食品营养与卫生ppt课件

.,第七章新陈代谢和生物氧化,第一节新陈代谢第二节氧化磷酸化,.,（一）新陈代谢的概念,需要能量,释放能量,能量代谢,第一节新陈代谢,一.新陈代谢通论,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。,.,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。,小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,（二）新陈代谢的内涵,.,生物界能量传递及转化总过程,太阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O)+O2,(CO2)+H2O,ATP,ADP,（光能）,（电能）,（化学能）,（化学能）,（电能）,（化学能）,.,EnergyTransformations,Greenplantscanuniquelytapsunlightintheprocessofphotosynthesis.6CO2+6H2O+energyC6H12O6+6O2,Plantcellsalsocanconvertthesecarbo-hydratemoleculesintofatmoleculesand,withthepropernutri-ents,intoproteins.Animalsmustgettheirenergybyeatingplantsorotheranimalsthateatplants.,.,(三)新陈代谢的调节,分子水平细胞水平整体水平,生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。代谢调节可分为三个不同水平：,.,(四)代谢中常见的有机化学反应机制,基团转移反应氧化-还原反应消除、异构化和重排反应碳-碳键的形成与断裂反应,.,二.新陈代谢研究方法,(一).活体内(invivo)与活体外实验(invitro)(二).酶抑制剂的应用(三).气体测量法(四).核磁共振波谱法(五).利用遗传缺陷症研究代谢途径(六).同位素示踪法(七).代谢途径阻断,.,三.生物能学简介,(一)有关热力学的一些基本概念,体系、环境、状态能的两种形式热与功热力学第一定律和内能(internalenergy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy),.,(二).自由能（freeenergy）,物理意义：*(体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：G0，反应不能自发进行G=0，反应处于平衡状态。,自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。,.,(三).化学反应中自由能的变化和意义,1、化学反应的自由能变化的基本公式=H-TS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应G变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定,.,化学反应自由能的变化和平衡常数的关系,假设有一个化学反应式：aA+bB=cC+dD恒温恒压下：G=G+RTlnQc式中：G=-RTlnKeq,例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,G某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化。Qc-浓度商：,G标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。Keq-平衡常数：,.,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,达平衡时=Keq=19,解：,G=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ.mol-1,G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ.MOL-1,未达平衡时=Qc=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设G-1-P=0.01mol.L，G-6-P=0.001mol.L，求反应的G是多少？,例题：,.,化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：G=nFE,任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下式计算：0（E0）=E0正极-E0负极,生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理和原电池一样。,例：计算NADH氧化反应的G,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：0（E0）=(RT/nF)lnKeq=2.3(RT/nF)lgKeq,.,原电池示意图,E0=E0正极-E0负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V,负极反应:Zn=Zn2+2eE0Zn2+/Zn=-0.76V,正极反应:Cu=Cu2+2eE0Cu2+/Cu=+0.34V,.,例题：计算下列反应式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2eH2OE+0.82负极反应：NAD+H+2eNADHE-0.3G-nFE-2964850.82-(-0.32)-220KJmol-1,.,3、偶联化学反应G变化的可加性,在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：A=B+CG=+20.92KJ/molB=DG=-33.47KJ/mol则A=C+DG=-12.55KJ/mol,该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。,.,4、能量学用于生物化学反应中的一些规定,1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度（近似的即活度）为1.0。2、生物体标准状况的pH规定为7.0。3、G是pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制(SysteminternationalUnit，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。,.,(四).生物系统中的能流,.,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物体内能量产生的三个阶段,.,四.