新陈代谢总论与生物氧化.ppt

1、第五章 新陈代谢总论与生物氧化,第一节 新陈代谢总论,第二节 生物氧化,第一节 新陈代谢总论,一、 新陈代谢的概念,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,新陈代谢的共同特点：,1. 由酶催化，反应条件温和。,2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。,3. 对周围环境高度适应。,二、 新陈代谢的研究方法,活体内(in vivo)与活体外(in vitro)实验法 同位素示踪法 3. 代谢途径阻断法 4. 遗传缺欠症方法 气体测量法 核磁共振波谱法（NMR）,三、 生物体内能量代谢

2、的基本规律,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。,G = H - TS,对于 A + B C + D,G= - 2.303 RT lgK K = CD / AB,四、 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,一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5kCal/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。,（1）烯醇式磷酸化合物（例）,磷氧型高能磷酸化合物：,- 6

3、1.9 kJ/mol,(2)酰基磷酸化合物（例）,- 42.3 kJ/mol,（3）焦磷酸化合物（例）,磷氮型高能磷酸化合物：,- 43.1 kJ/mol,(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,(2) 甲硫型高能化合物 （例）, 41.8 kJ/mol,O,N,N,N,N,NH2,-H,H-,OH,H,O - O-P O - O,O O -P O-P-O-CH2 - O - O,OH,ATP的特殊作用,ATP作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存 者，是能量货币,ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂,ATP H2O ADP Pi 其G0= -

4、 30.51kJmo1； 当ADP Pi ATP时， 也需吸收30.51kJmol的自由能,第二节 生物氧化,有机物质在细胞内的氧化作用。又称组织呼吸或细胞呼吸。 在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和H2O，并释放出能量形成ATP。,一、 生物氧化的特点,（一）氧化还原的本质电子转移 电子转移的主要形式： 1. 直接的电子转移 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+,2. 氢原子的转移 AH2 + B A + BH2 ( H H+ + e ) 3. 有机还原剂直接加氧 RH + O2 + 2H+ + 2e ROH + H2O,1. 在细胞内，于体温、近于中性的含水环境中由酶

5、催化。,2. 能量逐步释放，部分存于ATP中。,3. 分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。,（二）生物氧化的特点,(1) 直接脱羧,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。,二、 生物氧化中CO2的生成,(2)氧化脱羧,：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）,HOOCCH2CHOHCOOH,NADP+,NADPH + H+,O,苹果酸,CH3CCOOH + CO2,苹果酸酶,三、生物氧化中 H2O 的生成,生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。 代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。,在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。,生物体主要以脱氢酶、传递体及

6、氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。,1、概念 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给氧而生成水的全部体系称为呼吸链(respiratory chain)，也称电子传递体系或电子传递链(electron transfer chain)。 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。,（一）呼吸链,ATP合成酶,呼吸链包括： NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素c 还原酶、细胞色素c氧化酶,NADH,NADH-Q还原酶,Q,细胞色素c还原酶,

7、细胞 色素c,O2,琥珀酸-Q还原酶,FADH2,细胞色素c氧化酶,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。 实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。,2、呼吸链种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种: NADH呼吸链： 绝大部分分解代谢的脱氢氧化反应通 过此呼吸链完成 FADH2呼吸链： 只能催化某些代谢物脱氢, 不能使 NADH 或 NADPH脱氢,3、呼吸链的组成,（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有200多种 该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直

8、接受氢体。,在烟(尼克)酰胺脱氢酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH 或NADPH;当有受H体存在时， NADH或NADPH上的H可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。,（2） 黄素脱氢酶类以FMN或FAD为辅基的脱氢酶类 该类酶也属不需氧脱氢酶，催化代谢物脱下一对H原子，使FMN或FAD还原为FMNH2或FADH2。 FMN 和 FAD 是比 NAD+ 或 NADP+ 更强的氧化剂。,FMNH2 或 FADH2 可进一步将电子转移给辅酶Q。,（3）铁硫蛋白类（简写为Fe-S ） 铁硫蛋白(Fe-S)是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，

9、其作用是借铁的变价互变进行电子传递: Fe3+ + e Fe2+ 因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，故称铁硫中心。,铁硫蛋白在生物界广泛存在，在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素 b及c1有关。,铁硫蛋白有几种不同的类型, 可概括为3类:, FeS 2Fe 2S 4Fe 4S, 2Fe 2S , 4Fe 4S ,（4）辅酶Q类,电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。 为一种脂溶性醌类化合物, 又名泛醌, 简写为CoQ或Q。,其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于

10、递氢体。,但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体;也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（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。,（5）细胞色素类一类含有血红素辅基的电 子传递蛋白的总称,细胞色素主要是通过 Fe3+ + e Fe2+ 的互变起传递电子的作用。 线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素： a，a3，b，c，c1 它们的辅基结构略有不同: 血红素A Cyt a，a3 血红素B Cyt b，血红蛋白，肌红蛋白 血红素C Cyt c1，c,aa3 、b、c1中辅基与蛋白质非共价结合， c 的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。 典型的线粒体呼吸链

