第八章新陳代謝總論與生物氧化

1、第八章新陳代謝總論與生物氧化輕化08新陳代謝總論v1. 新陳代謝：代謝：活細(xì)胞中所有化學(xué)變化的總稱。泛指生物與周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的過(guò)程，是生物體物質(zhì)代謝與能量代謝的有機(jī)統(tǒng)一，代謝是動(dòng)態(tài)的。1. 新陳代謝2.合成代謝與分解代謝v合成代謝：一般是指將簡(jiǎn)單的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的大分子物質(zhì)的過(guò)程。太陽(yáng)能是生物體能量的最終來(lái)源，合成代謝消耗能量。v 分解代謝：則是將復(fù)雜的大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)變成小分子物質(zhì)：co2、h2o、nh3等的過(guò)程，分解代謝釋放能量。3.中間代謝v 中間代謝：指代謝中的一系列的酶促反應(yīng)。通過(guò)這些反應(yīng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，釋放出細(xì)胞或機(jī)體生長(zhǎng)和維持所需的能量。代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、中

2、間物或產(chǎn)物，都稱為代謝物。新陳代謝的特點(diǎn)v(1).代謝途徑相似：生物的代謝體系是在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐步形成和完善的。生物體之間的差異雖然很大，但一些基本的代謝過(guò)程卻十分相似；v (2).反應(yīng)步驟繁多，但具有嚴(yán)格的順序性；v (3).反應(yīng)條件溫和；v (4).嚴(yán)格調(diào)節(jié)；v (5).特定區(qū)域。代謝的研究方法v1.活體內(nèi)(in vivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(in vitro)整體法：中間代謝研究時(shí)用生物整體進(jìn)行研究，這類(lèi)研究稱為體內(nèi)研究，用一個(gè)拉丁語(yǔ)，in vivo，意即“在體內(nèi)”表示。 整體法組織提取法v 組織提取法：整體器官，或微生物細(xì)胞群的研究。至于切片、勻漿、提取液作為研究材料，進(jìn)行研究時(shí)則稱為in

3、 vitro，意即“在體外”、“在試管內(nèi)”。 代謝的研究方法v2.同位素示蹤法：將含有放射性同位素的物質(zhì)參與代謝反應(yīng)，測(cè)試該基團(tuán)在不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)移情況，來(lái)認(rèn)識(shí)代謝過(guò)程；v3.自由能判斷（邏輯判斷）：通過(guò)不同物質(zhì)間標(biāo)準(zhǔn)自由能的比較進(jìn)行邏輯判斷；v4.代謝途徑阻斷法；v5.突變體研究法。高能化合物 v高能化合物的概念及其類(lèi)型v 1.概念：將水解時(shí)釋放大量自由能的化合物稱為高能化合物。v 2.類(lèi)型：機(jī)體內(nèi)高能化合物的種類(lèi)是很多的，根據(jù)其鍵型的特點(diǎn)分為以下幾類(lèi)：高能磷酸化合物atp的特殊作用v atp在一切生物的生命活動(dòng)中都起著重要作用，在細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線粒體中都有atp存在。v atp作為磷

4、酸基團(tuán)共同中間傳遞體的作用，atp在能量方面起著轉(zhuǎn)運(yùn)站的作用，它是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運(yùn)者。供給機(jī)體生命活動(dòng)所需的能量生物氧化 v維持生命活動(dòng)的能量，主要有兩個(gè)來(lái)源：v 光能（太陽(yáng)能）：植物和某些藻類(lèi)，通過(guò)光合作用將光能轉(zhuǎn)變成生物能。v 化學(xué)能：動(dòng)物和大多數(shù)的微生物，通過(guò)生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）存儲(chǔ)的化學(xué)能釋放出來(lái)，并轉(zhuǎn)變成生物能。 什么是生物氧化 糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行糖類(lèi)、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成氧化分解生成coco2 2和和h h2 2o o并釋放出能量的過(guò)程稱為生并釋放出能量的過(guò)程稱為生物氧化（物氧化（biological o

