第7章 新陈代谢总论和生物氧化-1.ppt

第二篇代谢,第七章新陈代谢总论与生物氧化,一、新陈代谢总论,二、生物氧化,新陈代谢的概念新陈代谢的研究方法生物体内能量代谢的基本规律高能化合物与ATP的作用,生物氧化的特点生物氧化中CO2的生成生物氧化中水的生成氧化磷酸化作用,一、新陈代谢总论,1.1新陈代谢的概念:新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。这是生物最基本的特征，也是生命存在的前提。,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,1.2新陈代谢的研究方法活体内(用生物整体或整体器官研究,invivo)与活体外实验(用器官组织切片、匀浆或体外培养的细胞、细胞器研究,invitro)使用酶的抑制剂(可使代谢途径受到阻断，结果造成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中间代谢物提供可能)同位素示踪法(稳定同位素2H、15N和放射性同位素32P、125I)核磁共振波谱法(13C谱、31P谱、15N谱),1.3生物体内能量代谢的基本规律,生物体内能量代谢同样服从热力学定律,最重要的热力学函数是自由能(G)。,在生物体系内，pH接近7，水的活度规定为1.0，用G0代替G0,则:G02.303RTlgk,当反应处于平衡时，G02.303RTlgk,一个反应系统的G0只取决于产物与反应物的自由能之差,而与反应历程无关。,自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义,在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。,例如A,B+C,G0+20.92kJ/mol,B,D,G0-33.47kJ/mol,A,C+D,G0-12.55kJ/mol,在标准状况下,AB+C不能自发进行，BD容易进行，因自由能变化是可加的，则AC+D可自发进行。这样，一个热力学上不能进行的反应，可由与它偶联的、热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。,1.4高能化合物与ATP的作用,(1)高能化合物,生物体内有许多化合物，随水解或基团转移反应可释放出大量的自由能,这类化合物称为高能化合物。,磷酸化合物,非磷酸化合物,磷氧型,磷氮型,硫酯键化合物,甲硫键化合物,烯醇磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,高能化合物,如：ATPADP+PipH7.0，25条件，G0=30.5kJmol-1,高能化合物释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分大多直接生成ATP，以高能磷酸键的形式存在。,(2)ATP在能量转运中的地位和作用,ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，作为细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。无论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。,ATP的“共同中间体”作用ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间位置，它能从具有更高能量的化合物中接受高能磷酸键，也能将Pi转移给水解时标准自由能变化较小的化合物，从而将分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起，它本身是代谢的共同中间体。,(3)ATP能量的转移体内还有一些反应需要UTP(多糖合成)、CTP(磷脂合成)或GTP(蛋白质合成)作供能物质。作为供能物质所需要的UTP、CTP和GTP可经下述反应再生：NDP+ATPNTP+ADP(N:U,C,或G)dNTP由dNDP的生成过程也需要ATP供能：dNDP+ATPdNTP+ADP,(4)其它贮能物质：磷酸肌酸在肌肉、神经组织，磷酸肌酸是主要的贮能物质，但是它含有的能量需转化成ATP后再利用。,2.1概述2.2生物氧化中CO2的生成2.3生物氧化中H2O的生成2.3.1呼吸链2.3.2呼吸链的组成2.3.3呼吸链中传递体的顺序2.4氧化磷酸化2.4.1ATP的生成2.4.2胞浆中NADH的氧化磷酸化2.4.3氧化磷酸化中ATP的合成部位2.4.4氧化磷酸化的偶联机制,二、生物氧化(Biologicaloxidation),2.1概述,一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。有机分子在机体内氧化分解成H2O和CO2，并释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化-还原反应，所以又称为呼吸作用或细胞呼吸(cellularrespiration)。,生物氧化的特点：1.在生物体内,电子转移主要有以下三种形式:(1)直接的电子转移:Fe2+Cu2+Fe3+Cu+(2)氢原子的转移(H=H+e):AH2+BA+BH2(3)有机还原剂直接加O2:RH+O2+2H+2eROH+H2O,在活细胞内、体温、近于中性的含水环境中由酶催化下进行。生物氧化是逐步氧化、逐步释放能量。释放的能量一般都先贮存在ATP中,然后再通过ATP的转移作用，将能量释放。真核生物的生物氧化在线粒体内进行，不含线粒体的原核生物则在细胞膜上进行。