第七章新陈代谢总论与生物氧化.ppt

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 一 新陈代谢总论 一 新陈代谢的概念 营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢 简称为代谢 metabolism 生物体内酶催化的化学反应是连续的 前一种酶的作用产物往往成为后一种酶的作用底物 这种在代谢过程中连续转变的酶促产物统称为代谢中间产物 metabolicintermediates 或简称代谢物 metabolites 代谢通过一系列连续的反应 无论是外界引入的或是体内形成的有机分子 最后都转变成代谢的最终产物 新陈代谢途径中的个别环节 个别步骤称为中间代谢 intermediarymetabolism 新陈代谢的功能 1 从周围环境中获得营养物质 2 将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件 buildingblocks 即大分子的组成前体 3 将结构元件装配成自身的大分子 例如蛋白质 核酸 脂类以及其它组分 4 形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子 5 提供生命活动所需的一切能量 分解代谢 catabolism 有机营养物质 外界环境获得或自身储存 通过一系列反应步骤转变较小的较简单的物质的过程称为分解代谢与分解代谢相伴随的是将蕴藏在有机大分子中的能量逐步释放出来 分解代谢所经过的反应途径称之为分解代谢途径 catabolicpathways 合成代谢 anabolism 又称生物合成 biosynthesis 是生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程 由小分子建造成大分子是使分子结构变得更为复杂 这个过程都是需要提供能量的 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 新陈代谢的共同特点 1 由酶催化 反应条件温和 2 诸多反应有严格的顺序 彼此协调 3 对周围环境高度适应 二 新陈代谢的研究方法 1 活体内 invivo 与活体外实验 invitro 2 同位素示踪 3 代谢途径阻断4 核磁共振波谱法5 利用遗传缺欠症研究代谢途径6 气体测量法 三 生物体内能量代谢的基本规律 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 G 自由能变化 H 总热能变化 T S 总体熵的改变 G 0时 体系的反应能自发进行 为放能反应 G 0时 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 为吸能反应 G 0时 表明体系处于平衡状态 对于任何一个化学反应 A B C D 其自由能变化 G遵循下式 G G RTln C D A B G 表示标准自由能 25 一个大气压 底物浓度1mol L R 为气体常数 8 315J mol一度 T 绝对温度 摄氏温度 273 15 G 表示生物体内标准自由能 25 一个大气压 底物浓度1mol L pH接近7 当反应处于平衡 即 G 0时 G RTln C D A B 其中K C D A B G RTlnK 2 303RTlgK在生物体内 G RTlnK 2 303RTlgK对于生物化学反应AB当K 1时 G G 1反应趋向于生成A的方向一个反应系统的 G只取决于产物与反应物的自由能之差 而与反应过程无关 四 高能化合物与ATP的作用 1 概念高能化合物 在化学反应中 某些化合物含较多的自由能持 水解反应或基团转移反应时 可放出大量的自由能 这类化合物称为高能化合物 高能化合物一般对酸 碱和热不稳定 高能磷酸化合物 机体内存在着各种磷酸化合物 它们所含的自由能多少不等 含自由能持多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物 高能磷酸化合物常用 P或 来表示 P 2 高能化合物的类型 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 3 机体内能量的存在形式及ATP的作用 ATP的作用 见教材P145图7 1ATP的生理功能ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP H2OADP PiADP PiATP机体内能量的存在形式 ADP PiATPATP NDP UDP CDP GDP NTP ADPATP 肌酸磷酸肌酸 机体能量储存形式 ADP肌酸磷酸激酶 G 30 51KJ mol G 30 51KJ mol 二 生物氧化 生物氧化 生物体内一切代谢物进行的氧化作用 有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化 一 生物氧化的特点 1 在体温 近于中性的含水环境中由酶催化 2 能量逐步释放 部分存于ATP 分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系 氧化还原反应的本质是电子转移 失电子者为还原剂 得电子者为氧化剂 在生物体内 电子转移主要有以下形式 直接进行电子转移Fe2 Cu2 Fe3 Cu 氢原子的转移AH2 BA BH2 有机还原剂直接加氧RH O2 2H 2eROH H2O 二 生物氧化过程中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 直接脱羧 脱羧 脱羧 氧化脱羧 在脱羧过程中伴随着氧化 