新陈代谢总论与生物氧化.ppt

1、,生物化学,第七章 新陈代谢总论 与生物氧化,掌握新陈代谢的概念及基本规律 掌握生物氧化的概念及生物氧化物质氧化方式,了解生物氧化中CO2生成的方式,掌握氧化磷酸化和ATP的生成途径,掌握呼吸链的概念及体内重要的呼吸链,返回,7-2 生物氧化,【目的与要求】,一、新陈代谢的一般概念,(广义)：生物体与周围环境进行的物质交换。,动物体的新陈代谢包括五个阶段：,(狭义)：活细胞内进行的一切化学反应，即中间代谢。,摄食、消化、吸收、中间代谢、排泄,7-1新陈代谢总论,消化：将食物中的大分子有机物水解成能被机体吸收利用 的小分子化合物的过程。,吸收：消化道物质透过黏膜进入血液或淋巴液的过程。,7-1新

2、陈代谢总论,二、同化作用与异化作用,新陈代谢包括同化作用和异化作用两方面的代谢过程。,1、同化作用：生物体从环境中摄取物质，经一系列的化学变化 转变为自身的物质的过程称为同化作用。同化作用消耗能量。,2、异化作用：生物体内物质经一系列化学反应，最终变成排泄物的过程。异化作用产生能量。 3、合成代谢：生物体内由小分子物质转化成大分子物质的过程，属同化作用的范畴。 4、分解代谢：生物体内由大分子物质转变成小分子物质的过程，属异化作用的范畴。,7-1新陈代谢总论,三、能量代谢,任何物质的变化都伴随着能量的变化，生物体内 能量的变化过程称为能量代谢。能量代谢与物质代 谢同时存在，不存在无物质代谢的能量

3、代谢，也不 存在无能量代谢的物质代谢。,7-1新陈代谢总论,四、各类代谢间的关系,新陈代谢,同化作用,异化作用,环境物质 体内物质,吸能反应,放能反应,生物大分子 小分子,体内物质 环境物质,能量代谢,物质代谢,分解代谢,生物小分子 大分子,合成代谢,7-1新陈代谢总论,五、新陈代谢的特点,1、反应分步进行，顺序性极强； 2、由酶催化，反应条件温和； 3、有灵敏的自动调节和对体内外环境高度适应 性的特点。,7-1新陈代谢总论,六、新陈代谢的研究方法,1.研究材料：单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体 2.研究方法：体内研究（in vivo）:用生物整体研究 体外研究（in vitro）：用切片

4、，匀浆等 研究 3.同位素示踪法:如将C14标在乙酸羧基上，同时喂养动 物，如动物呼出CO2中发现C14，说明乙酸 羧基转变CO2 4.代谢途径阻断：如用酶的抑制剂阻抑中间代谢 的某一环节,推测代谢情况.,7-1新陈代谢总论,热力学第一定律（即能量守恒定律）：指能量既不能创造也不能消灭，只能从一种形式转变为另一种形式热力学第二定律：指任何一种物理和化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵自由能：生物体（或恒温恒压下）用以作功的能量。在没有作功条件时,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。,七、生物体内能量代谢的基本规律,7-1新陈代谢总论,=H-TS ：自由能变化；H：

5、总能量变化； T：绝对温度；S：总体熵改变 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。,7-1新陈代谢总论,7-1新陈代谢总论,八、高能化合物与ATP,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。,高能化合物的类型 ATP的特点及其特殊作用,7-1新陈代谢总论,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,高能化合物的类型,7-1新陈代谢总论,（1）烯醇式磷酸化合物（例）,磷氧型高能磷酸化合物：,- 61.