11、中，细胞色素的顺序是： b c1 c aa3 O2,a和a3组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子。Cyt aa3可直接以O2为电子受体，故aa3又称细胞色素c氧化酶。 a与a3之间的2个铜离子，起电子传递作用：Cu+ Cu2+ 的互变, 将Cytc所携电子传递给O2。,b、c1 、c、a Fe与卟啉环及蛋白形成6个共价键或配位键：4个与N，1个与His，1个与蛋白链中Met形成。 a3Fe与卟啉环及蛋白形成5个配位键（不与Met形成)，空1个配位键与O2、CO、CN-等结合，其正常功能是与O2结合。,4. 呼吸链中传递体的顺序,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

12、低到高顺序排列；,确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：,b. 利用电子传递抑制剂确定其顺序；,c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证；,d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合体排序 (4种)。,MH2,NADH,-0.32,FMN,-0.30,CoQ,+0.04,b,+0.07,c1,+0.22,c,+0.25,aa3,+0.29,O2,+0.816,FAD,-0.18,鱼藤酮 安密妥,抑制剂：,抗霉素A,氰化物，CO, 叠氮化合物,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E ： 低 高 电子迁移方向：低电位 高电位, G： 逐步降低 放能,呼吸链中的电子载体以多酶

13、复合体形式发挥功能,1）NADH泛醌还原酶,简写: NADHQ还原酶, 即复合体 I 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 NADH + Q + H+ NAD+ + QH2 NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电 子供体之一。,NADHQ还原酶,NADH泛醌还原酶,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，其活性部分含有辅基 FMN 和铁硫蛋白。 FMN 的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型 FMNH2 可进一步将电子转移给Q。,2）琥珀酸-Q还原酶,琥珀酸-Q还原酶简写为复合体II 琥珀酸是

14、生物代谢过程 (三羧酸循环) 中产生的中间产物, 它在琥珀酸-Q还原酶 (复合体II) 催化下, 将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-Cyt c还原酶、Cyt c和Cyt c氧化酶将电子传递到O2。 复合体II也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合体, 比复合体I结构简单，含4种不同的蛋白质。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。 复合体II的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。,3）泛醌细胞色素c还原酶,简写: QH2-Cyt c还原酶, 即复合体III 作用: 催化还原型QH2氧化和细胞色素c (Cyt c) 还原 QH2-Cyt c 还原酶 QH2 + 2 Cyt c (Fe3+) Q +

15、2 Cyt c (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。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。,CoQH2 + 复合体,4H+,+ 2e,4）细胞色素c氧化酶,简写: Cyt c 氧化酶，即复合体 IV 位于线粒体呼吸链末端, 由13个多肽亚基组成。活性部分主要包括Cyta和a3, 两者组成一个复合体，除含铁卟啉外，还含铜原子。Cyt a a3可以直接以O2为电子受体。 在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将Cyt c所携带的电子传递给O2。,复

16、合体 + 2H+,Cyt c,四、氧化磷酸化作用(Oxidative phosphorylation),伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化,ADP + Pi + 能量 ATP,AMP + PPi + 能量 ATP,（一） ATP的生成,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,电子传递体系磷酸化,1. 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, 形成了某些高能磷酸化合物的中间产物, 通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。,X + ADP ATP + X,P,是捕获能量的一种方式， 在发酵作用（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

17、成中没有氧分子参与，也不经 过电传递链传递电子。,特点:,底物水平磷酸化反应举例,2. 电子传递体系磷酸化,当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP，这一全过程称为电子传递体系磷酸化。,（1）概念,1,是需氧生物获得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。,特点：,（2） P/O比和由ADP生成ATP的数目,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 mol数），即生成ATP的mol数。 N

18、ADH呼吸链： P/O比值 3 FADH2呼吸链：P/O比值 2 故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中，可分别合成3个、2个ATP。,（3）呼吸链电子传递过程中的自由能变化,1,复合体I: NADHCoQ, E0= 0.360V, G0= -69.5kJ/mol 复合体III: CoQ Cytc, E0= 0.190V, G0= -36.7kJ/mol 复合体IV: Cytaa3 O2, E0= 0.580V, G0= -112kJ/mol 复合体II: FADH2CoQ, E0= 0.085V, G0= -16.4kJ/mol,可见，当一对电子相继经过复合体、和时，每一步都

19、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。,最近的研究表明： 复合体、和不能直接合成ATP，但能螯合通过电子传递所产生的自由能，从而将质子由线粒体基质泵出至膜间隙，形成跨膜的质子梯度。（即：电子转移所释放的能量能有效地贮存在一种质子梯度中） 跨膜质子梯度所蕴含的自由能是推动ATP合成的驱动力。,跨膜质子转移,（二）胞液中 NADH 的氧化磷酸化,在细胞质中经糖酵解产生的 NADH, 不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。只能通过两种精妙的“穿梭”系统解决 NADH 的再氧化问题： 甘油-磷

