生物氧化與新陳代謝課件

第五章新陳代謝總論與生物氧化第一節(jié)、新陳代謝總論第二節(jié)、生物氧化第一節(jié)新陳代謝總論一新陳代謝的概念新陳代謝

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)代謝二、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.對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。三、新陳代謝的調(diào)節(jié)三個(gè)水平調(diào)節(jié)：分子水平------酶濃度和數(shù)量的調(diào)節(jié)（包括基因水平上的調(diào)節(jié)）細(xì)胞水平------細(xì)胞區(qū)域化調(diào)節(jié)整體水平------激素和神經(jīng)的調(diào)節(jié)

生物體中T2=T1所以熱不能作功，能作功的能量是自由能。通常人們可以把能量分為兩種。一種是熱能，熱能做功只能引起溫度和壓力的變化；另一種是自由能可在恒溫恒壓下做功。自由能公式為：

△G＝△H－T△S△G－－－在恒溫、恒壓下，體系發(fā)生變化時(shí)的自由能變化△H－－體系焓的變化；T－－體系的絕對溫度；△S-----體系的墑變。

生物能學(xué)(Bioenergetics)

生物能的性質(zhì)1.自由能的概念：熱機(jī)作功公式為：

W=QT2–T1T2

W：所做的功Q：吸收的熱量T1：作功前溫度T2：作功后溫度自由能可以簡單的看成是用于做功的能量在熱力學(xué)中對自由能有嚴(yán)格的定義，在生化中，生物體用以做功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，或者說，在生物體內(nèi)體現(xiàn)自由能變化是一個(gè)能量逐步濃縮的過程：光能－－－ATP－－－碳水化合物這個(gè)過程用最簡潔的熱力學(xué)語言描述為：“自由能不斷增加，熵值不斷減小的過程”。2、什么是生物能

生物能主要是指生物分子的化學(xué)能，也包括一些形式的物理能如：動能、電能、輻射能、熱能等。生命活動中的能量形式同自然界能量形式一樣，同樣遵循熱力學(xué)第一定律即一種能量形式的產(chǎn)生，必然有另一種能量消失。

3.生物能的性質(zhì)1)生物能的來源；

例如光合碳素循環(huán)作用（植物的能量生成〕

光能－－－電能－－－活躍化學(xué)能－－－穩(wěn)定化學(xué)能

（ATP、NADPH〕(碳水化合物)

活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定化學(xué)能的過程：CO2＋NADPH(ATP)－－－CH2O2)標(biāo)準(zhǔn)生成自由能

標(biāo)準(zhǔn)生成自由能-----在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1摩爾純化合物的ΔG°就等于該化合物的標(biāo)準(zhǔn)自由能生成。見表20-2

3)偶聯(lián)反應(yīng)自由能變化的可加性及其意義例兩個(gè)相偶聯(lián)的反應(yīng)：A-----B+CΔG°=+5kcal/mol(+20.92kj/mol)B-----DΔG°=-8kcal/mol(-33.47kj/mol)A-----C+DΔG°=-3kcal/mol(-12,55kj/mol)偶聯(lián)反應(yīng)的自由能是可以加和的加和的結(jié)果是A生成C和D的反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。一個(gè)熱力學(xué)上不利的反應(yīng),可以由熱力學(xué)上有利的反應(yīng)所驅(qū)動。

概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。高能化合物中被水解的基團(tuán)稱為“高能基團(tuán)”，被水解的鍵稱為“高能鍵”用“～”表示

以磷酸作為高能基團(tuán)的高能化合物稱為“高能磷酸化合物”

五、

高能化合物PEPPPi1磷氧鍵型，其高能鍵是由磷和氧原子構(gòu)成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。高能化合物類型：常見磷酸化合物標(biāo)準(zhǔn)水解自由能ATPAMPADP