6、9 kJ/mol,7-1新陈代谢总论,(2)酰基磷酸化合物（例）,- 42.3 kJ/mol,7-1新陈代谢总论,（3）焦磷酸化合物（例）,7-1新陈代谢总论,磷氮型高能磷酸化合物：,7-1新陈代谢总论,(1) 硫酯键型高能化合物 （例）,非磷酸高能化合物：,乙酰辅酶A 31.4 kJ/mol,7-1新陈代谢总论,(2) 甲硫型高能化合物 （例）, 41.8 kJ/mol,7-1新陈代谢总论,最重要的高能化合物 ATP,ATP的分子结构特点,返回,7-1新陈代谢总论,ATP是生物体通用的能量货币。 ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运

7、者，但不是能量的贮存者。,ATP在能量转化中的作用,ATP ADP AMP,Pi,Pi,G0 =7.3Kcal/mol,G0 =7.3Kcal/mol,7-1新陈代谢总论,7-1新陈代谢总论,ATP的生成和利用,ATP,ADP,机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温),生物体内能量的传递和利用都以ATP为中心。,7-1新陈代谢总论,7-1新陈代谢总论,功能：为生命活动提供能源与碳源,实质：生物细胞利用氧气对细胞内的有机物质 （糖、脂肪和蛋白质）进行氧化分解产生 CO2和H2O并释放出能量的过程。生物氧 化通常需要消耗氧，所以又称为细胞呼

8、吸、组织呼吸或内呼吸。,一、 生物氧化概述,概念：有机物在生物体内的氧化作用称为生物氧化。,7-2 生物氧化,返回,1.反应条件温和； 2.反应由酶催化，反应分步进行，顺序性 3.能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于 ATP中，能量利用率高。,特点：,生物氧化的种类：,1、根据有无氧的参与，分,有氧氧化：有O2参与，产物为CO2、H2O,底物氧化完全，产能多,无氧氧化：无O2参与，产物为乙醇、乳酸等, 底物氧化 不完 全，产能少,7-2 生物氧化,2、根据发生场所，分,线粒体氧化体系：与ATP的生成有关，产能的氧化作用， 线粒体内发生（原核生物在质膜上发生）。,微粒体氧化体系：与AT

9、P的生成无关，光滑内质网上发 生，机体对非营养 物质发生的生物转 化，与机体排毒及排出异物有关。,7-2 生物氧化,二、生物氧化物质的氧化方式,生物氧化遵循氧化还原的基本原理常见的有：,1、脱电子反应：如 Fe2+Fe3+e,而电子不能单独存在于生物体内，有物质失去电子，就有物质得到电子：,A2+,B2+,B3+,A3+,其中： A为电子供体， B为电子受体。,7-2 生物氧化,2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式,如：TCA 3: 异柠檬酸 草酰琥珀酸,NAD+,NADH+H+,FAD,FADH2,琥珀酸,延胡索酸,TCA7:,TCA9:,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NADH+H+,7-2 生

10、物氧化,3、 有机还原剂直接加氧 RH + O2 + 2H+ + 2e ROH + H2O,+,O2,OH,EMP6:,3-磷酸甘油醛,PiNAD+,NADH+H+,1、3二磷酸甘油酸,7-2 生物氧化,三、生物氧化中CO2生成的方式,基本方式： 底物脱羧基作用,-脱羧 （羧基位置） -脱羧,分类:,单纯脱羧 （不伴随脱氢）,氧化脱羧 （伴随脱氢）,返回,7-2 生物氧化,（一）单纯脱羧：1、-单纯脱羧,2、-单纯脱羧,O CH3 C COOH(丙酮酸),7-2 生物氧化,（二）氧化脱羧,1、-氧化脱羧,2、-氧化脱羧,O CH3CCOOH + CoASH + NAD+,O CH3C SCoA

11、 + NADH + H+ + CO2,COOH HCOH + NADP+ CH2 COOH(苹果酸）,7-2 生物氧化,线粒体是生物氧化的发生场所,7-2 生物氧化,四、生物氧化中水的生成,1.呼吸链的种类,2.呼吸链的组成,3.呼吸链中传递体的排列顺序,呼吸链概念:,分布于线粒体内膜，由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链，又称电子传递链。,( NADH 呼吸链和 FADH2 呼吸链),返回,7-2 生物氧化,1.呼吸链的种类,返回,2.呼吸链的组成,(1) 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,(2) NADH-Q 还原酶(黄素脱氢酶