脱氢 三 生物氧化过程中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 电子传递链 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 而生成水的全部体系称呼吸链 体内主要呼吸链 根据接受氢的初受体不同 体内典型的呼吸链有两种 NADH呼吸链和FADH呼吸链 1 NADH氧化呼吸链 组成与作用 脱氢酶 CoI 黄素蛋白 铁硫蛋白 CoQ和细胞色素 2 FADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链 组成和作用 脱氢酶 FAD CoQ 细胞色素 两种呼吸链的差异 脱下的2H不经过NAD 传递 其余过程与NADH呼吸链相同 见教材P148图7 2 NADH FP FMN UQ Cytb CytC1 Cytc Cytaa3 O2 Fe S FP FAD Fe S 2呼吸链的组成 线粒体呼吸链 3 呼吸链的主要成分 1 烟酰胺脱氢酶类 NAD 和NADP 为辅酶的脱氢酶组成成分 酶蛋白 尼克酰胺 Vpp 核糖 磷酸与AMP 作用 辅酶接受代谢物脱下的2H 传递给黄素蛋白 NADH 还原型辅酶 它是由NAD 接受多种代谢产物脱氢得到的产物 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一 2 黄素酶 黄素蛋白 Flavoprotein 组成成分 酶蛋白 黄素单核苷酸 FMN 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 它们由核黄素 VitB2 磷酸 AMP组成 作用 进行可逆的脱氢加氢反应 传递机制 异咯嗪的第1 10位N上可加氢主要形式 琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶 将代谢物脱下的H传入呼吸链 1 10 核糖醇 H H 铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在 组成成分 含等量的铁原子和硫原子 Fe Fe2S2 Fe4S4 铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连 作用 将FMN或FAD中的电子传递给泛醌 传递机制 单电子传递 3 铁硫蛋白 iron sulfurprotein Fe S 铁硫蛋白 铁硫蛋白 简写为Fe S 是一种与电子传递有关的蛋白质 它与NADH Q还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在 铁硫蛋白 它主要以 2Fe 2S 或 4Fe 4S 形式存在 2Fe 2S 含有两个活泼的无机硫和两个铁原子 铁硫蛋白通过Fe3 Fe2 变化起传递电子的作用 4 泛醌 简写为Q 或辅酶 Q CoQ 它是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 泛醌 辅酶 Q 的功能 Q 醌型结构 很容易接受电子和质子 还原成QH2 还原型 QH2也容易给出电子和质子 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 5 NADH 泛醌还原酶 简写为NADH Q还原酶 即复合物I 它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原 所以它既是一种脱氢酶 也是一种还原酶 NADH Q还原酶最少含有16个多肽亚基 它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白 FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子 形成还原型FMNH2 还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q NADH Q还原酶NADH Q H NAD QH2 NADH 泛醌还原酶 6 泛醌 细胞色素c还原酶 QH2 cyt c 简写为QH2 cyt c还原酶 即复合物III 它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物 其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c cyt c 的还原 QH2 cyt c还原酶QH2 2cyt c Fe3 Q 2cyt c Fe2 2H QH2 cyt c还原酶由9个多肽亚基组成 活性部分主要包括细胞色素b b562 b566 和c1 以及铁硫蛋白 2Fe 2S 由于QH2是一个双电子载体 而参与上述反应过程的其它组分 如cyt c 都是单电子传递体 所以 实际反应情况比较复杂 QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白 传递给cyt c 本身形成半醌自由基 QH 另一个电子则传递给cyt b 还原型cyt b可以将QH 还原成QH2 其结果是通过一个循环 QH2将其中的一个电子传递给cyt c 具体传递过如下 QH2 2Fe 2S C1 C 还原型 第一个分子 e Q 氧化型 Q bL b566 bH b562 Q Q e e e QH2 e 2Fe 2S e e C1 e C e 还原型 第二个分子 Q 氧化型 Q bL b566 bH b562 Q QH2 e e e 第一阶段 第二阶段 2QH2 2Q 2Q e e e C C Q Q b e b e Q QH2 e 