,生物氧化主要包括三方面的内容:1、细胞如何在酶的催化下，把代谢物分子的CCO2？,2、细胞如何将代谢物分子脱下的H2交给O2生成水?,3、细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变为ATP的高能键?,2.2生物氧化中CO2的生成生物体内CO2的生成来源于含羧基的有机化合物的脱羧作用。,直接脱羧氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化(脱氢)。,MH2,M,递氢体H2,递氢体NAD+、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,2.3生物氧化中H2O的生成,生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。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。,2.3.1呼吸链(respiratorychain)代谢物上的氢被脱氢酶激活脱下后,经过一系列传递体,最后传递给被激活的氧而生成水的全部体系称呼吸链或电子传递链(electrontransportchain)。在具有线粒体的生物中，呼吸链分布在线粒体内膜上线粒体呼吸链。典型的呼吸链有两种:1.NADH呼吸链2.FADH2呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链),Mitochondrion,Impermeabletoionsandmostothercompounds,NADH氧化呼吸链MH2：作用物；(Fe-S)：铁硫中心；,1.NADH氧化呼吸链体内大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，在脱氢酶催化下,底物MH2脱下的氢交给NAD+生成NADH+H+；在NADH脱氢酶作用下，NADH+H+将两个氢原子传递给FMN生成FMNH2,再将氢传递至CoQ生成CoQH2，此时两个氢原子解离成2H+2e-,2H+游离于介质中，2e-经Cytb、c1、c、aa3传递，最后将2e-传递给1/2O2，生成O2-,O2-与介质中游离的2H+结合生成水。,2.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接受两个氢原子生成FADH2，然后再将氢传递给CoQ，生成CoQH2，此后的传递和NADH氧化呼吸链相同。,ElectronTransportchain(ETC)(respiratorychain),Theelectrontransportchainintheinnermitochondrialmembranecanbeisolatedinfourproteinscomplexes(I,II,III,IV).Alipidsolublecoenzyme(Q)andawatersolubleprotein(cytc)shuttlebetweenproteincomplexes.Electronstransferthroughthechain-fromcomplexesIandIItocomplexIV.,Electrontransportchain,MitochondrialComplexes,2.3.2呼吸链的组成,琥珀酸-泛醌还原酶,细胞色素c还原酶,细胞色素c氧化酶,1.蛋白质复合体(酶蛋白和电子载体)2.电子载体(或电子传递体),N,A,D,H,F,M,N,F,e,S,F,A,D,F,e,S,C,y,t,b,F,e,S,C,y,t,c,1,C,y,t,a,C,y,t,a,3,1,/,2,O,2,u,b,i,q,u,i,n,o,n,e,Ubiquinone,Cytc,1、复合物INADH泛醌还原酶,简写为NADHQ还原酶,又称NADH脱氢酶。它的作用是先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHH+FMNFMNH2NAD+它的活性部分含有辅基FMN和铁硫聚族电子载体。电子传递顺序：NADHFMN铁硫聚族泛醌,黄素单核苷酸(FMN)FMN既可以接受2e-形成FMNH2，又可以接受1e-，或由FMNH2给出1e-形成一个稳定的半醌中间产物。,NADH+H+FMNNAD+FMNH2FMNH2+Fe3+FMNH+Fe2+H+,1,10,铁硫聚族(Iron-sulfurclusters,Fe-S),Iron-sulfurclusterstransferonlyoneelectron,eveniftheycontaintwoormoreironatoms.E.g.,a4-Fecentermightcyclebetweenredoxstates:Fe+3,Fe+1(oxidized)+1e-Fe+2,Fe+2(reduced),又称铁硫中心(Iron-sulfurCenters)，含有非卟啉铁和无机硫。作用是通过铁的变价互变进行电子传递。铁硫聚族与蛋白质相结合称为铁硫蛋白。在线粒体呼吸链中，有多个铁硫聚族，存在于NADH脱氢酶、琥珀酸-泛醌还原酶及细胞色素c还原酶中。,常见的铁硫中心有：,FeS:单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。,2Fe-2S:两个铁原子、两个无机硫原子组成，其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。,4Fe-4S:由4个铁原子与4个无机硫原子相连，铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。