生物化学——第五章节新陈代谢总论与生物氧化修改课件幻灯片

第五章 新陈代谢总论与生物氧化,一、新陈代谢的概念和特点,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,第一节 新陈代谢总论,新陈代谢的内涵,小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,新陈代谢过程包括： 营养物质的消化吸收、中间代谢、代谢产物的排泄等阶段。 中间代谢： 一段指物质在细胞中合成和分解的过程，指某一代谢中的一系列酶促反应。,二、新陈代谢的研究方法 示踪法（化合物示踪、同位素示踪） 如： 苯环化合物示踪法，提出了脂肪酸氧化学说。 利用15NH4Cl来标记DNA分子从而证明了DNA的半 保留复制方式。 卡尔文以放射性同位素14CO2饲喂植物，再用纸层析 分离CO2代谢的中间物，从而提出光合作用中CO2 转变为糖的循环代谢卡尔文循环(Calvin cycle)。,抗代谢物和酶抑制剂的利用 使用抗代谢物（磺胺类药物）和酶抑制剂来阻抑，改变反应，推测中间代谢情况。可用药物来造成异常的实验动物进行代谢研究。 体内试验（in vivo）和体外试验（no vivo） 在体内：包括整体器官或微生物细胞群进行研究 Knoop：脂肪酸的氧化学说，以犬为研究对象的“体内研究” 在体外：用组织切片、匀浆提取液为原料进行研究三羧酸循环、糖酵解、氧化磷酸化的研究 体外实验可同时进行多样本研究，可进行多次重复试验。,三、自由能和高能化合物,1、自由能 指不同的有机体由于所含的化学能不相同，当进行化学反应时，必有能量释放或吸收，其中可用来做功的能量称自由能。用G表示,标准自由能变化 G°' ： 25°C，101325Pa（1个大气压），反应浓度1 mol/L，生物体pH值7条件下，kJ/mol,在反应 A + B = C + D 中， K = CD / BA G0'=2.303RTlgK,2、高能化合物,高能磷酸键：指水解或基团转移时释放较多的自由能，如其高的磷酸基团转移势能，表示的是不稳定的键。”一般是指每摩尔化合物能释放20.92 KJ/mol以上的能量的一类化合物。 ATPADP+Pi G0'=30.514 KJ/mol 最常见最多的高能化合物：高能磷酸化合物,高能化合物类型,3、ATP的特点,ATP:磷酸脂键、磷酸酐键 ATP分子水解释放自由能很大（G°= -30.51千焦/摩尔）。,ATP的特殊作用, ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,生物系统中的能流,UTP、CTP、GTP的不同作用,磷酸肌酸是高能磷酸键的贮存形式 乙酰CoA硫脂键断裂释放31.38KJ/mol自由能,第二节 生物氧化,糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。,生物氧化的特点 生物氧化过程中CO2的生成 生物氧化过程中H2O的生成,内 容,问：我们身体内的生物氧化与有机物体外氧 化燃烧有何相同与区别？,一、生物氧化的特点,相同点：化学本质（物质、能量）,都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气 ； 都生成CO2和H2O ； 释放的能量相同,不同点：条件、过程,生物氧化的特点:,1、在活的细胞中进行； 2、在pH接近中性、体温条件下，常压下，多水环境中进行； 3、有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊； 4、氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,二、H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,1/2 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O2-,2H+,1、线粒体结构 2、电子传递呼吸链的概念 3、机体内两条主要的呼吸链 4、呼吸链的组成 5、传递链中传递体的顺序 6、电子传递抑制剂,1、线粒体结构,2、呼吸链组成与电子传递顺序,线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH或FADH2，将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（electron transfer chain)，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,呼吸链： 代谢物M· 2H被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体最后传递给被激活的O分子，而生成H2O的全部体系。,3、两条主要的呼吸链,NADH呼吸链,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素 b- c1- c -aa3,2H+,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,四个蛋白复合物：,1、NADH脱氢酶复合物 （NADH-CoQ氧化还原酶） 2、细胞色素bc1复合物 （CoQ-Cytc氧化酶） 3、细胞色素氧化酶复合物 4、琥珀酸-CoQ还原酶复合物,（1）烟酰胺脱氢酶类,特点：以NAD+ 或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。 传递氢机理:,（2）黄素蛋白酶类,特点： 以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶） 需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶） 加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,（3）铁硫蛋白,特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成FeS中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。,铁硫蛋白的结构类型及传递电子机理,(4) CoQ,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH2,(5) 细胞色素,特点：以血红素（heme）为辅基的蛋白质，血红素的主要成 份为铁卟啉。 类别: 根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c1、c、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧，亦称为末端氧化酶。,细胞色素的结构和传递电子机理,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,5、传递链中传递体的顺序,电子传递链中各中间体的顺序,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶复合物,细胞色素bc1 复合物,细胞色素氧化酶,琥珀酸-CoQ还原酶复合物,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2 NAD+H2O G°= nFE°´ =2×96.49×0.82-(-0.32) =220.0 KJ/mol,6、电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,萎绣灵,三、 氧化磷酸化作用,（一）氧化磷酸化 （二）线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,1、ATP的生成（生物体获能方式） （1）底物水平磷酸化 （2）电子传递水平磷酸化（氧化磷酸化）,（一） 氧化磷酸化,电子传递体系磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP + Pi ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。,磷氧比（ P/O ）,磷氧比是指每消耗1摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数。,目前看法：NADH+H+ 在呼吸链的传递过程，能将10H+泵出线粒体内膜，每驱动合成1分子ATP需要4H+,FADH2能将6H+泵出线粒体内膜,例 实测得NADH呼吸链： P/O 2.5,实测得FADH2呼吸链： P/O 1.5,氧化磷酸化偶联部位,2、,（二） 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,动物细胞的两个穿梭系统： 1、-磷酸甘油穿梭系统（肌细胞） 2、苹果酸-草酰乙酸穿梭系统（肝细胞）,-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,转运NADH的苹果酸-天冬氨酸系统,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,线粒体基质,NADH+H+,（、 、 、 为膜上的转运载体）,呼吸链,线粒体ATP酶,ATP合成酶（F0F1ATP酶），含有5种不同的亚基(3、3、1、1、1)；F0为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。,氧化磷酸化的解偶联 解偶联剂： 2,4-二硝基苯酚（DNP） 只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,酸性条件,膜外质子,膜内质子,破坏了质子电化学梯度,作业： 1 何为生物氧化？具有哪些特点？ 2 何谓呼吸链（电子传递链）由哪些组分构成？排列 先后顺序是根据什么原则？学会用电化学方式计算传递体间G'的放能量级。 3 生物体中有哪些电子传递链？电子经它们传递到O2时的产能情况怎样？ 4 何谓底物水平磷酸化？在糖酵解和三羧酸循环中有哪些步骤（化合物）出现底物水平磷酸化而形成ATP？ 5 何谓磷氧化（P/O），NADH，FADH2，两种呼吸链的P/O比各为多少？为什么？,6 关于电子传递（即氧化磷酸化）机理有哪三种学说，其中化学渗透学说机理产生ATP的理论要点是什么？ 7 计算下列过程的P/O的理论值（考虑GTP相当于ATP） （1）异柠檬酸-琥珀酸 （2）在2，4-二硝基苯酚存在下，-酮戊二酸琥珀酸。 8 氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？,