代谢导论和生物氧化.ppt

第5章 代谢导论和生物氧化,本章阐明了物质代谢共同的基本原理。学习时主要掌握生物氧化的概念，基本理论，作用机制，有关酶类以及能量的产生和转移等。本章是作为物质代谢各章的概括。,第1节 代谢导论,一、新陈代谢的一般概念,蛋白质、酶、核酸等是构成生物体的主要分子，这些物质在活细胞内并非孤立存在，而是彼此间有错综复杂的关系，处于不断的合成和降解中。 这些生物大分子物质被生物体从外界摄取进入人体内后，在生物体内多经历的一切化学变化总称为新陈代谢。,二、分解代谢和合成代谢,分解代谢反应和合成代谢反应： 分解代谢使生物大分子降解为构件分子和能量，活细胞利用释放的能量驱动合成代谢反应；合成代谢可以提供细胞维持和生长所需的生物分子。 以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的是，蕴藏在化学物质中的能量转化，称为能量代谢。,新陈代谢的特点,第一，生物体内的新陈代谢不是完全自发进行，是在酶的催化下进行的。 第二，新陈代谢过程是高度协调高度整合在一起的化学反应网络。 第三，生物体对内外环境条件有高度得适应性和灵敏的自动调节。,第二个阶段：构件分子代谢只生成少数几种分子，其中有两个重要的化合物丙酮酸和乙酰CoA。,第一个阶段：蛋白质、多糖、脂等降解成小的单体构件分子，例如：氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等。,第三个阶段：乙酰CoA进入柠檬酸循环，分子中的乙酰基被氧化成CO2和H2O。,分解代谢只生成三种主要的终产物：CO2、H2O和NH3,伴随着物质分解代谢的同时也产生了大量的化学能，这些能量一般都是以核苷三磷酸（例如ATP或GTP）（图a）和还原型辅酶（例如NADH或FADH2）的形式保存的（图b）。,三、新陈代谢的研究方法,用生物体整体进行研究，成为体内研究，用拉丁语“in vivo”表示，是“在体内”的意思。用整体器官，或微生物细胞群进行研究也称为“in vivo”。 用器官组织制成切片，均浆或提取液作为材料进行研究，称为“in vitro”研究，是“在体内”或“在试管内”的意思，属体外研究。,1、使用酶的抑制剂 使用某种酶的抑制剂或抗代谢物，观察某一反应被抑制后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化。,2、同位素示踪法,用35P，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，属于活体研究。,3、利用遗传欠缺症研究代谢途径,第2节 生物氧化,一、生物氧化的概念、特点,广义的生物氧化：糖、蛋白质、脂肪等有机物质在生物活细胞里进行氧化分解，最终生成二氧化碳和水，同时释放大量能量的过程。 狭义的生物氧化：代谢中间物脱氢生成的还原型辅酶（NADH和FADH2)经电子传递链（呼吸链）传递给分子氧生成水，电子传递过程伴随着ADP磷酸化生成ATP。,1、生物氧化的概念,2、生物氧化的特点,（1）生物氧化在活细胞内进行，反应条件温和，在活细胞内，在体温、常压、近于中性pH及有水环境介质中进行的。 （2）生物氧化包括的化学反应几乎都是在酶催化下完成。 （3）生物氧化时,能量逐步释放。 （4）生物氧化中，氧化过程脱下的质子和电子，通常由各种载体(如NADH ）等传递到氧并生成水。,是在细胞内温和的环境中由酶催化进行的，能量是逐步释放的，并储存于ATP中。 代谢物脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,* 生物氧化与体外氧化的不同点,生物氧化,体外氧化,能量突然释放的。 CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,一切生命活动都需要能量，而生物体在生命活动过程中所需的能量都来自体内生物化学反应释放的自由能。 自由能:在恒温恒压下，生物体用来对环境做功的那部分能量。用符号G表示，单位为kJ/mol。,二、代谢过程的热力学原理,Gibbs在热力学第一定律和第二定律的基础上，推出了在恒温恒压下体系自由能的公式 G=H-TS （式中G表示体内自由能的变化，H表示总体系焓变、总热能变化，S表示总体熵变化） 可以用自由能的变化G判断一个在恒温恒压下进行的化学反应的方向。