高能化合物与ATP的作用,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,生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。,.,高能化合物类型,.,ATP的特点,在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJmol-1,ATP3-+H2OADP2-+Pi2-+H+G-33.1kJmol-1,.,ATP的作用,作为能量载体，提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量；供给机体生命活动所需的能量；生成核苷三磷酸（NTP）；将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸（creatinephosphate）形式储存。,.,提供合成代谢或分解代谢初始阶段所需的能量,G+ATPG-6-P+ADP脂酸+CoA+ATP脂酰CoA+AMP+PPi氨基酸+ATP氨基酰AMP+PPi,.,供给机体生命活动所需的能量,.,生成核苷三磷酸（NTP）,在生物体内，除了可直接使用ATP供能外，还用使用其他形式的高能磷酸键供能，如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂的合成，GTP用于蛋白质的合成等。核苷单磷酸激酶。,.,ATP在能量转运中地位和作用,ATP是细胞内的“能量通货”ATP是生物界普遍使用的供能物质，有“通用货币”之称。ATP分子中含有两个高能磷酸酐键，均可以水解供能。ATP水解为ADP并供出能量之后，又可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成ATP循环。ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,.,.,将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸形式储存,高能磷酸键的储存与释放,磷酸肌酸（CP）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。,.,生物氧化（biologicaloxidation）：物质在生物体内的氧化，主要是指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量，最终生成CO2和H2O的过程。,第二节氧化磷酸化,生物氧化生物体内一切代谢物进行的氧化作用。,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。3.分为线粒体氧化体系(真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行)和非线粒体氧化体系。,.,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）。,（一）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。,.,（二）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、电子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,.,（三）ATP的生成方式,氧化磷酸化：代谢物脱下的氢经电子传递链与氧结合成水的同时，逐步释放出能量，使ADP磷酸化为ATP的过程。底物水平磷酸化：代谢物脱氢与ADP（或GDP）的磷酸化相偶联。,.,二.线粒体氧化呼吸链在线粒体中，由若干递氢体或递电子体按一定顺序排列组成的，与细胞呼吸过程有关的链式反应体系称为呼吸链。这些递氢体或递电子体往往以复合体的形式存在于线粒体内膜上。呼吸电子传递链（respiratoryelectron-transportchain）：由一系列可以作为电子载体的酶复合体和辅助因子构成，可将来自还原型辅酶或底物的电子传递给有氧代谢的最终电子受体分子氧（O2）。氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）：电子从一个底物传递给分子氧的氧化与酶催化的由ADP和Pi的磷酸化相偶联的过程。,.,线粒体的结构,.,线粒体,主要功能：氧化营养物，生成ATP。结构外膜：通透性较高内膜：对物质的通过有严格选择性内膜高度折叠形成嵴膜间腔基质,.,线粒体结构,线粒体结构模式图,线粒体嵴的分子组成,.,.,（一）主要的电子传递复合体,1复合体（NADH-泛醌氧化还原酶，又称NADH氧化酶）NADH氧化酶+FMN+2（Fe-S）+CoQ功能：将电子从NADH传递给CoQ辅基：FMN，铁硫蛋白,铁硫蛋白的分子结构,铁硫蛋白分子中含有由半胱氨酸残基及硫原子与铁离子形成的铁硫中心，一次可传递一个电子。,.,泛醌的分子结构,.,2复合体（琥珀酸-泛醌还原酶）琥珀酸脱氢酶+FAD+2（Fe-S）+CoQ功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基：FAD、Fe-S,.,3复合体（泛醌-细胞色素c还原酶）2Cytb+Cytc1+（Fe-S）功能：将电子从CoQ传递给Cytc组成：Cytb、Fe-S、Cytc1,.,细胞色素类：这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质。在生物氧化反应中，其铁离子可为+2价亚铁离子，也可为+3价高铁离子。通过这种转变而传递电子。细胞色素为单电子传递体。还原型细胞色素具有明显的可见光谱吸收现象，有(600,566,562,550,554nm)，(532,521,524nm)，(439,429,415,418mm)三条谱带根据吸收谱带的不同将细胞色素分为：a(600nm,439nm)；b(bL或bT：566nm；bH或bK：562nm，532nm，429nm)；c(c：550nm，521nm，415nm；c1：554nm，524nm，418nm)三类不同簇的细胞色素其分子内卟啉环上的取代基团各不相同。b型细胞色素的血红素是铁-原卟啉。c类型细胞色素的血红素和铁-原卟啉的区别是：血红素上的乙烯基通过双键与蛋白质的半胱氨酸的巯基作用，形成硫醚键与蛋白质相连。血红素a类和其他血红素的不同点是：由一个甲酰基（formylgroup）取代一个甲基；由一个15碳原子长的碳氢链取代乙烯基（vinylgroup）；血红素和蛋白质不是以共价键相连。,.,细胞色素可存在于线粒体内膜，也可存在于微粒体。存在于线粒体内膜的细胞色素有：(1)两个a型血红素，即Cyta和Cyta3（Cytaa3）；(2)两种细胞色素b类型的血红素：一种其最大吸收光谱在562nm，写作b562或b560，或bH或bK；另一种其最大吸收光谱在566nm，写作b566或bL或bT这两种细胞色素b对电子的亲合力不同，主要是由于环绕它们的多肽链环境不同；不同种来源细胞色素b的多肽链，其氨基酸数目都在380到385之间，并表现出氨基酸序列上的高度一致估计细胞色素b的多肽链有9次跨线粒体膜的弯曲，每两个弯曲之间是大于20个氨基酸的以疏水残基占优势的伸展多肽链它们可能以稳定的螺旋形式跨越脂双层膜细胞色素还原酶的两个血红素可能以配位的形式与4个组氨酸(His)残基相连(3)Cytc，Cytc1存在于微粒体的细胞色素有：CytP450和Cytb5。