12、类),(3) 铁硫蛋白,(4) 辅酶Q,(5) 细胞色素类,(6)琥珀酸-Q还原酶复合物,呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。,返回,7-2 生物氧化,(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,NAD+ 和NADP+的结构,NAD+：R=H NADP+：R=PO32-,(尼克酰胺核苷酸类),功能：将底物上的氢 激活并脱下。 辅酶：NAD+或NADP+,OR,7-2 生物氧化,尼克酰胺核苷酸的作用原理：,2H,7-2 生物氧化,(2) NADH-Q 还原酶（复合物）,NADH-Q 还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负

13、责传递电子和氢。 以 FMN 或 FAD 为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。 FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。 FMN FMNH2,7-2 生物氧化,NADH-Q 还原酶先与 NADH 结合并将NADH 上的两个氢转移到 FMN 辅基上， 电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。 NADH + H+ + FMN FMNH2 + NAD+,铁硫蛋白复合物,CoQ,e,e,7-2 生物氧化,辅酶FMN传递电子的过程：,7-2 生物氧化,复合物的结构与电子传递过程,7-2 生物氧化,NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：,M,MH2,NAD+,NADH2,FMN,FMNH2

14、,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2(Fe-S),CoQH2,CoQ,2H+,2H+,NADH-Q还原酶,泵到线粒体内膜外侧,7-2 生物氧化,铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以 (Fe- 4S ) (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇 与蛋白质结合称为铁硫蛋白。,(3)铁硫蛋白,7-2 生物氧化,铁硫聚簇通过Fe3+ Fe2+ 变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.,7-2 生物氧化,(4)辅酶Q,（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶),如： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰

15、-CoA脱氢酶等,是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。 功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q (醌型结构) 很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。,7-2 生物氧化,(5)细胞色素还原酶,（细胞色素bc1复合体、复合体）,含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。 细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：,QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c,cytbc1,7-2

16、 生物氧化,细胞色（cytochrome,cyt）,是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、 b、 c 、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是血红素，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。 细胞色素主要是通过辅基中Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。,7-2 生物氧化,细胞色素中的血红素,7-2 生物氧化,QH2将电子传给cytbc1,7-2 生物氧化,（6）细胞色素c,在复合体III和之间传递电子。（细胞色素c 交互地与细胞色素还原酶的C1和细胞色素氧化酶接触） 是唯一能溶于水的细胞色素,7-2 生

17、物氧化,(7)细胞色素氧化酶,（复合体、细胞色素c氧化酶）,由 cyt.a和a3 组成。复合物中除了含有铁卟啉外，还含有2个铜原子（CuA，CuB）。Cyta与CuA相配合，cyta3与CuB相配合，当电子传递时，细胞色素的Fe3+ Fe2+间循环，同时Cu2+ Cu+间循环，将电子从cytc直接传递给O2。也叫末端氧化酶。,7-2 生物氧化,The electron path in complex IV,7-2 生物氧化,(7) 琥珀酸-Q还原酶（复合体）,琥珀酸脱氢酶也是此复合体的一部分，其辅基包括FAD和Fe-S聚簇。 琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸氧化为延胡索酸，同时其辅基FAD还原为FADH

18、2，然后FADH2又将电子传递给Fe-S聚簇。 最后电子由Fe-S聚簇传递给琥珀酸-Q还原酶的辅酶CoQ。,7-2 生物氧化,7-2 生物氧化,3.呼吸链中传递体的排列顺序：,(3)利用呼吸链抑制剂,(1) 测各组分氧化还原电位（E0）递增,研究方法,(2) 呼吸链复合物重组,返回,7-2 生物氧化,（1）呼吸链中电子传递方向是从E0值小向大方向传递, E0越小，越易失去电子，处于呼吸链的前面，反之，E0越大，越易得到电子，处于呼吸链的后面。 当电子从E0 值小的物质传到E0值大的物质时，伴随着自由能的降低，即有热量放出: G0= nFE0 = nF （E0受体 E0 供体） 其中：n 是转移