,1、自由能变化与化学平衡的关系,通过自由能可以推测反应能否自发进行，是放能反应还是耗能反应,物质A转变为物质B的反应：AB G=GB-GA,G 0，反应吸能，不能自发进行 G 0，反应放能，能自发进行 G = 0，体系处于平衡状态。,2、自由能变化与氧化还原电位,反应的自由能变化与氧化还原体系的氧化还原电位差的关系： G0nFE0 ；标准态时为：G0nFE0,氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强 ，氧化还原电位较低的体系，其还原能力较强 ，可预测任何两个氧化还原体系反应进行的方向。,一个氧化还原反应的氧化还原电势与温度、氧化剂和还原剂有如下关系：,E=E0+,三、生物能,1、生物能和ATP,生物能是一种能被生物细胞直接利用的特殊能量形式，为细胞的一切活动提供能量。 光能通过光合作用转变为ATP，化学能通过生物氧化转变为ATP，ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。,ATPH2OADPPi+H+ G0= - 30.51kJmo1； ATPH2OAMP+PPi+H+ G0= - 30.51kJmo1,ATP通过水解和磷酸化反应，为细胞的各种活动提供能量，本身变为ADP或AMP。 ADP可以通过光合磷酸化或氧化磷酸化重新生成ATP。 ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂。,ATP作为持续的生物能源，具有如下的特点： （1）ATP是一种瞬时自由能供体； （2）ATP、ADP和Pi在细胞内始终处于动态平衡状态； （3）ATP和ADP循环的速率非常快。,2、高能磷酸化合物,高能键：水解时能释放出5000cal（20.92kJ）以上自由能的键，用“”表示。 化学中的“键能”指断裂一个化学键所需要提供的能量。 生化中的“高能键”指该键水解时所释放出的大量自由能。,其他三磷酸核苷也可作为能量直接来源。 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,高能化合物：随水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的化合物。,- 61.9 kJ/mol,- 43.1kJ/mol,- 42.3 kJ/mol,ATP是生物系统能量交换的中心； ATP作为能量的即时供体，在传递能量方面起着转运站的作用； ATP在磷酸集团转移中作为中间传递体而起作用，既接受代谢反应释放的能量，又供给代谢反应所需要的能量。,ATP是能量的携带者，而非贮存者,脊椎动物肌肉和神经组织中，能量的储存物质是磷酸肌酸 无脊椎动物体内磷酸精氨酸是能量的储存物质。,第3节 电子传递和氧化磷酸化,一、电子传递链,代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给被激活的氧而生成水的全部体系称为电子传递链（ETS）或电子传递体系，也称呼吸链。,1、电子传递链的组成,1、电子传递链的组成,（1）烟酰胺脱氢酶类,以NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶，催化代谢物脱氢， 该类酶为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢体。 在烟酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH 或NADPH；当有受H体存在时，NADH或NADPH上的H可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。,NAD+（NADP+）的递氢机制,（2）黄素脱氢酶类,FMN：黄素单核苷酸 FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸 以FMN或FAD为辅基的脱氢酶 将底物脱下一对氢原子传递给FMN或FAD的异咯嗪环第1位 和第10位两个氮原子反复地进行加氢和脱氢反应。