总反应 QH2 Q 2C e 反应 Q循环 的结果 7 细胞色素 简写为cyt 是含铁的电子传递体 辅基为铁卟啉的衍生物 铁原子处于卟啉环的中心 构成血红素 各种细胞色素的辅基结构略有不同 线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a a3b c和c1等 组成它们的辅基分别为血红素A B和C 细胞色素a b c可以通过它们的紫外 可见吸收光谱来鉴别 细胞色素主要是通过Fe3 Fe2 的互变起传递电子的作用的 细胞色素c cyt c 的结构 它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体 位于线粒体内膜外表 属于膜周蛋白 易溶于水 它与细胞色素c1含有相同的辅基 但是蛋白组成则有所不同 在电子传递过程中 cyt c通过Fe3 Fe2 的互变起电子传递中间体作用 细胞色素c氧化酶 简写为cyt c氧化酶 即复合物IV 它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物 由12个多肽亚基组成 活性部分主要包括cyta和a3 cyta和a3组成一个复合体 除了含有铁卟啉外 还含有铜原子 cytaa3可以直接以O2为电子受体 在电子传递过程中 分子中的铜离子可以发生Cu Cu2 的互变 将cyt c所携带的电子传递给O2 细胞色素c氧化酶 8 琥珀酸 Q还原酶 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 复合物II 催化下 将两个高能电子传递给Q 再通过QH2 cyt c还原酶 cyt c和cyt c氧化酶将电子传递到O2 琥珀酸 Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物 它比NADH Q还原酶的结构简单 由4个不同的多肽亚基组成 其活性部分含有辅基FAD Cytb560和铁硫蛋白 琥珀酸 Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原 3 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 抑制剂 抗霉素A 氰化物 CO 叠氮化合物 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 ADP Pi 能量 ATP AMP PPi 能量 ATP 1 ATP的生成 1 底物水平磷酸化 在被氧化的底物上发生磷酸化作用 2 电子传递体系磷酸化 电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水 同时伴有ADP磷酸化为ATP的过程 NADH FMN CoQ b c1 c a a3 O2 3ADP 3ATP P O比值 在电子传递体系磷酸化中 在一定时间内所消耗的氧 以克原子计 与所产生的ATP数目的比值 NADH的P O 3 FADH2的P O 2 在实验的基础上 总结出电位差不同和自由能的关系可由以下公式计算 能量 电池所做的功 电位差 电量 G nF E G nF E0 G代表标准自由能 n为电子转移数 F为Farady常数96 49kJ V 或23 062kcal Vmol 1kcal 4 184kJ E0为电位差值 G 以KJ mol计 细胞色素ao2 G 2 23 062 0 816 0 29 2 23 062 0 52 99 9kJ mol在标准情况下 ATPADP Pi从 G 的计算也可推断氧化磷酸化的耦联部位 O o 2 1 o ATP水解释放标准自由能30 54KJ mol ATP合成吸收标准自由能30 54KJ mol o 2 胞液中NADH的氧化磷酸化 呼吸链 生物氧化与氧化磷酸化都是在线粒体内进行的 线粒体的主要功能是氧化供能 线粒体具有双层膜的结构 外膜的通透性较大 内膜有较严格的透过选择性 通常通过外膜与细胞浆进行物质交换 已知道糖酵解作用是在胞浆中进行的 在真核生物胞液中的NADH不能通过正常的线粒体内膜 要使糖酵解产生的NADH进入呼吸链氧化生成ATP 必须通过较复杂的过程 据现在了解 线粒体外的NADH可将其所带的 转交给某种能透过线粒体膜的化合物 进入线粒体内后再氧化 能完成这种穿梭任务的化合物有甘油 磷酸与苹果酸等 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 NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 甘油 磷酸脱氢酶 胞液 甘油 磷酸脱氢酶 线粒体 胞液或线粒体膜间隙 糖酵解产生 在肌肉和神经组织中发生下反应 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 苹果酸 天冬氨酸转运NADH系统 苹果酸脱氢酶 胞质中 苹果酸脱氢酶 线粒体中 肝 肾 心等组织发生下列反应 线粒体内膜 胞液或线粒体膜间隙 线粒体的结构 线粒体横切结构模式图 F1 头部 线粒体内膜 线粒体内膜内侧 线粒体内膜外侧 F0 基部 颈部 合成酶 ATP 氧化磷酸化作用机理 线粒体内膜的功能概括为三个方面 每种反应都限制在线粒体内膜的一定部位 1 第一方面是丙酮酸以及脂肪酸氧化为CO2 同时使DNA 和FAD 还原为DNAH和FADH2 上述过程发生在线粒体基质或面向基质的内膜蛋白质上 2 第二方面是电子从DNAH和FADH2传至线粒体内膜上 并同时形成跨膜质子泵 膜内外H 浓度差 3 第三方面是将贮存于电化学质子梯度的能量由内膜上的ATP合成酶 F0F1ATPase 复合体合成ATP 氧化磷酸化作