新陳代謝總論與生物氧化

1、第七章 新陳代謝總論與生物氧化 一 . 新陳代謝總論 二 . 生物氧化 一 . 新陳代謝總論（一） 新陳代謝的概念: 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化總稱為新陳代謝,簡(jiǎn)稱為代謝(metabolism) 。 生物體內(nèi)酶催化的化學(xué)反應(yīng)是連續(xù)的,前一種酶的作用產(chǎn)物往往成為后一種酶的作用底物。這種在代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物統(tǒng)稱為代謝中間產(chǎn)物(metabolic intermediates),或簡(jiǎn)稱代謝物(metabolites) 。 代謝通過一系列連續(xù)的反應(yīng),無論是外界引入的或是體內(nèi)形成的有機(jī)分子,最后都轉(zhuǎn)變成代謝的最終產(chǎn)物。新陳代謝途徑中的個(gè)別環(huán)節(jié),個(gè)別步驟稱為中間代謝(intermedi

2、ary metabolism) 。 新陳代謝的功能1.從周圍環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);2.將外界引入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件(building blocks),即大分子的組成前體;3.將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子,例如蛋白質(zhì)、核酸、脂類以及其它組分;4.形成或分解生物體特殊功能所需的生物分子;5.提供生命活動(dòng)所需的一切能量。分解代謝(catabolism) :有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(外界環(huán)境獲得或自身儲(chǔ)存),通過一系列反應(yīng)步驟轉(zhuǎn)變較小的較簡(jiǎn)單的物質(zhì)的過程稱為分解代謝與分解代謝相伴隨的是將蘊(yùn)藏在有機(jī)大分子中的能量逐步釋放出來。分解代謝所經(jīng)過的反應(yīng)途徑稱之為分解代謝途徑(catabolic pathwa

3、ys)。 合成代謝(anabolism):又稱生物合成(biosynthesis),是生物體利用小分子或大分子的結(jié)構(gòu)元件建造成自身大分子的過程。由小分子建造成大分子是使分子結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜,這個(gè)過程都是需要提供能量的。新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝 新陳代謝的共同特點(diǎn)：1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2. 諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3. 對(duì)周圍環(huán)境高度適應(yīng)。（二） 新陳代謝的研究方法 1. 活體內(nèi)(in vivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(in vitro) 2. 同位素示蹤 3. 代謝途徑阻斷

4、4. 核磁共振波譜法 5. 利用遺傳缺欠癥研究代謝途徑 6. 氣體測(cè)量法（三） 生物體內(nèi)能量代謝的基本規(guī)律自由能：生物體（或恒溫恒壓）用以作功的能量。在沒有作功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适Аｌ兀夯靵y度或無序性，是一種無用的能。G (自由能變化)= H(總熱能變化) TS(總體熵的改變)G0時(shí),體系的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行(為放能反應(yīng));G0時(shí),反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行,當(dāng)給體系補(bǔ)充自由能時(shí),才能推動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行(為吸能反應(yīng));G=0時(shí),表明體系處于平衡狀態(tài)。對(duì)于任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng): A + B C + D其自由能變化G 遵循下式:G = G+RTlnCD/ABG表示標(biāo)準(zhǔn)自由能(25、一個(gè)大氣壓、底物濃度1mol/L

5、) R:為氣體常數(shù)(8.315J/mol一度) T:絕對(duì)溫度(攝氏溫度+273.15)G 表示生物體內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)自由能(25、一個(gè)大氣壓、底物濃度1mol/L 、 pH接近7)當(dāng)反應(yīng)處于平衡,即G = 0時(shí)G= -RTln CD/AB 其中 K=CD/ABG= -RTlnK= -2.303RTlgK在生物體內(nèi)G= -RTlnK= -2.303RTlgK對(duì)于生物化學(xué)反應(yīng) A B當(dāng)K1時(shí), G(G)1反應(yīng)趨向于生成B的方向當(dāng)K1反應(yīng)趨向于生成A的方向一個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的G只取決于產(chǎn)物與反應(yīng)物的自由能之差,而與反應(yīng)過程無關(guān)。（四） 高能化合物與ATP的作用 1.概念 高能化合物:在化學(xué)反應(yīng)中,某些化合物含較多的