5、xidationbiological oxidation），），其實(shí)質(zhì)是需氧其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反細(xì)胞在呼吸代謝過(guò)程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過(guò)程。應(yīng)過(guò)程。脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它單糖其它單糖三羧酸三羧酸循環(huán)循環(huán)電子傳遞電子傳遞（氧化）（氧化）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰coae-磷酸化磷酸化+pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中間產(chǎn)物（如中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰coacoa等）等） 共同中間產(chǎn)物共同中間產(chǎn)物進(jìn)入三羧酸循環(huán)進(jìn)入三羧酸循環(huán), ,氧化脫下的氫氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳由電子傳

6、遞鏈傳遞生成遞生成h h2 2o o，釋，釋放出大量能量，放出大量能量，其中一部分通過(guò)其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在磷酸化儲(chǔ)存在atpatp中。中。大分子降解大分子降解成基本結(jié)構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單位單位 生物氧化的三個(gè)階段生物氧化的三個(gè)階段生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的特點(diǎn)v1、有機(jī)物在生物體內(nèi)完全氧化與在體外燃燒而被徹底氧化,在本質(zhì)上是相同的,最終的產(chǎn)物都是co2和h2o,同時(shí)所釋放能量的總值也相等；v2、生物氧化在常溫、常壓、接近中性的ph和多水環(huán)境中進(jìn)行；是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進(jìn)行的； v3、氧化反應(yīng)分階段進(jìn)行,能量逐步釋放,既避免了能量驟然釋放對(duì)機(jī)體的損害,又使得生物體能充分、有效

7、地利用釋放的能量； v4、生物氧化過(guò)程中釋放的化學(xué)能通常被偶聯(lián)的磷酸化反應(yīng)所利用,貯存于高能磷酸化合物(如atp)中,當(dāng)生命活動(dòng)需要時(shí)再釋放出來(lái)。生物氧化的特點(diǎn)生物氧化的特點(diǎn)coco2 2的生成的生成 方式方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下中間化合物，然后在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成coco2 2。 類(lèi)型類(lèi)型：-脫羧和脫羧和-脫羧脫羧 氧化脫羧和單純脫羧氧化脫羧和單純脫羧ch3coscoa+co2ch3-c-cooh o丙酮酸脫氫酶系丙酮酸脫氫酶系nad+ nadh+h+coash例：例：+co2h2n-ch-coohr

8、氨基酸脫羧酶氨基酸脫羧酶ch2-nh2rh h2 2o o的生成的生成 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（體（nadnad+ +、nadpnadp+ +、fadfad、fmnfmn等）所接受，再通過(guò)等）所接受，再通過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成h h2 2o o 。ch3ch2ohch3chonad+ nadh+h+ 乙醇脫氫酶乙醇脫氫酶例：例：12 o2nad+電子傳遞鏈電子傳遞鏈 h2o2eo=2h+線粒體電子傳遞體系v電子傳遞鏈線粒體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電子傳遞呼吸鏈的概念電子傳遞鏈的組成電子傳遞鏈的順序電

9、子傳遞鏈中生成atp的部位質(zhì)子梯度的形成機(jī)制電子傳遞呼吸鏈的概念 線粒體線粒體基質(zhì)基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的氧化所產(chǎn)生的nadhnadh和和fadhfadh2 2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，的載體上，經(jīng)過(guò)一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給最后傳遞給o o2 2生成生成h h2 2o o。這種由載體組成的電子傳遞。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctron transfer chain) eclctron transfer chain) v由供

10、氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。電子傳遞呼吸鏈的概念呼吸鏈的組成呼吸鏈的組成1. 1. 黃素蛋白酶類(lèi)黃素蛋白酶類(lèi)（flavoproteins, fpflavoproteins, fp）2. 2. 鐵鐵- -硫蛋白類(lèi)硫蛋白類(lèi)（ironironsulfur proteins)sulfur proteins)3. 3. 輔酶輔酶（ubiquinone,ubiquinone,亦寫(xiě)作亦寫(xiě)作coqcoq）4. 4.

