第七章代谢总论与生物氧化

第七章代谢总论与生物氧化第1页，课件共58页，创作于2023年2月第一节新陈代谢总论一、新陈代谢的概念生物体与外界环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程，是生物体内全部有序化学变化的总称。物质代谢：生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。能量代谢：生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。第2页，课件共58页，创作于2023年2月新陈代谢

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第3页，课件共58页，创作于2023年2月新陈代谢中有关的能源物质直接能源物质--ATP：各种生命活动所需要的能量都是由ATP直接提供的，细胞的分裂、肌肉收缩等。主要能源物质--糖类：生物体内的能量有70%由糖类氧化分解提供。主要储能物质--脂肪：在动物的皮下等处储存有大量的脂肪，在植物体内也有脂类，如花生油等。能量最终来源--太阳能：太阳能通过光合作用进入植物和部分微生物体内，再进入动物体内。第4页，课件共58页，创作于2023年2月新陈代谢的特点由酶催化，反应条件温和；诸多反应有严格的顺序，彼此协调；对周围环境高度适应。第5页，课件共58页，创作于2023年2月二、生物体内能量代谢的基本规律生物化学反应与普通的化学反应一样，也服从热力学规律。自由能：生物体在恒温恒压下用以做功的能量；可判定反应是否进行，是吸热反应还是放热反应。在没有做功条件时，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。ΔG=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]第6页，课件共58页，创作于2023年2月三、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高能化合物：随水解反应或基团转移反应能释放出大量自由能的化合物，一般指释放21kJ/mol以上自由能（G′<-21kJ/mol）的化合物。对酸、碱、热敏感。第7页，课件共58页，创作于2023年2月-28.84kJ/mol-30.5kJ/mol焦磷酸化合物烯醇磷酸化合物磷酸化合物磷氧型高能磷酸化合物-61.9kJ/mol酰基磷酸化合物-42.3kJ/mol第8页，课件共58页，创作于2023年2月磷氮型高能磷酸化合物硫酯键高能化合物非磷酸高能化合物乙酰辅酶A–31.4kJ/mol甲硫键高能化合物S-腺苷蛋氨酸–41.8kJ/mol磷酸肌酸-43.1kJ/mol第9页，课件共58页，创作于2023年2月能量的贮存形式脊椎动物肌酸磷酸：无脊椎动物：磷酸精氨酸ATP的特殊作用-30.5kJ/mol第10页，课件共58页，创作于2023年2月生物体内能量的直接供给者；ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂；ATP作用：能量的携带者或传递者，而非贮存者，能量货币。

葡萄糖+ATP葡萄-6-磷酸+ADP第11页，课件共58页，创作于2023年2月辅酶A的递能作用在代谢中起枢纽作用的重要物质第12页，课件共58页，创作于2023年2月生物氧化（BiologicalOxidation）：糖、脂、蛋白质等有机物质在细胞内氧的作用下，生成CO2和H2O并释放能量的过程。有机物质+O2

H2O+CO2+能量（ATP+热量）生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸或组织呼吸。生物氧化有严格的细胞定位：真核细胞的线粒体内膜，原核细胞的细胞膜。氢的氧化和碳的氧化是非同步进行的。第二节生物氧化一、生物氧化的含义第13页，课件共58页，创作于2023年2月直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+

CO2丙酮酸脱羧酶

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。氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+CH3CCOOH+CO2O苹果酸酶第14页，课件共58页，创作于2023年2月