6、自由能持,水解反應(yīng)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)時(shí),可放出大量的自由能,這類化合物稱為高能化合物。高能化合物一般對(duì)酸、堿和熱不穩(wěn)定。 高能磷酸化合物:機(jī)體內(nèi)存在著各種磷酸化合物,它們所含的自由能多少不等,含自由能持多的磷酸化合物稱為高能磷酸化合物。 高能磷酸化合物常用P或來表示。P 2.高能化合物的類型:高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔?.機(jī)體內(nèi)能量的存在形式及ATP的作用ATP的作用:見教材 P145 圖7-1 ATP的生理功能ATP是生物 細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑 ATP + H2O ADP + Pi ADP + Pi ATP機(jī)體內(nèi)

7、能量的存在形式: ADP + Pi ATP ATP + NDP (UDP、CDP、GDP) NTP+ADP ATP + 肌酸 磷酸肌酸(機(jī)體能量?jī)?chǔ)存形式)+ADP 肌酸磷酸激酶 G= - 30.51KJ/mol G= 30.51KJ/mol 二、 生物氧化生物氧化:生物體內(nèi)一切代謝物進(jìn)行的氧化作用。(有機(jī)物在生物體細(xì)胞內(nèi)的氧化稱為生物氧化)（一） 生物氧化的特點(diǎn)1. 在體溫、近于中性的含水環(huán)境中由酶催化。2. 能量逐步釋放，部分存于ATP。分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移。失電子者為還原劑,得電子者為氧化劑。在生物體內(nèi),電子轉(zhuǎn)移主要有以下形式:直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移

8、 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+氫原子的轉(zhuǎn)移 AH2 + B A + BH2有機(jī)還原劑直接加氧 RH+O2+2H+2e ROH+H2O （二） 生物氧化過程中 CO2的生成 生物體內(nèi)CO2的生成來源于有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔?。直接脫羧CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脫羧酶（-脫羧）HOOCC H2C COOH 丙酮酸羧化酶CH3CCOOH + CO2OO（-脫羧）氧化脫羧：在脫羧過程中伴隨著氧化（脫氫）。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH + CO2NADP+NADPH + H+O （三） 生物氧化過程中 H2O的生成代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化

9、作用和吸入的氧結(jié)合生成水。生物體主要以脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成生物氧化體系，以促進(jìn)水的生成。MH2M遞氫體遞氫體H2 NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ還原型氧化型Cyt遞電子體 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脫氫酶氧化酶1. 呼吸鏈（電子傳遞鏈）:代謝物上的氫原子被脫氫酶激活脫落后,經(jīng)過一系列的傳遞體,最后傳遞給被激活的氧分子,而生成水的全部體系稱呼吸鏈。 體內(nèi)主要呼吸鏈:根據(jù)接受氫的初受體不同，體內(nèi)典型的呼吸鏈有兩種：NADH呼吸鏈和FADH呼吸鏈。1、NADH氧化呼吸鏈 【組成與作用】脫氫酶（CoI）、黃素蛋白、鐵硫蛋白、CoQ和細(xì)胞色素。 2、FAD

10、H氧化呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈）【組成和作用】脫氫酶（FAD）、CoQ、細(xì)胞色素【兩種呼吸鏈的差異】脫下的2H不經(jīng)過NAD+傳遞,其余過程與NADH呼吸鏈相同(見教材P148圖7-2)NADHFP(FMN)UQCyt bCyt C1Cyt cCyt aa3O2 (Fe-S) FP(FAD-Fe-S) 2 呼吸鏈的組成、線粒體呼吸鏈3.呼吸鏈的主要成分(1).煙酰胺脫氫酶類(NAD+和NADP+為輔酶的脫氫酶組成成分: 酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）、核糖、磷酸與AMP。 作用:輔酶接受代謝物脫下的2H，傳遞給黃素蛋白。NADH：還原型輔酶 它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜

11、帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。(2).黃素酶-黃素蛋白（Flavoprotein）組成成分:酶蛋白、黃素單核苷酸（FMN）黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它們由核黃素（Vit B2）、磷酸、AMP組成。 作用:進(jìn)行可逆的脫氫加氫反應(yīng)。傳遞機(jī)制:異咯嗪的第1、10位N上可加氫主要形式:琥珀酸脫氫酶以FAD為輔酶，將代謝物脫下的H傳入呼吸鏈。異咯嗪結(jié)構(gòu)110核糖醇HH 鐵硫蛋白與黃素蛋白形成復(fù)合物存在。組成成分:含等量的鐵原子和硫原子（Fe、Fe2S2 、 Fe4S4）鐵原子與鐵硫蛋白的半胱氨酸相連。作用:將FMN或FAD中的電子傳遞給泛醌。傳遞機(jī)制:單電子傳遞。(3).鐵硫蛋白（ir

12、on-sulfur protein,Fe-S）鐵硫蛋白 鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物形式存在。鐵硫蛋白 它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+ Fe2+ 變化起傳遞電子的作用。(4).泛醌 （簡(jiǎn)寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）:它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。泛醌(輔酶-Q)的功能: Q (醌型結(jié)構(gòu)) 很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒

13、體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。(5).NADH泛醌還原酶 簡(jiǎn)寫為NADHQ還原酶, 即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。 NADHQ還原酶最少含有16個(gè)多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。 FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。 NADHQ還原酶 NADH + Q + H+ NAD+ + QH2 NADH泛醌還原酶(6).泛醌細(xì)胞色素c還原酶(QH2-cyt.c) 簡(jiǎn)寫為QH2-cyt.c還原酶, 即復(fù)合物III, 它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合

14、物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt.c）的還原。 QH2-cyt.c 還原酶 QH2 + 2cyt.c(Fe3+) Q+2 cyt.c(Fe2+)+2H+ QH2-cyt.c還原酶由9個(gè)多肽亞基組成。活性部分主要包括細(xì)胞色素b（b562、b566）和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。 由于QH2是一個(gè)雙電子載體，而參與上述反應(yīng)過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實(shí)際反應(yīng)情況比較復(fù)雜。QH2所攜帶的一個(gè)高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個(gè)電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH 還原成QH2。其結(jié)果是通過一個(gè)

15、循環(huán)，QH2將其中的一個(gè)電子傳遞給cyt.c。具體傳遞過如下:QH22Fe-2SC1C(還原型)第一個(gè)分子e-Q(氧化型) Q(bL) b566(bH) b562QQ e-e- e-QH2e-2Fe-2Se-e-C1 e-Ce-(還原型)第二個(gè)分子Q(氧化型) Q(bL)b566(bH) b562QQH2e-e-e- 第一階段第二階段2QH22 Q2Qe- e- e-CCQ Qbe-b-e- QQH2e-總反應(yīng)QH2Q2C-e-反應(yīng)(Q循環(huán))的結(jié)果(7).細(xì)胞色素 （簡(jiǎn)寫為cyt. ）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。

16、線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a、a3 b、c 和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細(xì)胞色素a, b, c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。 細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的。細(xì)胞色素c（cyt.c）的結(jié)構(gòu) 它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt. c通過Fe3+ Fe2+ 的互變起電子傳遞中間體作用。細(xì)胞色素c氧化酶 簡(jiǎn)寫為cyt.c 氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合物，由12個(gè)多肽亞基組成?；?/p>

17、性部分主要包括cyta和a3。 cyta和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。 在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+ Cu2+ 的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。細(xì)胞色素c氧化酶(8)琥珀酸-Q還原酶 琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復(fù)合物II）催化下，將兩個(gè)高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt, c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。 琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復(fù)合物, 它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部

18、分含有輔基FAD、Cyt b560和鐵硫蛋白。 琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。 3. 呼吸鏈中傳遞體的順序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物（四） 氧化磷酸化作用伴隨著放能的氧化作用而進(jìn)行的磷酸化。ADP + Pi + 能量 ATPAMP + PPi + 能量 ATP1. ATP的生成（1）底物水平磷酸化：在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。X + ADP ATP + XP（2）電子傳遞體系磷酸化: 電子從NAD