11、細(xì)胞色素類(lèi)細(xì)胞色素類(lèi)（cytochromes）nadh輔輔 酶酶 q（coq）fe-scyt c1o2cyt bcyt ccyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黃素蛋白黃素蛋白（f ad）黃素蛋白黃素蛋白（fmn）細(xì)胞色素類(lèi)細(xì)胞色素類(lèi)鐵硫蛋白鐵硫蛋白（fe-s）鐵硫蛋白鐵硫蛋白（fe-s）nadhnadh呼呼吸鏈吸鏈nadhfmncoqfe-scyt c1o2cyt bcyt ccyt aa3fe-sfadfe-s琥珀酸琥珀酸等等復(fù)合物復(fù)合物 ii復(fù)合物復(fù)合物 iv復(fù)合體復(fù)合體 i復(fù)合物復(fù)合物 iiinadh脫氫酶脫氫酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素還原酶還原酶細(xì)胞色素細(xì)胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-輔酶輔酶q還

12、原酶還原酶fadh2呼吸鏈呼吸鏈nadh nadh 氧化呼吸鏈氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈琥珀酸氧化呼吸鏈復(fù)合體：nadh-coq還原酶v功能：將電子從nadh傳遞給coqv輔基：fmn，鐵硫蛋白煙酰胺脫氫酶類(lèi)煙酰胺脫氫酶類(lèi) 特點(diǎn)特點(diǎn)：以：以nadnad+ + 或或nadpnadp+ +為輔酶，存在于線為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機(jī)理傳遞氫機(jī)理: nad(p)nad(p) + + + 2h + 2h+ + +2e nad(p)h + h+2e nad(p)h + h+ +鐵硫蛋白fesssfefefesscsscc鐵硫簇鐵硫簇(fe4s4)功能：?jiǎn)坞娮觽鬟f體

13、fe3+e-efe2+泛醌（coq）nadh +h+nad+fmnfmnh22fe3+2fe2+fe-scoqcoqh2nadh-coq還原酶 復(fù)合體： coq -細(xì)胞色素c還原酶v功能：將電子從coq傳遞給cytcv組成：cytb、fe-s、cytc1v細(xì)胞色素(cyt)：含鐵卟啉輔基的色蛋白，分a、bc三類(lèi)。輔基與酶蛋白連接cyta血紅素a非共價(jià)結(jié)合cytb血紅素非共價(jià)結(jié)合cytc血紅素乙烯側(cè)鏈與酶蛋白多肽鏈中 cys的 sh相連甲?；柞；嗑郛愇於╅L(zhǎng)鏈多聚異戊二烯長(zhǎng)鏈coqcoqh22fe3+2fe2+2fe3+2fe2+2fe2+2fe3+2fe3+2fe2+cytbfe-scyt

14、c1cytccoq-cytc還原酶 復(fù)合體：細(xì)胞色素氧化酶v功能：將電子從cytc最終傳遞到o2v組成：cyta、cyta3、cucytccytacyta3h2o細(xì)胞色素氧化酶o2212fe3+2fe2+2fe2+2fe3+2cu2+2cu+2fe2+2fe3+復(fù)合體：琥珀酸- coq還原酶v功能：將電子從琥珀酸傳遞給coqv輔基：fad、fe-s、cytb560琥珀酸延胡索酸fadfadh2coqcoqh2fe-snadhnadh呼吸鏈電子傳遞和水的生成呼吸鏈電子傳遞和水的生成h2o12o2o2-mh2還原型代還原型代 謝底物謝底物fmnfmnh2coqh2coqnad+nadh+h+2fe