20、酸穿梭系统 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,NADH + H+,线粒体内膜,甘油-磷酸穿梭作用,甘油-磷酸,FAD,二羟丙酮磷酸,FADH2,NADHFMNCoQbc1caa3O2,胞液甘油-磷酸脱氢酶；,线粒体甘油-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶),酵解,NADH,草酰乙酸,天冬氨酸,NAD+,苹果酸,苹果酸,NAD+,草酰乙酸,NADH,天冬氨酸,NADH呼吸链,苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,转氨酶,转氨酶,细胞质,线粒体,细胞质苹果酸脱氢酶,线粒体苹果酸脱氢酶,线粒体内膜,化学偶联假说,构象偶联假说,化学渗透假说,（三）氧化磷酸化作用机制,氧化作用（电子传递）与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问，但对

21、二者究竟如何偶联，尚有许多未完全阐明的问题。共存在三种假说：,1. 化学偶联假说,1953年 Edward Slater 最先提出。 认为：电子传递产生一种高能共价中间物, 它随后的裂解释放能量驱动ATP合成。 但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。,1964年Paul Boyer最先提出。 认为: 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, 而形成一种高能形式, 这种高能形式通过将能量提供给ATP合成而恢复其原来的构象。 但至今未能找到有力的实验证据。,2. 构象偶联假说,1961年英国生物化学家 Peter Mitchell 首先提出, 1978年获诺贝

22、尔化学奖。 基本要点：电子经呼吸链传递时释放出的自由能, 可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧, 产生膜内外质子电化学梯度( H+浓度梯度和跨膜电位差 ) , 以此储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动 ADP 与 Pi 生成ATP。,3. 化学渗透假说（chemiosmotic hypothesis）,化学渗透假说得到较多实验证据的支持。 氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整的线粒体内膜。,内膜对H+ 不能自由通过，泵出膜外侧的H+ 使内膜外侧的H+ 浓度高于内侧，造成H+浓度的跨膜梯度，使外侧的pH 较内侧的pH 低1.0 单位左右,并使原有的外正内负的跨膜电位增高，

23、此电位差中就包含着电子传递过程中所释放的能量，好象电池两极的离子浓度差造成电位差含有电能一样。这种质子梯度和电位梯度就是质子返回内膜的一种动力。,G = 2.3 RT pH + Z F , pH = pH(内) pH(外) , Z 是质子电荷(包括符号)，F是法拉第常数， 是膜电位差,组成： Fo（疏水部分） + F1（亲水部分）+ 寡霉素敏感蛋白(oscp) Fo ：是镶嵌在线粒体内膜中的质子通道 F1 : (33) 催化生成ATP,ATP合成酶亦称复合体,利用线粒体内膜上的ATP 合成酶的特点，H+ 通过ATP 酶的特殊途径，返回到基质，使质子发生逆向回流。由于H+ 浓度梯度所释放的自由能

24、，偶联ADP 与无机磷酸合成ATP，质子的电化学梯度也随之消失。,生理物质的氧化在多个位点（复合体、和 ）为跨膜质子梯度做贡献，而该梯度只在一个部位即FoF1-ATP酶处消减(合成ATP)。,由上述分析可以看出， Mitchell的理论认为：电子传递释放的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的。,根据新的研究进展，呼吸链电子传递过程中： 每对电子通过复合体、 、 可导致 10个（442）质子从基质泵出； 来自复合体中的 FADH2 的电子绕过复合体进入电子传递链只能导致 6个（42）质子跨膜移动。,大多数实验测量表明：每合成 1 分子 ATP 大约需要 3 个质子通过 FoF

25、1-ATP 酶；同时，从细胞质转运合成 ATP 所需的 Pi 至线粒体基质要消耗 1 个质子。即: 每合成 1 个 ATP 需消耗 4个质子。,因此，1 对 H (即2e) 经 NADH 呼吸链生成2.5 个ATP，经 FADH2 呼吸链生成 1.5 个ATP。,（四）氧化磷酸化的解偶联和抑制,解偶联剂: 如2, 4 - 二硝基苯酚、双羟香豆素、 三氟甲氧基苯腙羰基氰化物等。,1. 解偶联作用：使电子传递和ATP形成两个过程分离，只抑制ATP 的形成过程，不抑制电子传递过程和氧的利用, 使电子传递产生的自由能都变为热能。,解偶联机制： 2, 4 - 二硝基苯酚破坏跨膜电位,2,4-二硝基苯酚（DNP）是最早发现的也是最典型的化学解偶联剂。 它是一种亲脂性弱酸，在不同的pH 环境中可释放H+