第八章代谢总论与生物氧化-PowerPointPres

1、本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。1.狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢。这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容。2.广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 合成代谢 分解代谢 物质代谢能量代谢新陈代谢新陈代谢图解（同化作用）（异化作用）小分子

2、 大分子需要能量释放能量大分子 小分子PS1EA2EB3EC4ED5E 式中S代表代谢底物，P代表产物，E代表酶。从S到P之间的一系列过渡产物称为中间产物。底物、中间产物、终产物统称为代谢物。不同代谢途径所具有的相同的中间产物称为公共中间产物。通过公共中间产物可实现途径间的互相联系，调节代谢物质的流向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 1.活体内实验（整体实验） 用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验。 实验结果代表生物体在正常生理条件下整

3、体代谢情况，比较接近生物体的实际。 典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。O O2 2（2）同位素标记法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。 同位素种类：稳定同位素和放射性同位素。二者区别：是否衰变、是否有射线。 常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。 用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪定量测定，也可用超离心法分离鉴定。 根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。优点：1）同位素标记法特异性强，

4、灵敏度高，测定方法简便。2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方便、灵敏，应用更普遍。缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，所以需要在专门的同位素实验时进行。4.测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。例如：糖代谢途径中的特征酶：EMP途径：醛缩酶HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶TCA途径：柠檬酸合成酶5.核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR） 核磁共振谱可反映分子中各个原子所处的状态。由布洛赫和巴塞尔于1948年建立，因此获得1952年诺贝尔奖。 应用最多

5、的有13C谱、19F谱、31P谱和15N谱。 特点：样品不受破坏，且能最真实地反映机体内的化学反应情况。本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物2eCH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：例：+CO2H2N-CH-COOHR氨

6、基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2RCH3CH2OHCH3CHONAD+ ADH+H+ 乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例：例：NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+12 O2本本本课课课件件件由由由西西西华华华大大大学学学生生生物物物工工工程程程学学学院院院车车车振振振明明明制制制作作作 nG0反应达到平衡放能，反应自发自发进行吸能，反应不能自发进行G= B A BADCRTGGln0 keqRTBADCRTGlnln0:0E E0 E0电子受体 E0电子供体电子从E0较小的物质转移到E0较大的物质是自由能降低的结果。其关系为：第五节 ATP与其它高能化合物腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AM

7、P）二磷酸腺苷二磷酸腺苷 ADP三磷酸腺苷三磷酸腺苷 ATP22a.当ATP提供能量时，在ATP远端的-磷酸基团水解为无机磷酸分子，ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷酸。ATP+H2OADP+Pi （标准自由能变化G0= -30.514kJ/mol）b.在某些情况下，ATP的和磷酸基团之间的高能键被水解（即同时水解和-磷酸基团），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol）（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应 生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要先将反应底物分子活化，其中，磷酸化是一种普遍活化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团，可作为磷酸基的

8、供体参与细胞中的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进一步参加反应。（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应 ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”的作用，故称“磷酸基团传递者”。 磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖分解为乳酸时所释放的大部分自由能，几乎都保留在这两个化合物中。在细胞中这两个化合物并不直接水解，而是通过特殊激酶作用，以转移磷酸基团的形式，将捕捉的自由能传递给ADP从而形成ATP。而ATP分子又倾向于将它的磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物，例如葡萄糖和甘油，从而生成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油

9、。其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它们水解所释放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。 GTP、UTP、CTP。 其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白质生物合成、蛋白质的寻靶、蛋白质的转运等作为推动力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。（三）其他供能核苷酸 ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用处于动态平衡中。 一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利用，故严格说来ATP不是能量的

10、贮存形式，而是传递能量的物质。细胞能量状态的表示方法：能荷（energy charge）。（四） ATP系统的动态平衡 AMPADPATPADPATP5 . 0能荷 又叫柠檬酸循环或Krebs循环。由草酰乙酸和乙酰CoA的乙酰基缩合生成柠檬酸开始，经一系列反应又生成草酰乙酸的循环过程。三羧酸酶循环一周进行两次脱羧反应和四次脱氢反应，分子的乙酰基被氧化生成分子CO2、3分子的NADHH+ 、1分子的FADH2 和1分子的GTP。 三羧酸循环是由德国科学家Hans Krebs于年提出，生物化学领域的重大成就（当时还没有同位素示踪法）。Krebs于年获得诺贝尔奖。a-a-酮戊二酸酮戊二酸草酰乙酸草酰

11、乙酸柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸琥珀酸琥珀酸辅酶辅酶A A琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸乙酰辅酶乙酰辅酶A A1.柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶2.顺乌头酸酶顺乌头酸酶3.异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶4. 酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶5.琥珀酸硫激酶琥珀酸硫激酶6.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶7.延胡索酸酶延胡索酸酶8.苹果酸脱氢酶苹果酸脱氢酶H2O草酰乙酸草酰乙酸 OCH3-C-SCoACoASHH2O柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶顺乌头顺乌头酸酶酸酶柠檬酸生成阶段柠檬酸生成阶段顺乌头酸酶顺乌头酸酶 第一步反应不可逆，柠檬酸合成酶是三羧酸循环的第一个限速酶。 重要抑制剂：氟乙酸（机理：柠檬酸合成酶