,FMN和FAD递氢机制,（3）铁硫蛋白类,又叫铁硫中心，起传递电子作用。 含有等量铁原子和硫原子。 铁除与硫连接外，还与肽链中Cys残基的巯基连接。 铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应传递电子。,（4）辅酶Q类,电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。 为一种脂溶性醌类化合物, 又名泛醌, 简写为CoQ或Q。,（5）细胞色素类,含铁的电子传递体，以铁卟啉的衍生物为辅基，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素 呼吸链中主要有a、b、c、三类 Cyta：辅基是血红素A Cytb：辅基是血红素B Cytc：辅基是血红素C,细胞色素主要是通过 Fe3+ + e Fe2+的互变起传递电子的作用。 线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素： a，a3，b，c，c1 它们的辅基结构及与蛋白质的连接方式不同,线粒体呼吸链中细胞色素的排列顺序一次是： bc1caa3 a3可被分子氧直接氧化，aa3合称为细胞色素氧化酶或末端氧化酶； 主要是依靠铜原子化合价的变化把电子从传递给氧,2、电子传链链中的电子传递顺序,确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：,(1)NADH氧化呼吸链,(2) 琥珀酸氧化呼吸链,二、氧化磷酸化,当电子从NADH2或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水时，同时伴随着ADP磷酸化为ATP，这一过程称为氧化磷酸化。,1、氧化磷酸化的类型,（1）底物水平磷酸化,（2）氧化磷酸化,糖、蛋白质、脂肪等代谢物得分子结构中蕴藏着大量的化学能，在细胞代谢中，这些物质逐渐分解，经生物氧化逐步释放能量，一部分能量用以形成高能磷酸键，贮存于高能磷酸化合物中，供机体直接利用，一部分能量以热的形式维持体温或散失于环境中。 氧化磷酸化作用是将生物氧化过程中放出能量转移到ATP的过程。,是底物分子内部能量的重新分布 底物在被氧化的过程中, 形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。,（1）底物水平磷酸化,（2）氧化磷酸化,H经呼吸链氧化与ADP磷酸化为ATP反应的偶联,是需氧生物获得ATP 的一种主要方式, 是生物体内能量转移的主要环节, 需要氧分子的参与。 真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内进行, 原核生物在细胞膜上进行。,特点：,2、氧化磷酸化的偶联部位和P/O比值,电子在呼吸链中按顺序逐步传递释放自由能，其中释放自由能多足以用来形成ATP的电子传递部位称为偶联部位。 代谢物脱下的2mol氢原子，经NADH经呼吸链氧化而使氧原子还原，有三处可以偶联磷酸化，生成3molATP。 FADH2经呼吸链氧化，有两处偶联磷酸化，产生2molATP。,NADH呼吸链中有三个偶联部位： NADH-CoQ Cytb - Cytc Cytaa3 - O2 琥珀酸呼吸链中只有二个偶联部位： Cytb - Cytc Cytaa3 - O2,P/O比值： 物质氧化时，每消耗1mol氧所消耗的无机磷酸的摩尔数即生成ATP的摩尔数。 NADH呼吸链： P/O比值=3 FADH2呼吸链：P/O比值=2,3、氧化磷酸化的细胞结构基础,线粒体是真核细胞内的一种重要的独特的细胞器，是细胞内的动力站，主要功能是进行氧化磷酸化，合成ATP，为细胞生命活动提供直接能量。,ATP合成酶由F0与F1组成，它的生物功能是在完整的线粒体上使ADP加磷酸合成ATP。,外膜：含孔蛋白，通透性较高。 内膜：高度不通透性，向内折叠形成嵴含有与能量转换相关的蛋白。 膜间隙：含许多可溶性酶、底物及辅助因子。 基质：含三羧酸循环酶系、线粒体基因表达酶系等以及线粒体DNA, RNA，核糖体。