6、生物能学和生物氧化.ppt

1、1,第6章 代谢总论及生物能,6.1 新陈代谢的概念及研究方法 6.2 高能磷酸化合物 6.3 生物氧化,2,6.1 新陈代谢的概念及研究方法,一、新陈代谢概念、实质及功能 (代谢 Metabolism ),新陈代谢: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。包括：分解、合成、能量转化等。 实质： 错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围转环境高度适应而成的一个有规律的总过程。,3,一、新陈代谢概念、实质及功能,代谢的功能： 从环境中获得营养 转变为自身需要的结构元件 装配成自身的大分子 形成或分解生物特殊功能所需的生物分子 提供生命所需的一切能量,4,区别几个概念：,新陈代谢

2、 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 代谢中间产物 代谢过程中连续转变的酶促产物 中间代谢 新陈代谢途径中的个别环节、个别步骤 主要代谢途径 代谢网络中一些具有共同规律的途径,5,类型,同一种物质，分解代谢和合成代谢选择不同的途径，使代谢增加了灵活性和应变能力。 同一种物质的两种过程并非都是在细胞的相同部位进行。 两用代谢途径。,6,二、新陈代谢的特点与调节,7,A metabolic map, By D.E. Nicholson, University of Leeds, U.K.,8,1.新陈代谢的特点,步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性。 各代谢途径相互交接 ，

3、形成物质与能量的网络化交流系统。 精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和能量。 各代谢途径之间存在许多重复出现的基元。 在温和条件下进行(由酶催化)。,9,2. 新陈代谢的调节,分子水平（反应物、产物） 细胞水平（反应的定位,代谢途径分隔控制） 整体水平（激素和神经调节，合理分工安排） 基因表达的调控,10,三、新陈代谢的研究方法,（一）体内、体外研究方法,1、体内研究 是指生物体在正常生理条件下，在神经、体液等调节机制下研究代谢过程，比较接近生物体的实际情况。体内试验为物质中间代谢过程的明确提供了重要的依据。例如，脂肪酸的-氧化学说就是通过体内试验提出的。 2、体外研究 离体器官；组织切片

4、；组织匀浆为细胞、细胞器、及细胞抽提物来研究。例如：TCA、鸟苷酸循环等。,11,（二）同位素示踪法,12,（三）代谢途径阻断法（使用酶的抑制剂）,13,通过研究与某个不正常的酶有关系的基因的突变也可以提供有价值的信息，某些突变是致死的，不能传给下一代，而有些突变是后代容忍的。对这些突变的生物体的研究有助于鉴别出代谢途径中的酶和中间代谢物。,（四）利用基因突变研究代谢,14,（五）NMR法(Nuclear Magnetic Resonance：核磁共振）,15,6.2 生物能及高能化合物,（一）生物能,概念：是一种能够被生物细胞直接利用的特殊能量形式。 化学本质：是存储于ATP分子焦磷酸键中的

5、化学能。,一般将水解时能够释放 20.9 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 高能键：在分子中用“”表示,（二）高能化合物,16,1. 常见的高能键及高能化合物,2.高能磷酸化合物,（1）ATP （2）磷酸肌酸、磷酸精氨酸,17,(1)磷氧键型（-OP),酰基磷酸化合物,磷酸稀醇式化合物,焦磷酸化合物,磷酸稀醇式丙酮酸,无机焦磷酸,18,(2)氮磷键型(-NP),胍基磷酸化合物,19,(3)硫酯键型(-CS或-O S),20,(4)甲硫键型(CH3 S),21,（1）ATP,瞬时自由能供体，不是能量存储形式。,ATP、ADP和Pi在细胞内处于动态平衡状态，ATP

6、、ADP循环速率非常快。,22,ATP的特殊作用,ATP末端磷酸基团水解可以释放能量，通过酶和其它生物化学反应相偶联，使多数不能自发进行的反应得以顺利进行。 ATP与其它高能磷酸酯类化合物的相互转换补充，成为细胞需能活动的自由能供体库。几乎所有的生物需能反应都由ATP释放能量来驱动。 ATP在能量代谢过程中起着“共同中间体作用”，是能量的中转站或偶联者。 能量代谢实质：ATP的形成与裂解。,23,ATP与需能生化反应的偶联,ATP水解释放的能量，可推动一个在热力学上不利的反应，使之能够顺利进行。,24,“共同中间体作用”，传递能量,25,ATP的利用,ATP在能量代谢中的偶联作用,26,磷酸肌

