新陈代谢总论与生物氧化

第八章新陈代谢总论与生物氧化,新陈代谢总论,1.新陈代谢：代谢：活细胞中所有化学变化的总称。泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程，是生物体物质代谢与能量代谢的有机统一，代谢是动态的。,1.新陈代谢,2.合成代谢与分解代谢,合成代谢：一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。太阳能是生物体能量的最终来源，合成代谢消耗能量。分解代谢：则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质：CO2、H2O、NH3等的过程，分解代谢释放能量。,3.中间代谢,中间代谢：指代谢中的一系列的酶促反应。通过这些反应，营养物质发生转变，释放出细胞或机体生长和维持所需的能量。代谢反应中任一反应物、中间物或产物，都称为代谢物。,新陈代谢的特点,(1).代谢途径相似：生物的代谢体系是在长期进化过程中逐步形成和完善的。生物体之间的差异虽然很大，但一些基本的代谢过程却十分相似；(2).反应步骤繁多，但具有严格的顺序性；(3).反应条件温和；(4).严格调节；(5).特定区域。,代谢的研究方法,1.活体内(invivo)与活体外实验(invitro)整体法：中间代谢研究时用生物整体进行研究，这类研究称为体内研究，用一个拉丁语，invivo，意即“在体内”表示。,整体法,组织提取法,组织提取法：整体器官，或微生物细胞群的研究。至于切片、匀浆、提取液作为研究材料，进行研究时则称为invitro，意即“在体外”、“在试管内”。,代谢的研究方法,2.同位素示踪法：将含有放射性同位素的物质参与代谢反应，测试该基团在不同物质间的转移情况，来认识代谢过程；3.自由能判断（逻辑判断）：通过不同物质间标准自由能的比较进行逻辑判断；4.代谢途径阻断法；5.突变体研究法。,高能化合物,高能化合物的概念及其类型1.概念：将水解时释放大量自由能的化合物称为高能化合物。2.类型：机体内高能化合物的种类是很多的，根据其键型的特点分为以下几类：,高能磷酸化合物,ATP的特殊作用,ATP在一切生物的生命活动中都起着重要作用，在细胞的细胞核、细胞质和线粒体中都有ATP存在。ATP作为磷酸基团共同中间传递体的作用，ATP在能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者。,供给机体生命活动所需的能量,2004.1,生物氧化,生物氧化,一、概念,能量+H2O+CO2,生物体,营养物（糖、脂、蛋白质）,O,意义：提供各种生命活动所需的能量，维持体温.,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）,共同中间产物进入三羧酸循环,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,生物氧化的三个阶段,2004.1,生物氧化,二、生物氧化特点：生物氧化体外燃烧温和环境（37C近中性）条件剧烈，高温、高压需酶催化，使有机物氧化分解不需酶催化CO2是有机酸脱羧生成的碳和氧直接化合生成CO2有机物脱下的氢,经呼吸链生成H2OH2O为灭火剂逐步释放能量并形成ATP能量以光和热形式骤然放出,2004.1,生物氧化,生物氧化方式,一、生物氧化中CO2的生成方式(有机酸在酶的催化下脱羧产生CO2),1.单纯脱羧,2004.1,生物氧化,2.氧化脱羧,H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。,例：,12O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,2004.1,生物氧化,是定位在线粒体内膜上的一组排列有序的递氢体和递电子体(酶与辅酶)构成的链状传递体系,也称电子传递链,呼吸链（respiratorychain）,2004.1,生物氧化,(一)呼吸链主要成员及其作用,烟酰胺脱氢酶类NAD黄素蛋白类铁硫蛋白（Fe-S）泛醌（CoQ）细胞色素类（Cyt）,2004.1,生物氧化,烟酰胺脱氢酶类（nicotinamidedehydrogenases）NAD+(COI)辅酶NADP+(CO)作用:递氢体NAD+MH2+e=NADH+H+功能部位：吡啶环,2004.1,生物氧化,黄素脱氢酶类(flavinproteinases)FMN：黄素单核苷酸；FAD：黄素腺嘌呤二核苷酸FMN-FMN作为NADH脱氢酶的辅基;(1)辅基FAD-作为琥珀酸脱氢酶的辅基;作用:递氢体反应：MH2+酶-FMN=M+酶-FMNH2MH2+酶-FAD=M+酶-FADH2,2004.1,生物氧化,CH2-S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,Fe,S,CH2-S,S-CH2,S-CH2,3.铁硫蛋白类(iron-sulfurproteins,Fe-S),2004.1,生物氧化,在呼吸链中：FMN(Fe-S)存在形式FAD(Fe-S).b(2)作用:递电子体递电子机理Fe3+Fe2+,and,Cyt.b.C1(Fe-S),等复合物形式,e,e,2004.1,生物氧化,FMNH2,CoQ2H,2e,2H+,传递给一系列Cyt类进一步传递,在呼吸链中,（Fe-S）,FADH2,（Fe-S）,4.辅酶Q（ubiquinone,CoQ10,Q10）醌类化合物,CoQ处于呼吸链的中心地位,2004.1,生物氧化,5.细胞色素类(Cytochromes,Cyt.)作用：参与电子传递方式：Fe的价位变化分类：根据吸收光谱特征Cyt.b、c1、c、a和a3存在于线粒体内膜,作为呼吸链成员,电子传递顺序：Cyt.b、c1、c、a、a3、1/2O2,电子从氧化还原电位由低向高移动,2004.1,生物氧化,Cytb、c1、c、a、Cyta3不能与O2和可与O2也可与CO、CN-等结合，CO和CN-结合Cyta3:通过与氧结合，可将电子直接传递给氧，Cyta3被称为细胞色素氧化酶Cyta3：当与CO或CN-结合，使呼吸链中断。