同位素实验） 当一对电子经呼吸链传给O2的过程中所产生的ATP分子数。实质是伴随ADP磷酸化所消耗的无机磷酸的分子数与消耗分子氧的氧原子数之比,称为P/O比。 线粒体NADH+H+经呼吸链氧化P/O比为2.5（3），FADH2经呼吸链氧化P/O比为1.5（2）。,氧化磷酸化偶联部位及P/O比,化学偶联假说 构象偶联假说 化学渗透假说,氧化磷酸化作用的机理,化学偶联假说（1953年）（掌握要点） chemical coupling hypothesis 认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形成高能共价中间物，最后将其能量转移到ADP中形成ATP。,构象偶联假说（1964） conformational coupling hypothesis 认为电子沿电子传递链传递使线粒体内膜的蛋白质组分发生了构象变化，形成一种高能构象，这种高能形式通过ATP的合成而恢复其原来的构象。 迄今未能分离出这种高能蛋白质。但在电子传递过程中蛋白质组分的构象变化还是存在的。,化学渗透假说（1961） chemiosmotic hypothesis,1961年由英国生物化学家Peter Mitchell最先提出。 认为电子传递释放的自由能和ATP的合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。即电子传递释放的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，从而形成跨线粒体内膜的H+离子梯度，及一个电位梯度。这个跨膜的电化学电势驱动ATP的合成。,化学渗透假说示意图,NADH呼吸链中的三个复合物、起着质子泵的作用，将H+ 从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙。 H+不断从内膜内侧泵至内膜外侧，而又不能自由返回内膜内侧，从而在内膜两侧建立起质子浓度梯度和电位梯度即电化学梯度，也称为质子动力。 当存在足够的跨膜电化学梯度时，强大的质子流通过嵌在线粒体内膜的F0F1-ATP合酶返回基质，质子电化学梯度蕴藏的自由能释放，推动ATP的合成。,因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell,支持化学渗透假说的实验证据：,氧化磷酸化作用的进行需要封闭的线粒体内膜存在。 线粒体内膜对H+ OH- K+ Cl-都是不通透的。 破坏H+ 浓度梯度的形成（用解偶联剂或离子载体抑制剂）必然破坏氧化磷酸化作用的进行。 线粒体的电子传递所形成的电子流能够将H+ 从线粒体内膜逐出到线粒体膜间隙。 大量直接或间接的实验证明膜表面能够滞留大量质子，并且在一定条件下质子能够沿膜表面迅速转移。 迄今未能在电子传递过程中分离出一个与ATP形成有关的高能中间化合物，亦未能分离出电子传递体的高能存在形式。 H+如何通过电子传递链“泵”出的？,线粒体内膜的表面有一层规则地间隔排列着的球状颗粒，称为FOF1-ATP合酶，也叫ATP合酶复合体或ATP合酶，是ATP合成的场所。 它由FO、F1两部分组成，其中FO由4种6条不同的肽链组成，是复合体的柄（含质子通道），镶嵌到内膜中.F1由5种9条肽链组成，呈球状，是复合体的头，与FO结合后这个头伸向膜内基质。 FO是膜外质子返回膜内的通道，F1是催化ATP合成的部位，当膜外的质子经FO质子通道到达F1时便推动ATP的合成。,ATP的合成机制 FOF1-ATP合酶,糖、脂肪、蛋白质 CO2+H2O+能量,生物氧化,ATP,高能化合物的概念 一般将水解时能够释放20.92 kJ /mol（5Kcal/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 在高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。,5. 高能化合物,按其分子结构特点及所含高能键的特征分： 磷氧键型 磷氮键型 硫酯键型 甲硫键型,高能化合物的类型,磷氧键型（O-P),1,3-二磷酸甘油酸,ATP（三磷酸腺苷）,ADP（二磷酸腺苷）,磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,氮磷键型（如胍基磷酸化合物）,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,最重要的高能化合物ATP,ATP是生物体通用的能量货币。 ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。 ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。,ATP在能量转化中的作用,真核细胞细胞液中产生的NADH必须进入线粒体才能经呼吸链氧化并生成ATP. 磷酸甘油穿梭 苹果酸-天冬氨酸穿梭,线粒体穿梭系统(选讲),1、磷酸甘油穿梭（P/O=2或1.5）,NAD+,NADH+H+,P-甘油,P-二羟 丙酮,P-甘油,P-二羟丙酮,3-P甘油脱氢酶 （胞液）,FAD,FADH2,3-P甘油脱氢酶 （内膜）,CoQ,Fe-S,FP1,cytb,胞液,外膜,膜间空间,内膜,昆虫飞行肌细胞溶胶NADH利用此穿梭,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭（P/O=3或2.5）,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NADH+H+,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NADH+H+,天冬氨酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,谷氨酸,-酮戊二酸,1,2,4,3,胞液,膜间空间,外膜,内膜,基质,1、胞液的苹果酸脱氢酶 2、线粒体基质的苹果酸脱氢酶 3、胞液的天冬氨酸转氨酶 4、线粒体基质的天冬氨酸转氨酶 、苹果酸-酮戊二酸反向交换载体 天冬氨酸-谷氨酸反向交换载体,1,动物心脏及肝脏 胞质溶胶内NADH 利用此穿梭,3、外NADH脱氢