,2、泛醌(ubiquinone,Q),在呼吸链中是唯一一个不与蛋白质结合的电子载体，可以在膜内自由穿梭，将上游的黄素蛋白类和下游的细胞色素联系起来，在电子传递链中处于中心地位。,亦称辅酶Q(coenzymeQ)，为一脂溶性的醌类物质，能溶于线粒体内膜。侧链是由多个异戊二烯(isoprene)单位构成，最常见的是n10。,CoQcanaccept/donate1or2e-.CoQcanmediatee-transferbetween2e-thattransferand1e-carriers.,semiquinoneradical,3、复合物II琥珀酸-Q还原酶,琥珀酸-Q还原酶是嵌在线粒体内膜上的蛋白复合物，完整的酶应该还包括三羧酸循环中使琥珀酸氧化为延胡索酸的琥珀酸脱氢酶。琥珀酸是生物代谢过程(三羧酸循环)中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶催化下脱氢氧化，将两个高能电子传递给Q。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。FAD总是参与两电子反应，传递2e-和2H+；电子传递顺序：琥珀酸FAD铁硫聚族泛醌催化的反应：FADH2+QFAD+QH2,4、复合物III细胞色素c还原酶(cytochromecreductase),又称辅酶Q细胞色素c还原酶、细胞色素bc1复合体，是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，细胞色素c还原酶活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c的还原，使电子从QH2转移到细胞色素c。QH2+2cytc(Fe3+)Q+2cytc(Fe2+)+2H+,细胞色素类(cytochromes),细胞色素是一类含有血红素辅基(铁卟啉)的电子传递蛋白质的总称。根据吸收光谱的不同，将细胞色素分为a、b、c三类，不同类的细胞色素其铁卟啉辅基结构及与蛋白质的连接方式不同。,细胞色素中的血红素铁能通过Fe3+e-Fe2+进行1e-传递。,cytaa3中除铁卟啉外，还含有两个铜原子，依靠Cu+Cu2+e-，把电子从a3传递给氧。,在线粒体呼吸链中有细胞色素b、c1、c、aa3，其电子传递顺序是bc1caa3O2，其中只有a3能与氧结合，被分子氧直接氧化。,cytaa3中铁原子能通过第6个配位键与O2、CN-等结合.其他细胞色素中的铁原子均与卟啉环和蛋白质形成6配位.,细胞色素c是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内外膜的间隙，属膜外周蛋白，是唯一能溶于水的细胞色素。细胞色素c交互地与细胞色素c还原酶(复合体III)的细胞色素c1和细胞色素c氧化酶(复合体IV)接触，起到在复合体III和IV之间传递电子的作用。,5、细胞色素c,6、复合物IV细胞色素c氧化酶,位于线粒体呼吸链的末端，是线粒体内膜的跨膜蛋白。细胞色素c氧化酶的活性部分主要包括cyta和a3。cyta,a3中铁原子能通过第6个配位键与O2、CN-等结合，还含有两个铜原子，依靠Cu+Cu2+e-，把电子从a3传递给氧。它的作用是催化还原性的细胞色素c氧化，并将4个电子传递给分子氧。cytc(还原性)+1/2O2cytc(氧化性)+H2O电子传递顺序为：cytc(还原性)cytacyta3O2,NAD+,flavinsandQcarryelectronsandH+.Cytochromesandnon-hemeironproteinscarryonlyelectrons.,NAD+,FADundergoesonlya2e-reaction;Cytochromesundergoonly1e-reactions;FMN,Qundergoes1e-and2e-reaction.,Summary:Electroncarriers,(1)根据各种电子传递体的标准氧化还原电位(E0)来确定电子总是从低氧化还原电位向高的电位流动。E0越低，供电子的倾向越大，越易成为还原剂，而处在呼吸链的前面；反之，E0越高，越处在呼吸链的后面。因此呼吸链中各种组分的排列顺序应当由低电位依次向高电位排列。,2.3.3呼吸链中传递体的顺序,OrderandReductionPotentials,+0.077,+0.22,+0.25,+0.29,+0.55,-0.32,+0.03,+0.045,+0.82,-0.3,Ubiquinone,Cytc,(2)使用电子传递的抑制剂能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。当特异的抑制剂阻断呼吸链中的特定环节时，阻断部位底物一侧的各种传递体应为还原型，阻断部位的氧一侧各种传递体应为氧化型。,+0.077,+0.22,+0.25,+0.29,+0.55,-0.32,+0.03,+0.045,+0.82,-0.3,Ubiquinone,Cytc,Rotenone鱼藤酮,AntimycinA抗霉素A,CN-CO,RotenonehelpsnativesoftheAmazonrainforestcatchfish!,DrugsthatinhibittheETC,上述阻断剂的阻断位置正是呼吸链中的三个放能部位。,2.4.1ATP的生成ATP主要由ADP磷酸化所生成，少数可由AMP焦磷酸化生成ADP+Pi+能量ATPAMP+PPi+能量ATP,2.4氧化磷酸化(oxidativephosphorylation),氧化是底物脱氢或失电子的过程，而磷酸化是指ADP与Pi合成ATP的过程。