12、催化氟乙酰CoA与草酰乙酸发生缩合作用生成氟柠檬酸，阻碍TCA循环）。应用：有毒植物叶子中含有氟乙酸；杀虫剂；灭鼠药。氧化脱羧阶段氧化脱羧阶段CO2NAD+ NADH+H+ 异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶NAD+ NADH+H+CO2 酮戊二酸酮戊二酸脱氢酶脱氢酶GDPPiGTPCoASH琥珀酸琥珀酸硫激酶硫激酶 三羧酸循环中唯一一次底物水平磷酸化。GTP可直接利用，也可在二磷酸核苷激酶催化下，将高能磷酸键转移给ADP，从而生成ATP。-酮戊二酸脱氢酶系特性：1）包含三种酶（-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰转移酶和二氢硫辛酸脱氢酶）和六种辅助因子（TPP、硫辛酸、CoASH、FAD、NAD+、Mg

13、2+）。2）限速酶：受ATP、NADH和琥珀酰辅酶A的抑制。草酰乙酸再生阶段草酰乙酸再生阶段草酰乙酸草酰乙酸FAD FADH2琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶H2O延胡索酸酶延胡索酸酶NAD+NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶1.总反应式: CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP能量能量“现金现金” : 1 GTP 能 量能 量 “ 支 票支 票” : 3 NADH 1 FADH2兑换率兑换率 1：39ATP兑换率兑换率 1：22ATP1ATP12ATP2.三羧酸循环的能量计量NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe

14、-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（F AD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S） NADH（还原型辅酶）黄素蛋白酶类（flavoproteins, FP）铁-硫蛋白类（ironsulfur proteins)辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）细胞色素类（简写作Cyt）（2）黄素蛋白酶类 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为膜的组成蛋白，递氢机理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶铁-硫蛋白类FeSSSFeFeFeSSCSSCCFe3

15、+e-eFe2+辅酶H3COH3COCH3ROO CoQ(醌型或氧化型)H3COH3COCH3ROOHHHH3COH3COCH3ROHOHCoQH(半醌型) CoQH2(氢醌型或还原型)细胞色素类 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, a3 3、b, c 和c1 1等。 cyt b和cytc1 1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3 3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。传递电子机理传递电子机理： +e +

16、e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物FADH2呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 细胞色素细胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸延胡索酸2eNADH呼吸链电子传递和水的生成呼吸链电子传递和水的生成1111111.氧化磷酸化 代谢物在生物氧化过

17、程中释放出的自由能用于合成ATP，即 ADP+PiATP） 这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别有底物水平磷酸化、电子传递水平磷酸化。ADP + Pi ATP + H ATP + H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能AH2A2HNADH+H+(或 FADH2) NAD+(或 FAD)电 子 传 递 链H2O1/2 O2释 放 能 量ADP + PiATP合 成 酶ATP氧 化 过 程磷 酸 化 过 程氧化磷酸化 呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原

18、子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHNADHFADHFADH2 2 O O2 212H H2 2O OH H2 2O O例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链： P/O 3ADP+ADP+PiPi ATP ATP实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链： P/O 2 O O2 2122e-2e-ADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATPADP+ADP+PiPi ATP ATP半反应半反应E0（V） G0=-nFE0 合

19、成ATPATP需自由能51.6KJ/mol，经计算可以得知，NADP呼吸链上有三个部位可以满足这个条件，FADH2 2呼吸链上有两个部位可以满足。NADH CoQ：G0=-296.5 0.33=-63.7KJ/molCoc Cytc1：G0= -296.5 0.31=-59.8KJ/molCyta3 O2：G0= -296.5 0.58=-111.9KJ/molNADHFMNCoQCytbCytc1CytcCytaa3O2FADH2 PADP ATP PADP ATP PADP ATP（1 1）能量偶联假说）能量偶联假说 19531953年年 Edward Slater Edward Slat

20、er 化学偶联假说化学偶联假说 19641964年年 Paul Boyer Paul Boyer 构象偶联假说构象偶联假说 19611961年年 Peter Mitchell Peter Mitchell 化学渗透假说化学渗透假说19781978年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖（2 2）ATPATP合成的机制合成的机制化学渗透假说化学渗透假说( (chemiosmotic hypothasischemiosmotic hypothasis) ) 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。内膜内膜F F0 0F F1 1 ATPATP酶酶e e- -ADP+PiADP+Pi底物底物H H+ +ATPATPH H+ +H H+ +H H+ +基质基质膜间隙膜间隙电子