7、酸、磷酸精氨酸的贮能作用,27,(2)磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用,磷酸肌酸素有ATP缓冲剂之称; 人体肌肉中磷酸肌酸的含量以及再生合成的速度是运动员素 质的物质基础。,28,基团转移反应 氧化反应和还原反应 消除、异构化及重排反应 碳-碳键的形成与断裂反应,代谢中常见的有机反应机制,29,代谢中常见的有机反应机制,基团转移反应 亲电子基团从一个亲核体转移到另一处亲核体上，如酰基、磷酸基、葡糖基的转移等。,酰基化合物-X,四面体中间产物,酰基化合物-Y,胰蛋白酶水解肽键就是一个典型例子,30,代谢中常见的有机反应机制,磷酰基转移反应在代谢中具有特殊意义：活化代谢中间物。,31,氧化-还原反应

8、 即电子的得失反应，在代谢中非常多，如NAD+形成NADH，FAD形成FADH2。,电子受体,电子供体,代谢中常见的有机反应机制,电子受体,电子供体,32,代谢中常见的有机反应机制,多数生物氧化中，化合物失去2个质子和2个电子，这些反应统称为脱氢反应，对应的酶称为脱氢酶。,烷烃,醇基,醛基,羧酸,33,代谢中常见的有机反应机制,消除、异构化和重排反应 消除反应，如C=C的形成； 异构化反应，如醛糖与酮糖的异构反应； 分子重排反应，如L-甲基丙二酰单酰辅酶A经甲基丙二酰单酰辅酶A变位酶作用变成琥珀酰辅酶A。,葡萄糖,果 糖,34,代谢中常见的有机反应机制,碳-碳键的形成或断裂反应 这类反应主要有

9、羟醛缩合反应（糖代谢中）、克莱森酯缩合反应（合成柠檬酸反应）、-酮酸的氧化脱羧（异柠檬酸脱氢酶催化的脱羧）反应。,35,6.3 生物氧化-电子传递与氧化磷酸化,一、生物氧化的概论 二、生物氧化的方式 三、生物氧化的产物,36,1、生物氧化概念、类型 概念：有机物质（糖、脂肪、蛋白质等）在生物体内被氧化分解成 CO2和水，并释放出能量的过程。 细胞氧化、呼吸作用、细胞呼吸、组织呼吸。,一、生物氧化概论,37,三大物质氧化分解的三个阶段,38,有机营养物质经生物氧化分解的最终产物是 二氧化碳和水，与体外氧化反应一样，但它有自身的特点：,2、生物氧化的共性和特点,特点： 生物氧化是在活细胞内、温和的

10、生理条件下进行的。 生物氧化一般都是在一系列酶、辅酶和中间传递体的作用下逐步进行的。,39,能量主要在氢的氧化过程中逐步释放，这样不会因为氧化过程中能量骤然释放而损害机体，同时使释放的能量得到有效的利用。 生物氧化释放的化学能可转化成高能键形式的生物能，通常都先贮存在一些特殊的高能化合物如ATP中，供应生化反应、生理活动需要。 生物氧化有严格的细胞定位。在真核生物细胞内，生物氧化都在线粒体内进行，在不含线粒体的原核生物细胞内，生物氧化则在细胞膜上进行。,2、生物氧化的共性和特点,40,二、生物氧化的方式,1. 失电子氧化反应,41,2. 加氧氧化反应,苯丙氨酸,酪氨酸,42,3. 脱氢氧化反应

11、,4. 加水脱氢氧化反应,43,三、 生物氧化的产物,44,（一）二氧化碳的生成,1氧化脱羧,2非氧化脱羧,45,（二）生物氧化中水的生成,递氢体：FMN、FAD、NAD、NADP、辅酶Q； 递电子体：铁硫蛋白、细胞色素。,46,二、生物氧化中水的生成,脱氢酶,氧化酶,M H2,M,递氢体,递氢体 H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoQ,递电子体还原型,递电子体 氧化型,Fe-S， Cyt b, c1, c, aa3,2H+,2e, O2,O2-,H2O,H2O,47,1、呼吸链（电子传递链）,在生物氧化过程中，代谢物上的氢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