H2O的生成主要通过脱氢反应来实现，代谢物脱下的氢经生物氧化作用和激活的氧结合生成水。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。第15页，课件共58页，创作于2023年2月生物氧化体外氧化反应温度37℃高温反应环境近中性水环境干燥催化剂酶无能量释放的速度缓慢、逐步快速能量释放的形式主要以生成ATP等高能化合物的形式释放热产生CO2与H2O的方式进行广泛的脱氢反应，间接得氧，脱下的氢与氧结合成水；有机酸脱羧产生CO2。氧直接与碳、氢结合，生成CO2与H2O。生物氧化的特点第16页，课件共58页，创作于2023年2月呼吸链（respiratorychain）：脱氢酶激活脱去代谢物上的氢原子经一系列传递体的传递，最后将质子和电子传递给激活氧而生成水的全部体系。由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上，一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。也被称电子传递体系或电子传递链（electrontransferchain）。二、呼吸链第17页，课件共58页，创作于2023年2月ATP合成酶线粒体的结构第18页，课件共58页，创作于2023年2月主要类型：NADH呼吸链和FADH2呼吸链。琥珀酸-CoQ还原酶ⅡFADH2NADHNADH-CoQ还原酶ⅠCoQ细胞色素c还原酶Ⅲ细胞色素cO2细胞色素c氧化酶Ⅳ甘油-3-磷酸脱氢酶FADH2脂酰辅酶A脱氢酶（FADH2）黄素蛋白ETF--ETF-CoQ还原酶第19页，课件共58页，创作于2023年2月第20页，课件共58页，创作于2023年2月呼吸链的组成烟（尼克）酰胺脱氢酶类：以NADH为辅酶的脱氢酶类；黄素脱氢酶类：以FMN或FAD为辅基的脱氢酶类；铁硫蛋白类（简写Fe-S）：一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，其作用是借助铁的价态互变进行电子传递：Fe3++eFe2+因铁硫蛋白的活性部位含有活泼的硫和铁原子（铁硫中心）。第21页，课件共58页，创作于2023年2月辅酶Q类（Q，UQ，CoQ）：电子传递链中唯一非蛋白电子载体，它不能从底物接受氢，是一种中间传递体；也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合松散的传递体（辅酶），使它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特殊灵活的电子载体起作用。第22页，课件共58页，创作于2023年2月细胞色素（cytochrome）类：一类含有血红素辅因子的电子传递蛋白的总称。A、B中的辅基与蛋白质非共价结合，C中的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。第23页，课件共58页，创作于2023年2月主要通过Fe3++eFe2+

的互变起传递电子的作用。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：

b→c1→

c→

aa3→

O2a和a3组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子，Cu+

Cu2+

的互变，将Cytc所携电子直接传递给O2。

Cytaa3可直接以O2为电子受体，又被称细胞色素c氧化酶。第24页，课件共58页，创作于2023年2月呼吸链中各传递体的顺序依据测定各电子传递体氧化还原电位的数值，按氧化还原电位由低到高顺序排列；利用电子传递抑制剂确定其顺序；通过电子传递体的体外重组实验加以验证；根据从线粒体中分离到的传递体复合体进行排序。第25页，课件共58页，创作于2023年2月MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1

+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18电子传递抑制剂：能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。各组分Eº：低高电子迁移方向：低电位高电位

∆Gº′：逐步降低放能鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO,叠氮化合物第26页，课件共58页，创作于2023年2月分离组分的体外催化反应

第27页，课件共58页，创作于2023年2月电子传递链各组份的排列顺序第28页，课件共58页，创作于2023年2月呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能第29页，课件共58页，创作于2023年2月NADH泛醌还原酶（NADH-CoQ还原酶，NADH脱氢酶，复合体Ⅰ）第30页，课件共58页，创作于2023年2月作用:

催化NADH氧化脱氢及Q还原，它既是1种脱氢酶，也是1种还原酶。NADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的1个蛋白质复合物，含有42条不同多肽链，其活性部位含有FMN辅基和铁硫蛋白。FMN的作用：接受脱氢酶脱下的电子和质子形成还原型FMNH2；还原型FMNH2通过铁硫蛋白可进一步将电子转移给Q。第31页，课件共58页，创作于2023年2月

琥珀酸-CoQ还原酶（琥珀酸脱氢酶，复合体II）电子传递的方向为：琥珀酸→FAD→Fe-S→Q复合体II是存在于线粒体内膜上的蛋白复合体，仅含4种不同蛋白质，活性部位含有FAD辅基和铁硫蛋白，催化琥珀酸的脱氢氧化和辅酶Q的还原。第32页，课件共58页，创作于2023年2月

泛醌细胞色素c还原酶（QH2-Cytc还原酶，复合体III

）第33页，课件共58页，创作于2023年2月作用：

催化还原型QH2氧化和细胞色素c还原。QH2+2Cytc(Fe3+)Q+2Cytc(Fe2+)+2H+复合体III是线粒体内膜上的1种跨膜蛋白复合体，是由2个相同单体组成的二聚体。每个单体由11种亚基组成。活性部位主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。b566b562Fe-Sc1QH2CytcCoQH2+复合体Ⅲ

4H++2eCytc第34页，课件共58页，创作于2023年2月

细胞色素c氧化酶（Cytc氧化酶，复合体IV）第35页，课件共58页，创作于2023年2月位于线粒体呼吸链末端，由13个亚基组成。活性部位主要包括Cyta和a3，两者组成一个复合体，除含铁卟啉外，还含铜原子。Cytaa3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，铜离子可以发生Cu+

Cu2+

的互变，将Cytc所携带的电子传递给O2。复合体Ⅳ+2H+CytcCuAaa3CuBCytcO2第36页，课件共58页，创作于2023年2月呼吸链电子传递示意图NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸

琥珀酸

1/2O2+2H+H2O膜间隙侧

基质侧

线粒体内膜

e-e-e-e-e-4H+4H+2H+第37页，课件共58页，创作于2023年2月三、氧化磷酸化作用氧化磷酸化（Oxidativephosphorylation）：随着放能的氧化作用而进行的磷酸化作用。ATP的生成

ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化第38页，课件共58页，创作于2023年2月底物水平磷酸化：底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布形成含高能磷酸键的中间产物，并通过酶的作用使这些中间产物中的磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。X~+ADP→ATP+XP特点：捕获能量的一种方式，在无氧呼吸中是进行生物氧化取得能量的唯一方式。和氧的存在与否无关，在ATP生成中没有氧分子参与，也不经过电传递链传递电子。第39页，课件共58页，创作于2023年2月电子传递体系磷酸化：当电子从NADH或FADH2通过电子传递体系传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化生成ATP的过程，也称偶联磷酸化。

在电子传递过程中释放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，这是生物合成ATP的基本途径之一。生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。第40页，课件共58页，创作于2023年2月P/O比：物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的mol数（或ADP的mol数），即生成ATP的mol数。NADH呼吸链：P/O比值≈2.5FADH2呼吸链：P/O比值≈1.5故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中，可分别合成2.5个、1.5个ATP。

特点：需氧生物获得ATP的一种主要方式，是生物体内能量转移的主要环节，需要氧分子的参与。真核生物氧化磷酸化过程在线粒体内膜进行，原核生物在细胞质膜上进行。第41页，课件共58页，创作于2023年2月复合体I：NADH→CoQE0’=0.360VG0’=-69.5kJ/mol复合体III：

CoQ→Cytc

E0’=0.190VG0’=-36.7kJ/mol复合体IV：Cytaa3→O2E0’=0.580VG0’=-112kJ/mol复合体II：FADH2→CoQE0’=0.085VG0’=-16.4kJ/mol呼吸链电子传递过程中的自由能变化第42页，课件共58页，创作于2023年2月当一对电子相继经过复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ时，每一步都释放出足以合成一分子ATP的自由能；但当一对电子经过复合体Ⅱ时，释放的能量不足以合成ATP，其作用仅仅是将电子由FADH2注入电子传递链。研究表明：复合体Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ不能直接合成ATP，但能通过电子传递产生自由能，将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形成跨膜的质子梯度。电子转移所释放的能量能有效地贮存在质子梯度中，跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力。第43页，课件共58页，创作于2023年2月跨膜质子转移胞质溶胶中NADH的氧化磷酸化在胞质溶胶中代谢产生的NADH，不能直接穿过线粒体内膜进入呼吸链进行有氧氧化。两种精妙的“穿梭”系统：甘油-α-磷酸穿梭系统和苹果酸-天冬氨酸穿梭系统。第44页，课件共58页，创作于2023年2月甘油-α-磷酸穿梭系统NADH+H+线粒体内膜甘油-α-磷酸FAD二羟丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O－NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O－①②①胞质溶胶甘油-α-磷酸脱氢酶②线粒体甘油-α-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶)第45页，课件共58页，创作于2023年2月苹果酸-天冬氨酸穿梭系统①胞质溶胶苹果酸脱氢酶，②线粒体苹果酸脱氢酶苹果酸草酰乙酸

谷氨酸天冬氨酸a-酮戊二酸苹果酸

谷氨酸草酰乙酸a-酮戊二酸天冬氨酸线粒体胞质溶胶内膜NADHNADHNADNADⅠⅡⅢⅣ①②第46页，课件共58页，创作于2023年2月四、氧化磷酸化作用的机制（ATP的合成机制）氧化作用（电子传递）与ADP的磷酸化作用如何偶联？三种假说：化学偶联学说、化学渗透学说和构象变化学说。化学偶联学说（chemicalcouplinghypothesis）：1953年E.Slater最先提出。电子传递产生一种高能共价中间物，随后该中间物裂解释放的能量驱动ATP合成。但在电子传递体系的磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。第47页，课件共58页，创作于2023年2月化学渗透学说（chemiosmotichypothesis）：

1961年P.Mitchell首先提出，1978年获诺贝尔化学奖。电子传递的结果把H+从线粒体的基质泵到膜间隙中形成一个跨内膜的H+梯度，这种H+梯度的渗透能（质子推动力，质力）用于ATP的生成。Z是质子电荷，F是法拉第常数∆ψ是膜电位差第48页，课件共58页，创作于2023年2月第49页，课件共58页，创作于2023年2月构象变化学说（conformationalhypothesis）：1964年P.Boyer最先提出。电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化，推动了ATP的生成。

ATP合酶（复合体Ⅴ）

1994年J.Walke等解析出了牛心线粒体F1-ATP酶的晶体结构。阐明了ATP的合成机制：结合变构模型。共享1997年诺贝