代谢总论和生物氧化1.ppt

1、代谢总论与生物氧化,第七章,第一节 新陈代谢的有关概念,新陈代谢(metabolism) 又称为代谢，是指生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变化的总称。 生物体的一切生理现象，如生长、发育、繁殖、呼吸等等，都是代谢反应的结果。新陈代谢是生命最基本的特征，一旦代谢停止，生命也就结束了。,新陈代谢,合成代谢 （同化作用）,分解代谢 （异化作用）,能量代谢,物质代谢,生长旺盛时： 合成代谢分解代谢 成长的生物： 合成代谢分解代谢 衰老或饥饿： 合成代谢分解代谢,能量代谢 研究光能或化学能在细胞中向生物能(ATP)转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。,物质代谢 糖、

2、脂、蛋白质及核酸等类物质在细胞内发生酶促转化的途径及调控机理，包括细胞自身旧分子的分解和新分子的合成。,合成代谢 合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等。,分解代谢 分解代谢是代谢作用的分解过程，是有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、CO2和NH3等）的过程。,代谢作用中的能量关系,分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和还原的电子载体（NADH、NADPH、FADH2），其余的作为热量散失。 合成代谢需要获得能量，通常需要ATP分子磷酸酯键的转移和还原型辅酶（NADH、NADPH和FADH2）供应还原力。,代谢途径

3、细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。,S,A,B,D,C,P,e1,e2,e3,e4,e5,代谢作用的特点,代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序性。 代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所催化。 代谢作用具有高度灵敏的自我调节。 整体水平上，主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综 合调节； 细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现； 分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控 等实现。,生物的营养类型,自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源的不同，生物可分为

4、两大类型： 自养生物(Autotrophs)：可利用大气中的CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。 异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。,第二节 中间代谢的实验研究方法,1. 研究材料： 单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体 2. 研究水平： 体内研究（in vivo）：用生物体、组织器官或微 生物群体研究。 体外研究（in vitro）：用组织切片、匀浆、提取 液等研究。,核糖体，微粒体，高尔基体,线粒体，溶酶体等,细胞核，未破碎细胞,组织匀浆,600g10min,15,000

5、g5min,100,000g60min,1. 代谢平衡实验 通过体内实验研究代谢物摄入和产物排出的平衡关系。例如测定呼吸商可判断体内能量来源。,研究代谢途径的方法,R.O.,=,产CO2量（L）,耗O2量（L）,糖、脂、蛋白质等营养物质在体内氧化分解需要消 耗O2，放出CO2，CO2与O2的体积比称为呼吸商。,R.O.,糖类,1,脂肪,0.7,蛋白质,0.8,正常代谢,0.85-0.95,三大营养物质,能量来源,饥饿状态,0.7-0.8,脂肪、蛋白质,糖尿病人,0.7,脂肪,2. 代谢障碍实验 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析。若造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使

6、中间产物积累，便于探讨代谢途径历程。,造成微生物营养缺陷型 使用抗代谢物 使用专一性抑制剂抑制酶活,3. 代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。,同位素示踪法： 常用稳定同位素：2H、15N、13C、18O 常用放射性同位素：3H、32P、14C,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。,糖代谢途径的特征性酶： EMP途径：醛缩酶 HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA循环：柠檬酸合成酶,第三节 生物氧化 Biolo

7、gical Oxidation,一、概念 物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化反应的一般规律。 物质在体内、体外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2、H2O）和释放的能量均相同。,二、生物氧化的特点,生物氧化与体外氧化的相同点：,生物氧化与体外氧化的不同点：,生物氧化中CO2的生成方式：有机酸脱羧, 单纯脱羧,-单纯脱羧,-单纯脱羧, 氧化脱羧,-氧化脱羧,-氧化脱羧,生物氧化中物质氧化的方式：,加氧,RCHO + 1/2O2 RCOOH,脱氢,RCH2OH RCHO,-2

8、H,加水脱氢,CH3CHO CH3COOH,+H2O,-2H,失电子,Fe2+ Fe3+,-e,三、生物氧化的一般过程,糖原,三酰甘油,蛋白质,乙酰CoA,TAC,CO2,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,线粒体的结构：,（一）呼吸链（respiratory chain) 概念： （1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶 所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成 水； （2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜； 传递氢的酶和辅酶递氢体 传递电子的酶和辅酶递电子体 （3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。 递氢体、递电子体都起传递电子的作用，统称电 子传递体，该链又