氧化释放的能量用于ATP合成，这个过程就是氧化磷酸化，氧化是磷酸化的基础，而磷酸化是氧化的结果。,(1)底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)底物分子中的能量直接以高能磷酸键形式转移给ADP生成ATP，这个过程称为底物水平磷酸化。XPADPATPXXP代表底物在氧化过程中所形成的高能磷酸化合物。其能量来源于底物的脱氢、分子内部能量的重新分布和集中。,(2)电子传递体系磷酸化在结构完整的线粒体中,当电子从NADH或FADH2经电子传递链传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。通常氧化磷酸化就是指电子传递体系磷酸化，它是生物体内生成ATP的一种主要方式。,在NADH呼吸链中,有三处能使氧化还原过程释放的能量转化为ATP,这三个部位称为氧化磷酸化的偶联部位。而且这三个部位也是传递链上可被特异性抑制剂阻断的地方。,呼吸链的氧化磷酸化的全过程可用下述方程式表示:NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+3ATP+4H2OFADH2+2ADP+2Pi+1/2O2FAD+2ATP+3H2O,SitesofATPCoupling,P/O值测定P/O值是指在氧化磷酸化过程中,每消耗一摩尔氧分子所消耗的无机磷酸的摩尔数，或者说每消耗一摩尔氧所生成的ATP的摩尔数。P/O值实质上指的是呼吸过程中磷酸化的效率。NADH呼吸链的P/O值是3；FADH2呼吸链的P/O值是2。测定P/O值的方法通常是在一密闭的容器中加入氧化的底物、ADP、Pi、氧饱和的缓冲液，再加入线粒体制剂时就会有氧化磷酸化进行。反应终了时测定O2消耗量(可用氧电极法)和Pi消耗量(或ATP生成量)就可以计算出P/O值。在反应系统中加入不同的底物，可测得各自的P/O值，结合呼吸链的传递顺序，就可以分析出大致的偶联部位。,确定氧化磷酸化偶联部位通常用两种方法：(自学),比较表中(1)和(2)，呼吸链传递的差异是在Q之前，两者ATP的生成数相差1，所以这个ATP的生成部位一定在NADHQ之间比较表中(2)和(3)，呼吸链传递的差异是在Cytc之前，两者ATP的生成数相差1，所以这个ATP的生成部位在QCytc之间比较表中(3)和(4)，生成的ATP数均为1，呼吸链传递的区别是在CytcCytaa3，故Cytcaa3不存在偶联部位，而在Cytaa3O2之间存在着一个偶联部位。,离体线粒体的P/O比值,注：由于线粒体的偶联作用在离体条件下不能完全发挥，故可认为实际的ATP生成数是P/O值(小数)所接近的正整数值。,根据氧化还原电位计算电子传递释放的能量是否能满足ATP合成的需要氧化还原反应中释放的自由能G0与反应物和产物的标准氧化还原电位差值(E0)之间存在下述关系：GO=-nFEOn为电子转移数，F为法拉弟常数96.49kJ/V,EO为电位差值。,例如,细胞色素a1/2O2GO=-296.49(0.816-0.29)=-99.9kJ/mol每摩尔ATP水解生成ADP与Pi所释放的能量为30.52kJ，只要氧化过程中释放的能量大于30.52kJ，均有可能生成1摩尔ATP，就可能存在有一个偶联部位。,2.4.2胞浆中NADH的氧化磷酸化,糖酵解作用在胞浆中进行，真核细胞胞浆中的NADH不能自由通过线粒体内膜，要使糖酵解产生的NADH进入呼吸链氧化生成ATP，必须借助某些能自由通过线粒体内膜的物质才能被转入线粒体，这就是所谓穿梭机制。,甘油-磷酸脱氢酶,甘油-磷酸脱氢酶,甘油-磷酸穿梭作用,ATP是由ATP合成酶催化ADP与Pi合成的。ATP合成酶位于线粒体内膜基质侧,是一个大的膜蛋白质复合体，起质子通道作用的单元称为F0(疏水)，催化ATP合成的单元称为F1(亲水),又称FoF1复合体。,2.4.3氧化磷酸化中ATP的合成部位,F1是线粒体内膜基质侧的球状的头与茎部分，由33组成。亚基是催化ATP合成的部位；亚基是F1与膜上Fo相连所必需的。F0是跨线粒体内膜的疏水蛋白质,F0主要构成质子通道。,Matrix,Intermembranespace,2.4.4氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说,呼吸链中递氢体和电子传递体是相间交替排列，在线粒体内膜上都有特定的位置,催化反应是定向的。递氢体有质子泵的作用。在电子传递过程中释放的能量的驱动下，递氢体将H+从线粒体内膜基质侧泵到内外膜间隙。H+不能自由透过线粒体内膜，结果使得线粒体内外膜间隙H+浓度高于基质内H+浓度，在线粒体内膜两侧形成一个跨膜质子梯度pH。同时使得线粒体内膜外侧带正电荷，内侧带负电荷，形成跨膜电位。底物氧化过程中释放的自由能就储存于和pH中。在pH和的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道(ATP酶的F0部分)，跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,ComplexI,III,IVdriveH+transportfrommatrixtotheintermembranespacewhene-flowthrough,whichcreatesprotongradient(electrochemicalpotential)acrosstheinnermembrane.,4H+arepumpedper2e-passingthroughcomplexIII,probably4H+/2e-f