19、H或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧形成水，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的過程。NADHFMNCoQbc1caa3O2PPP3ADP3ATPP/O比值：在電子傳遞體系磷酸化中，在一定時(shí)間內(nèi)所消耗的氧（以克原子計(jì)）與所產(chǎn)生的ATP數(shù)目的比值。NADH的P/O=3FADH2的P/O=2在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出電位差不同和自由能的關(guān)系可由以下公式計(jì)算:能量(電池所做的功)=電位差電量 G=nFE，G = nFE0 G代表標(biāo)準(zhǔn)自由能, n為電子轉(zhuǎn)移數(shù),F為Farady常數(shù)96.49kJ/V(或23.062kcal/Vmol,1kcal=4.184kJ),E0 為電位差值。 G 以KJ/mol計(jì)。 細(xì)胞

20、色素 a o2 G =223.062(0.8160.29) = 223.0620.52= 99.9kJ/mol 在標(biāo)準(zhǔn)情況下, ATP ADP + Pi從G 的計(jì)算也可推斷氧化磷酸化的耦聯(lián)部位。O o21 o ATP水解釋放標(biāo)準(zhǔn)自由能30.54KJ/mol ATP合成吸收標(biāo)準(zhǔn)自由能30.54KJ/mol o2.胞液中NADH的氧化磷酸化呼吸鏈、生物氧化與氧化磷酸化都是在線粒體內(nèi)進(jìn)行的。線粒體的主要功能是氧化供能。線粒體具有雙層膜的結(jié)構(gòu)，外膜的通透性較大，內(nèi)膜有較嚴(yán)格的透過選擇性，通常通過外膜與細(xì)胞漿進(jìn)行物質(zhì)交換。已知道糖酵解作用是在胞漿中進(jìn)行的，在真核生物胞液中的NADH不能通過正常的線粒體內(nèi)

21、膜，要使糖酵解產(chǎn)生的NADH進(jìn)入呼吸鏈氧化生成ATP，必須通過較復(fù)雜的過程，據(jù)現(xiàn)在了解，線粒體外的NADH可將其所帶的轉(zhuǎn)交給某種能透過線粒體膜的化合物，進(jìn)入線粒體內(nèi)后再氧化。能完成這種穿梭任務(wù)的化合物有甘油磷酸與蘋果酸等。NADH + H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-磷酸線粒體內(nèi)膜甘油-磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2甘油磷酸脫氫酶(胞液)甘油磷酸脫氫酶(線粒體) 胞液或線粒體膜間隙糖酵解產(chǎn)生在肌肉和神經(jīng)組織中發(fā)生下反應(yīng)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈蘋果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)NADH

22、系統(tǒng)蘋果酸脫氫酶(胞質(zhì)中)蘋果酸脫氫酶(線粒體中)肝、腎、心等組織發(fā)生下列反應(yīng)線粒體內(nèi)膜胞液或線粒體膜間隙.線粒體的結(jié)構(gòu)線粒體橫切結(jié)構(gòu)模式圖F1(頭部）線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜內(nèi)側(cè)線粒體內(nèi)膜外側(cè) F0（基部）頸部合成酶ATP. 氧化磷酸化作用機(jī)理線粒體內(nèi)膜的功能概括為三個(gè)方面（每種反應(yīng)都限制在線粒體內(nèi)膜的一定部位）： (1)第一方面是丙酮酸以及脂肪酸氧化為CO2,同時(shí)使DNA+和FAD+還原為DNAH和FADH2,上述過程發(fā)生在線粒體基質(zhì)或面向基質(zhì)的內(nèi)膜蛋白質(zhì)上。(2)第二方面是電子從DNAH和FADH2傳至線粒體內(nèi)膜上，并同時(shí)形成跨膜質(zhì)子泵（膜內(nèi)外H+濃度差）。(3)第三方面是將貯存于電化學(xué)質(zhì)子梯度的能量由內(nèi)膜上的ATP合成酶（F0F1 ATPase)復(fù)合體合成ATP。氧化磷酸化作用機(jī)理化學(xué)滲透學(xué)說 氧化磷酸化作用的關(guān)鍵因素是質(zhì)子（H+）梯度和完整的線粒體內(nèi)膜?；瘜W(xué)耦聯(lián)學(xué)說形成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成。結(jié)構(gòu)耦聯(lián)學(xué)說Ared + Box 2eA*ox +BredA*ox + ADP +Pi Aox + ATPMH2MNAD+2H+Fe