9、称电子传递链。,四、生成ATP的氧化体系,呼吸链中的组成:,复合体 复合体 复合体 复合体 复合体,酶名称 NADH-CoQ还原酶 琥珀酸-CoQ还原酶 CoQ-CytC 还原酶 CytC 氧化酶,辅基 FMN，Fe-S FAD， Fe-S 铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，Cu,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,（1）复合物 NADH-CoQ 还原酶,结合铁硫蛋白的,辅基为FMN的黄素蛋白，42条肽链，850kD. 结合NADH,并将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.,NAD+与NADP+的结构：,NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶I NADP+:烟酰胺腺嘌呤二核

10、苷酸磷酸,辅酶II,R=H:NAD+; R=H2PO3:NADP+,H+e,FMN,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,Fe-S辅基的铁硫簇含有等量的铁原子和硫原子,Fe2S2, Fe4S4,Fe4S4,作用： Fe2+ Fe3+e 单电子传递,泛醌（ubiquinone） 亦称辅酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 人体中： CoQ10 A、结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物 2.脂溶性 3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子 载体（无蛋白）,NADH+H+,NAD+,FMN,FMNH2,Fe3+,Fe2+,Q,QH2,NADH,FMN,Fe-S,Q,复合体传递电子的过程：,NA

11、DH+H+,NAD+,2e-,FMN,2H+,Fe-S,N-2,Q,QH2,2H+,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,即琥珀酸脱氢酶.至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白及细胞色素b560. 其作用是催化电子从琥珀酸转至CoQ，但不转移质子。,细胞色素cytochrome,Cyt A、结构：一类含铁卟啉辅基的色素蛋白 B、分类: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1 C、区别： 铁卟啉辅基侧链不同 铁卟啉辅基与酶蛋白 连接方式不同,细胞色素c,CytFe3+ + e CytFe2+,（3） 复合物

12、CoQ-cytc还原酶,即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。 催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。,b566b562Fe-Sc1,QH2,Cytc,Cytc 呈水溶性 与线粒体内膜外表面结合不紧密 易与线粒体内膜分离,复合体传递电子的过程,Cytc1,Fe-S,bL,bH,Cytc,QH2,Q,QH2的第一次氧化,QH2的第二次氧化,Q, Q,2H+,Cytc1,Fe-S,bL,bH,Cytc,QH2,Q, Q,2H+,QH2,2H+,

13、e-,e-,e-,e-,（4）复合物 Cytc 氧化酶,每个单体由至少13条不同的肽链组成，分为三个亚单位：I包含两个细胞色素（a、a3）和一个铜蛋白(CuB);包含两个铜离子(CuA)构成的双核中心，其结构与2Fe-2S相似; 的功能尚不了解。 Cu2+ + e Cu+,CuA a a3 CuB,Cyt c,O2,NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2,琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,总反应,或,进一步:,呼吸链中电子传递体的排列顺序的确定：,利用脱氧胆酸处理线粒体内膜，分离出呼吸链的4种复合物、辅酶Q、细胞色素C及ATP合酶。 根

14、据标准氧还电位E0的高低排列 根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测 利用阻断剂研究分析 四种复合物的电子传递再造实验,三、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,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。,反应 ADP + Pi ATP + H2O 为什么需要偶联?,ATP是比ADP与Pi能量更高的化合物。由ADP与Pi反应生成ATP是非自发过程，需要获得能量才能进行。,ADP + Pi,ATP+H2O,30.5kJ/mol,能量升高,反应能级图,呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能

15、量能实现ADP的磷酸化？,什么是P/O比？其值有何意义？,-物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数（或ADP mol数），或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.,ATP合成酶,氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联学说、构象偶联学说及化学渗透学说。目前公认度较大的是化学渗透学说。,呼吸链的氧化与ADP的磷酸化是怎样偶联的？,19611978,化学渗透学说： 电子传递过程中，电子传递链起到质子泵的作用，将H+从线粒体内膜基质泵至线粒体内外膜间隙侧，造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度，形成了膜电位，这是推动ATP合成的原动力。 当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质子流进入ATP

16、合成酶通道流回基质侧，释放的自由能带动ATP合成酶运转，合成ATP。,影响氧化磷酸化的因素,(1)、抑制剂 呼吸链抑制剂 阻断呼吸链的电子传递。 解偶联剂 破坏内膜两侧的电化学梯度，使氧化与磷酸化的偶联脱离。如：解偶联蛋白、2,4-二硝基苯酚。 氧化磷酸化抑制剂 如寡霉素，在合酶中抑制质子回流，从而抑制的磷酸化。,呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮 粉蝶霉素 安密妥,抗霉素,CO、CN-、N3-及,ADP+Pi,ATP+H2O,解偶联蛋白,解偶联作用机制,热,寡霉素的抑制作用,阻止质子从F0质子通道回流。,(2) ADP的调节作用 (3) 甲状腺激素 (4) 线粒体DNA突变,五、生物氧化的生物学意义,代谢物,分解氧化,CO2 H2O,能,热能（散发）,化学能 （储能