,.,细胞色素b的分子结构,.,4复合体（细胞色素c氧化酶）Cyta+Cyta3+CuA+CuB功能：将电子从Cytc最终传递到O2组成：Cyta、Cyta3、CuA、CuB,.,（二）呼吸链成分的排列顺序,从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)。,.,1NADH氧化呼吸链,NADH呼吸链：由复合体、及CoQ、Cytc组成.,.,2.琥珀酸氧化呼吸链,FADH2呼吸链：由复合体、及CoQ、Cytc组成.,.,三.氧化磷酸化在线粒体中，底物分子脱下的氢原子（NADH或FADH2）经递氢体系传递给氧，在此过程中释放能量使ADP磷酸化生成ATP，这种能量的生成方式就称为氧化磷酸化，也称为电子传递体系磷酸化。直接将底物分子中的高能键转变为ATP分子中的末端高能磷酸键的过程称为底物水平磷酸化。,.,底物水平磷酸化仅见于下列三个反应：,.,（一）氧化磷酸化的偶联部位通过测定在氧化磷酸化过程中，氧的消耗与无机磷酸消耗之间的比例关系，可以反映底物脱氢氧化与ATP生成之间的比例关系。每消耗一摩尔氧原子所消耗的无机磷的摩尔数称为P/O比值。(有的这样定义：一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。)NADH2.5ATP，FADH21.5ATP,ATP生成部位：三个部位由三个酶复合体催化：部位：NAD与CoQ之间，NADH脱氢酶。部位：CoQ与Cytc之间，Cytc还原酶。部位：Cyta与O2之间，Cytc氧化酶,.,电子传递链的顺序:,电子传递链中生成ATP的部位:合成1molATP时，需要提供的能量至少为G0=-30.5kJ/mol，相当于氧化还原电位差E0=0.2V。故在NADH氧化呼吸链中有三处可生成ATP，而在琥珀酸氧化呼吸链中，只有两处可生成ATP。,.,(二).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,形成高能中间产物，促使ATP生成。,结构偶联学说,Ared+Box,A*ox+Bred,A*ox+ADP+PiAox+ATP,.,目前公认的氧化磷酸化的偶联机制是1961年由Mitchell提出的化学渗透学说。这一学说认为：氧化呼吸链存在于线粒体内膜上，当氧化反应进行时，H+通过氢泵作用被排斥到线粒体内膜外侧（膜间腔），从而形成跨膜pH梯度和跨膜电位差。这种形式的“势能”，可以被存在于线粒体内膜上的ATP合酶利用，生成高能磷酸基团，并与ADP结合而合成ATP。1质子梯度的形成机制质子的转移主要通过氧化呼吸链在递氢或递电子过程中所形成的氧化还原袢来完成。每传递两个氢原子，就可向膜间腔释放10个质子。,.,电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(H+)驱动ATP的合成。,化学渗透假说(chemiosmotichypothesis),.,质子梯度的形成,.,.,化学渗透假说原理示意图,4H+,4H+,2H+,4H+,NADH+H+,2H+,3H+,3H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+,_,质子流,线粒体内膜,.,“化学渗透假说”小结(1)基本要点：电子经呼吸链传递时，可将质子(H+)从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞质侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差），以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。(2)空间位置：递氢体和电子体传递体在线粒体内膜上交替排列。(3)电子传递链在线粒体内膜中共构成3个回路，每个回路均有质子泵的作用。(4)首先由NADH提供一个H+和2个e，加上线粒体基质内一个H+使FMN还原成FMNH2。FMNH2向内膜胞质侧释放2个+，将2个e还原铁硫簇(Fe-S)。(5)第二个回路开始时Fe-S放出2个e重新被氧化，将2个e加上基质内的2个+传递给泛醌，使之还原成CoQH2。CoQH2移至内膜胞质侧释放出2个+，而将2个e交给Cytb。(6)Cytb是跨膜蛋白，1条多肽链结合2个血红素辅基，根据其吸收光谱不同分别称为Cytb566和Cytb562。还原型Cytb将2个e交还给泛醌，加上基质内的2个+又使泛醌还原成CoQH2。(7)CoQH2将2个+向胞质侧释放，2个e依次通过Fe-S，Cytc1，Cytc，Cyta，Cyta3传递给氧，并与基质内的2个+生成H2O。(8)复合体，均具有的质子泵作用。,.,2ATP的合成机制当质子从膜间腔返回基质中时，这种“势能”可被位于线粒体内膜上的ATP合成酶利用以合成ATP。,ATP合成酶的分子结构,.,Boyer和Walker的工作,英国科学家Walker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构，证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象，从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说，认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象，一种构象(L)有利于ADP和Pi结合，一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP，第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中，三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜H+提供。,.,ATP酶作用机理,ATP,有于ADP与Pi结合的构象,有于ADP与Pi生成的构象,有利于ATP释放的构象,.,ATP合酶F1段的结构,.,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.,.,ATP合酶结构示意图,定子,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.,OSCP,F1,H+通道,FO,柄,DCCD结合蛋白,基质表面,外表面,.,氧化磷酸化重建示意图,.,四、氧化磷酸化的影响因素（一）ATP/ADP比值：ATP/ADP比值是调节氧化磷酸化速度的重要因素。ATP/ADP比值下降，可致氧化磷酸化速度加快；反之，当ATP/ADP比值升高时，则氧化磷酸化速度减慢。（二）甲状腺激素：甲状腺激素可间接影响氧化磷酸化的速度。其原因是甲状腺激素可以激活细胞膜上的Na+,K+-ATP酶，使ATP水解增加，因而使ATP/ADP比值下降，氧化磷酸化速度加快。（三）药物和毒物,.,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,1呼吸链的抑制剂能够