12、氧分子，而生成水的全部体系称呼吸链。 原核细胞电子传递发生在质膜上，真核细胞电子传递发生在线粒体内膜上。,线粒体图示,48,2、呼吸链的组成,呼吸链上流动的电子载体： NADHQ 还原酶 () 琥珀酸-Q还原酶() 细胞色素还原酶() 细胞色素氧化酶() 辅酶Q、细胞色素c 能够当做质子泵的复合体：、； 含Fe-S蛋白的复合体：、。,49,三种铁硫蛋白（非血红素铁蛋白）的形式：,50,（1）复合物I NADHQ 还原酶（NADH脱氢酶）,电子传递 NADH FMN Fe-S 辅酶Q,51,（2）复合物II 琥珀酸-Q还原酶,FADH2 铁硫聚簇 辅酶Q FADH2+ COQ COQH2 + F

13、AD,52,（3）复合物III （细胞色素还原酶、细胞色素bc1复合体、bc1 ）,细胞色素：是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。 复合物III含细胞色素b、细胞色素c1、铁硫蛋白。 催化电子从QH2传递到细胞色素c、细胞色素还原酶、血红素辅基中的铁原子，在电子传递中发生可逆的2价Fe2+和3价Fe3+的变化催化。,53,（4）复合物IV （细胞色素氧化酶）,结构：四个氧化还原中心; 还原型的细胞色素c 血红素a 血红素a3。,血红素a3-CuB聚簇,血红素a-CuA聚簇,54,3、呼吸链电子传递成员的排列顺序,传递电子的顺序按照它们的氧化还原电势大小排列呼吸链中NAD+/NADH的E0

14、值最小，而O2/H2O的E0值最大，电子的传递方向是从NADH 到O2。,55,根据接受氢的初受体不同，典型的呼吸链有两条NADH呼吸链和FADH2呼吸链。,56,4. 电子传递的抑制剂 P128,能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质称为电子传递抑制剂。 （1）ADH C0Q 鱼藤酮，安密妥，杀粉蝶菌素。 （2） QH2 c1 抗酶素A。 （3）aa3 O2 氰化物、叠氮化物、一氧化碳等。,57,四、氧化磷酸化作用,（一）高能磷酸化合物ATP的生成 光合磷酸化、底物水平磷酸化、氧化磷酸化。 1、光合磷酸化 植物叶绿体或者光合细菌的载色体利用光能从ADP和无机磷酸合成ATP的过程。,58,2、

15、底物水平磷酸化 底物的磷酸化是指ATP直接由一个代谢中间物上的磷酸基团转移到ADP分子而形成。,59,ATP生成部位： P/O比： 电子经过呼吸链的传递作用最终与氧结合生成水，在此过程中所释放的能量用于ADP磷酸化生成ATP。经此过程消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷酸的分子数（即生成ATP的分子数）为。 是一对电子通过呼吸链到氧所产生的ATP分子数。,ATP,ATP,ATP,NADH 2.5ATP,02,02,FADH2 1.5 ATP,3、氧化磷酸化作用 指直接与电子传递相偶联由ADP形成ATP的磷酸化作用。,60,（二）氧化磷酸化作用机制,化学渗透假说,化学渗透假说：电子传递的自由能驱动H

16、+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成了跨线粒体内膜的质子电化学梯度。这个梯度的电化学电势就驱动了ATP的合成。,最直接的证据是纯化得到了F1/F0 ATP合酶。,61,ATP合酶系统（Fo/F1 ATP酶）,作用：在电子传递过程中利用跨线粒体内膜的质子电化学梯度驱动ATP的合成。,Peter Mitchell,62,三、胞液中的NADH 的再氧化,肌肉、神经组织中的甘油-磷酸穿梭作用（1.5 ATP）。 肝、肾、心等组织的苹果酸穿梭作用（2.5 ATP）。 生物意义：使细胞溶胶中的NADH逆浓度梯度转运到线粒体内膜进入电子传递进行氧化。,63,1、肌肉、神经组织中的甘油-3-磷酸穿梭作用,NADH NAD,二羟丙酮磷酸 甘油-3-磷酸,二羟丙酮磷酸 甘油-3-磷酸,FADH2FAD,NAD