,线粒体的结构,线粒体的结构,F1：球形头部，伸入线粒体基质，由五种亚基组成33 ，含有F1抑制蛋白 F0: 嵌入线粒体内膜，含有质子通道，由十多种亚基组成。位于F1与F0之间的柄含有寡霉素敏感性蛋白。,4、氧化磷酸化的作用机理,化学渗透偶联学说,呼吸链中递氢体和电子传递体在线粒体内膜中是间隔交替排列的，并且都有特定的位置，催化反应是定向的 递氢体有氢泵的作用，当递氢体从线粒体内膜内侧接受从NADH+H+传来的氢后，可将其中的电子传给位于其后的电子传递体，将两个H+质子从内膜泵出到膜外侧。,内膜对H+不能自由通过，泵出膜外侧的H+不能自由返回膜内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，使原有的外正内负的跨膜电位增高，此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量，这种质子梯度和电位梯度就是质子返回内膜的一种动力。 利用线粒体内膜上ATP合成酶的特点，将膜外侧的2H+转化成内侧的2H+，与氧生成水。,5、氧化磷酸化的解偶联作用和抑制作用,（1）呼吸毒物阻断电子传递,电子传递抑制剂：能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质,鱼藤酮、阿米妥等，它们的作用是抑制复合物I，阻断电子由NADH向CoQ的传递，但不影响FADH2到CoQ的氢传递。鱼藤酮是一种极毒的植物毒素，常用作杀虫剂。,抗霉素A，它是从灰色链球菌分离出的一种抗生素，抑制复合物的电子传递，即阻断细胞色素还原酶中电子的传递，从而抑制了电子从还原型的CoQ（QH2）到细胞色素c1的传递。,氰化物（CN-）、叠氮化物（N3-）、一氧化碳（CO）和硫化氢，这些抑制剂均能阻断电子在细胞色素氧化酶的传递，即阻断细胞色素aa3至O2的电子传递，其中氰化物（CN-）和叠氮化物（N3-）能与血红素a3的高铁形式作用而形成复合物，而一氧化碳（CO）则抑制血红素a3的亚铁形式。,（2）解偶联剂 阻碍呼吸链释放的能量用于合成ATP 某些化合物能够消除跨膜质子浓度或电位梯度，解 除电子传递与ADP磷酸化偶联的作用称为解偶联作用 解偶联剂只抑制电子传递链中氧化磷酸化作用的ATP生成，不影响底物水平磷酸化。,（3）氧化磷酸化抑制剂 主要是指直接作用于线粒体F0F1-ATP合酶复合体中的F1组分而抑制ATP合成的一类化合物。这类抑制剂直接抑制了ATP的生成过程，是膜外质子不能通过F0F1-ATP合酶返回膜内，膜内质子继续泵出膜外困难，最后不得不停止，所以这类抑制剂间接抑制电子传递和分子氧的消耗。,6、线粒体的穿梭系统,糖酵解作用是在胞浆液中进行的，在真核生物胞液中的NADH不能通过正常的线粒体内膜，要使糖酵解所产生的NADH进入呼吸链氧化生成ATP，必须通过所谓“穿梭系统”的间接途径进入电子传递链。能完成这种穿梭任务的化合物有磷酸甘油和苹果酸等。,在动物细胞内有两个穿梭系统，一是磷酸甘油穿梭系统，主要存在于动物骨胳肌、脑及昆虫的飞翔肌等组织细胞中；二是苹果酸穿梭系统，主要存在于动物的肝、肾和心肌细胞的线粒体中。,（1）磷酸甘油穿梭系统 胞液中的NADH在两种不同的-磷酸甘油脱氢酶的催化下，以-磷酸甘油为载体穿梭往返于胞液和线粒体之间，间接转变为线粒体内膜上的FADH2而进入呼吸链，这种过程称为磷酸甘油穿梭。,在线粒体外的胞液中，糖酵解产生的磷酸二羟丙酮和NADH+H+，在以NAD+为辅酶的-磷酸甘油脱氢酶的催化下，生成-磷酸甘油，-磷酸甘油可扩散到线粒体内，再由线粒体内膜上的以FAD为辅基的-磷酸甘油脱氢酶（一种黄素脱氢酶）催化，重新生成磷酸二羟丙酮和FADH2，前者穿出线粒体返回胞液，后者FADH2将2H传递给CoQ，进入呼吸链，最后传递给分子氧生成水并形成ATP。,由于此呼吸链和琥珀酸的氧化相似，越过了第一个偶联部位，因此胞液中NADH+H+中的两个氢被呼吸链氧化时就只形成2分子ATP，比线粒体中NADH+H+的氧化少产生1分子ATP，也就是说经过这个穿梭过程每转一圈要消耗1个ATP。电子传递之所以要用FAD作为电子受体是因为线粒体内NADH的浓度比细胞质中的高，如果线粒体和细胞质中的-磷酸甘油脱氢酶都与NAD