19、的电子数，F 是法拉第常数。,7-2 生物氧化,返回,呼吸链中各氧化还原对的E0值,7-2 生物氧化,（2）呼吸链复合物重组,NADH FMN（Fe-S） CoQ Cytb、c1 Cytc Cytaa3 O2 （Fe-S） （Cu2+） FAD（Fe-S） 琥珀酸,7-2 生物氧化,（3）电子传递抑制剂：凡能够切断呼吸链中某一部位电子流的物质，称为呼吸链电子传递抑制剂。有：,鱼藤酮、安密妥：抑制电子从NADH到辅酶Q的传递 ； 抗霉素A：抑制细胞色素b到c1之间的电子传递; 氰化物、叠氮化物、一氧化碳：抑制电子从细胞色素aa3到氧的传递。,返回,7-2 生物氧化,五、氧化磷酸化作用与ATP的生

20、成,1、氧化磷酸化的概念,2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）,3、氧化磷酸化的作用机制,5.呼吸链的加强、抑制和解偶联,4、磷氧比值,返回,7-2 生物氧化,1、氧化磷酸化的概念：生物体通过生物氧化产生的能量,除一部分用以维持体温外,大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中.这种伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化称为氧化磷酸化作用。,2、氧化磷酸化方式(即ATP的生成方式）,1) 电子传递体磷酸化,2) 底物水平磷酸化,返回,7-2 生物氧化,(1)电子传递体系的氧化磷酸化,(也称氧化磷酸化),定义：呼吸链电子传递过程中释放的能量，在ATP合酶的催化下，使ADP磷酸化成ATP的

21、过程，由于代谢物的氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联进行，故称为氧化磷酸化。,呼 吸 链,能,氧化,磷酸化,偶 联,H2O,7-2 生物氧化,氧化磷酸化,呼吸链,线粒体,胞液,7-2 生物氧化,（2）底物水平磷酸化,定义：由底物分子因脱氢或脱水而使分子内部能量分配产生的高能磷酸键（或高能硫酯键），在激酶作用下将高能键上的键能直接转移给ADP（或 GDP）而生成 ATP（或 GTP）的反应，称为底物水平磷酸化。,例如:,糖酵解过程,每次底物磷酸化产生一个ATP,7-2 生物氧化,糖酵解过程的底物磷酸化:,3-磷酸甘油酸,这是糖酵解 中第一次 底物水平 磷酸化反应,7-2 生物氧化,糖酵解过程的底物

22、磷酸化:,丙酮酸激酶 (Mg2+, K+ ),糖酵解中第二次底物 水平磷酸化反应,7-2 生物氧化,3、氧化磷酸化的作用机制,化学渗透假说,H+,H+,e,ADP +Pi,ATP,内外膜间隙,内膜,线粒体基质,电子传递给氧释出的能量推动质子泵,H+被泵至线粒体内外膜间隙，在内膜两侧形成 化学梯度（势能）,当H+顺梯度回到基质面时，释出的能量使ADP磷酸化为ATP,返回,7-2 生物氧化,因提出氧化磷酸化偶联机制：化学渗透学说而在1978年获诺贝尔化学奖的Peter D Mitchell,7-2 生物氧化,4、磷氧比值 :,P/O值：是指某物质氧化时每消耗1mol氧所消耗 无机磷的mol数。,实质：每消耗1mol原子氧所产生的ATP的mol数。,两类呼吸链的磷氧比（真核细胞）： NADH呼吸链：2.5 FADH2呼吸链：1.5,返回,7-2