,2004.1,生物氧化,复合物I：NADH脱氢酶复合物,复合物：细胞色素bc1复合物,复合物：细胞色素氧化酶,复合物：琥珀酸-CoQ还原酶,呼吸链的复合体：4种,NADH呼吸链,FADH2呼吸链,呼吸链的复合体：4种P211,2004.1,生物氧化,CoQ,Cytc,琥珀酸-CoQ还原酶,CoQ-Cytc还原酶,琥珀酸等,O2,线粒体呼吸链四大复合体,复合体I,FMN(Fe-S),复合体,FAD(Fe-S).b,复合体,Cyt.b,C1(Fe),复合体,复合物,a.a3.Cu2+,2004.1,生物氧化,呼吸链的抑制剂,2004.1,生物氧化,(二)体内重要呼吸链NADH+H+氧化呼吸链(1)组成成员(2)排列顺序(3)产生ATP数(3分子),NADHFMNCOQCyt.bc1ca.a3O2+H+(Fe-S)(Fe-S)(Cu2+),2004.1,生物氧化,2.FADH2氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）（1）组成成员（2）排列顺序（3）产生ATP数(2分子),FADH2COQCyt.bc1ca.a3O2(Fe-S)(Fe-S)(Cu2+),2004.1,生物氧化,NADHFMNCoQCytbCytc1Cytcaa3+H+(Fe-S)(Fe-S)(Cu2+),FAD.H2(Fe-S),II,I,III,IV,琥珀酸,O2,CoQ(Q)是两条重要呼吸链的交汇点,2004.1,生物氧化,呼吸链四个复合物的电子和质子流动总图,线粒体的结构,呼吸链,ATP的生成方式-氧化磷酸化作用,伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化称为氧化磷酸化。ATP的合成的方式；底物水平磷酸化电子传递磷酸化,底物水平磷酸化,在反应过程中,由于分子内部能量重新分配，形成高能磷酸化合物，进一步将高能磷酸基转移给ADP，形成ATP。底物水平磷酸化是在发酵作用中取得能量的唯一方式，与氧气的存在与否无关。共3个反应：,底物水平磷酸化,电子传递磷酸化,概念：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式。,氧化磷酸化的偶联部位,NADH与Q之间;Ctyb与Cytc之间;Cytaa3与O2之间.,氧化磷酸化偶联机制,（1）化学渗透学说P2191978年诺贝尔奖呼吸链传递电子和质子:电子-释放的能量质子-线粒体内膜的内侧（基质侧）线粒体内膜的外侧（膜间隙侧）,MitchellP.1961提出“化学渗透假说(ChemiosmoticHypothesis)”，70年代关于化学渗透假说取得大量实验结果的支持，成为一种较为流行的假说，Mitchell本人也因此获得1978年诺贝尔化学奖。,化学渗透假说的要点,a.线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；b.在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧（膜对H+是不通透的）。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(pH)和电位梯度（）；,构象偶联假说,PBoyer1964年提出；J.Walke1994年发现ATP酶的结构。,利用质子动力势合成ATP，或水解ATP，转运质子。每个肝细胞线粒体通常含15000个ATP合酶、每个酶每秒钟可产生100个ATP。,ATP合成酶ATP合成酶状如蘑菇；分为球形的F1（头部）和嵌入膜中的F0（基部）,ATP合酶的结构模型,F1由5种多肽组成33复合体，具有三个ATP合成的催化位点（每个亚基具有一个）。和单位交替排列，状如桔瓣。贯穿复合体（相当于发电机的转子），并与F0接触，帮助与F0结合。与F0的两个b亚基形成固定复合体的结构（相当于发电机的定子）。F0由三种多肽组成ab2c12复合体，嵌入内膜，12个c亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。,质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化。ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变。,F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。,ATP酶催化ADP和Pi合成ATP的旋转模型,1979年代BoyerP提出构象耦联假说，一些有力的实验证据使这一学说得到广泛的认可。其要点如下：1ATP酶利用质子动力势，产生构象的改变，改变与底物的亲和力，催化ADP形成ATP。2F1具有三个催化位点，但在特定的时间，三个催化位点的构象不同、因而与核苷酸的亲和力不同。在L构象（loose），ADP、Pi与酶疏松结合在一起；在T构象（tight）底物（ADP、Pi）与酶紧密结合在一起，在这种情况下可将两者加合在一起；在O构象（open）ATP与酶的亲和力很低，被释放出去。3质子通过F0时，引起c亚基构成的环旋转，从而带动亚基旋转，由于亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起亚基3个催化位点构象的周期性变化（L、T、O），不断将ADP和Pi加合在一起，形成ATP。,影响氧化磷酸化的因素,1、抑制剂（1）呼吸链抑制剂：抑制电子传递,能阻断呼吸链中某些部位电子传递。如鱼藤酮、粉蝶霉素A及异戊巴比妥等与复合体中的铁硫蛋白结合，从而阻断电子传递