15、2+2fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素b- c- c1 -aa3 fe s2h+m氧化型代氧化型代 謝底物謝底物fadhfadh2 2呼吸鏈電子傳遞和水的生成呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eh2ofadfadh2琥珀酸琥珀酸 fe s2fe2+2fe3+ 細(xì)胞色素細(xì)胞色素b- c1 - c-aa3coqh2coq12o2o2-2h+延胡索酸延胡索酸2e呼吸鏈中傳遞體的順序v 呼吸鏈中傳遞體的順序基本是按照氧化還原電位進(jìn)行排列，但直到目前呼吸鏈各成員確切的排列順序尚未清晰。atp的生成方式-氧化磷酸化作用v伴隨放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化稱為氧化磷酸化。vatp的合成的方式；v 底物水平磷酸化v 電子傳遞

16、磷酸化底物水平磷酸化在反應(yīng)過(guò)程中,由于分子內(nèi)部能量重新分配，形成高能磷酸化合物，進(jìn)一步將高能磷酸基轉(zhuǎn)移給adp，形成atp。 底物水平磷酸化是在發(fā)酵作用中取得能量的唯一方式，與氧氣的存在與否無(wú)關(guān)。共3個(gè)反應(yīng)底物水平磷酸化+atp3-p-甘油酸3 3- -p p- -甘甘油油酸酸激激酶酶+adp1,3-bp-甘油酸丙酮酸+atp丙丙酮酮酸酸激激酶酶pep+adp琥珀酰coa+pi+gdp琥琥珀珀酰酰c co oa a合合成成酶酶琥珀酸+coa+gtp電子傳遞磷酸化ah2a2hnadh+h+(或 fadh2) nad+(或 fad)電子傳遞鏈h2o1/2 o2釋放能量adp + piatp合成酶a

17、tp氧化過(guò)程磷酸化過(guò)程氧化磷酸化氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧化磷酸化的偶聯(lián)部位氧化磷酸化的偶聯(lián)部位實(shí)驗(yàn)證據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)nadhnadhfadhfadh2 2o o2 212h h2 2o oh h2 2o o 實(shí)測(cè)得實(shí)測(cè)得nadhnadh呼吸鏈呼吸鏈： p/o 2.5實(shí)測(cè)得實(shí)測(cè)得fadhfadh2 2呼吸鏈呼吸鏈： p/o 1.5o o2 2122e-2e-v nadh途徑存在個(gè)偶聯(lián)部位，可以產(chǎn)生2.5分子atp；v琥珀酸途徑存在個(gè)偶聯(lián)部位，可以產(chǎn)生1.5分子atp。氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制（1） 化學(xué)滲透學(xué)說(shuō) 呼吸鏈傳遞電子和質(zhì)子: 電子-釋放的能量 質(zhì)子-線粒體內(nèi)膜的

18、內(nèi)側(cè)（基質(zhì)側(cè)） 線粒體內(nèi)膜的外側(cè)（膜間隙側(cè)）化化學(xué)學(xué)滲滲透透假假說(shuō)說(shuō)化學(xué)滲透假說(shuō)示意圖化學(xué)滲透假說(shuō)示意圖2h+2h+2h+2h+nadh+h+2h+2h+2h+ adp+piatp高高質(zhì)質(zhì)子子濃濃度度h2o2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質(zhì)子流質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 化學(xué)滲透假說(shuō)的要點(diǎn)化學(xué)滲透假說(shuō)的要點(diǎn)va. a. 線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；vb. b. 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來(lái)的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的狀態(tài)時(shí)釋放出來(lái)的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的h h+ +遷移遷移到膜外側(cè)（膜對(duì)到膜外側(cè)（膜對(duì)h h+ +是不通透的）。這樣，在膜的內(nèi)是不通透的）。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 ( ( ph) ph) 和電位梯和電位梯度（度（）；）；vc. c. 在膜內(nèi)外勢(shì)能差（在膜內(nèi)外勢(shì)能差（ ph ph 和和）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)）的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（子沿著一個(gè)特殊通道（atpatp酶的組成部