ATP的結(jié)構(gòu)特性1.結(jié)構(gòu)水解自由能：每個(gè)高能鍵的水解自由能為30.5kJ/mol或7.3kcar/mol

ATP在能量轉(zhuǎn)換中的地位和作用

作為能量通貨的原因：能量居中，可作為大多數(shù)能量轉(zhuǎn)換酶的能量供體或受體磷酸烯醇式丙酮酸~P~P~P~PATP甘油酸－1,3－2P18161412108642

生物能流：化學(xué)能太陽光能呼吸作用能量通貨損失：熱、熵光合作用CO2+H2O有機(jī)物化學(xué)能滲透能電能機(jī)械能熱能……ATP

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衔锪?、能量代謝與物質(zhì)代謝的關(guān)系異氧生物分解有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)并產(chǎn)生ATP的三個(gè)階段：乙酰輔酶A三羧酸循環(huán)脂肪酸多糖蛋白質(zhì)脂肪單糖甘油氨基酸第一階段第二階段第三階段乙酰輔酶A生物氧化的方式及特點(diǎn)一、生物氧化的概念

有機(jī)物在生物體內(nèi)氧化分解成二氧化碳和水并釋放和貯存能量的過程如葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）

碳成為二氧化碳，氫成為水，能量以熱的形式釋放或貯存于ATP二、生物氧化的方式1加氧氧化第二節(jié)生物氧化與氧化磷酸化(Biologicaloxidationandoxidativephosparylation)三、生物氧化的特點(diǎn)：生物氧化是生物體在熱力學(xué)允許的條件下的有序、可控的氧化過程，因?yàn)樯镅趸膱鏊羌?xì)胞，其基本過程是大分子分解為CO2和H2O，并產(chǎn)生能量。生物氧化又稱細(xì)胞呼吸（cellularrespiration)

1)逐步氧化，有序可控；2)條件溫和，多步酶促反應(yīng);3)能量逐步釋放并以ATP的方式貯存。4）分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。

思考題：

線粒體氧化體系是ATP生成和徹底氧化的主要途徑？

什么是電子傳遞呼吸鏈？遞體的組成有哪些？

物質(zhì)代謝時(shí)氧化和磷酸化是如何偶聯(lián)的？（2）氧化脫羧:蘋果酸

丙酮酸蘋果酸酶蘋果酸

丙酮酸蘋果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+OAH2AH2O1/2O2酶

一酶體系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶體系五、H2O的生成方式六、氧化酶類

1.電子轉(zhuǎn)移酶如：細(xì)胞色素類，這是一類催化氧化還原反應(yīng)的酶，其輔基是血紅素，作用部位是血紅素中的鐵離子，接受電子和釋放電子催化反應(yīng)2.氧化酶：（1）一般氧化酶：單獨(dú)使底物脫氫，并把氫交給氧的酶類，如一酶體系中的多酚氧化酶。（3）末端氧化酶：處于一系列氧化還原酶末端，直接將遞體的電子交給氧生成水的酶，如上述多酶體系中的最后一個(gè)酶（2）黃素氧化酶：接受底物的氫，并把它交給氧分子而生成過氧化氫的酶。輔基通常是FAD。如黃嘌呤氧化酶3.脫氫酶：催化底物脫氫，脫下的氫交給遞氫體的酶。輔基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脫氫酶：4.加氧酶：加雙氧酶和加單氧酶一、電子傳遞呼吸鏈

指線粒體內(nèi)膜上的電子傳遞系統(tǒng)，即電子從NADH到O2的傳遞經(jīng)過的途徑類別：NADH呼吸鏈：NADH脫氫酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3

FADH2呼吸鏈：琥珀酸脫氫酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3

呼吸鏈主要由蛋白質(zhì)復(fù)合體組成分為四部分：

NADH－－－－Q還原酶；

琥珀酸－－－Q還原酶；細(xì)胞色素還原酶；細(xì)胞色素氧化酶

電子傳遞和氧化呼吸鏈

NAD－NADH－Q還原酶－Q－細(xì)胞色素還原酶－細(xì)胞色素C－細(xì)胞色素氧化酶－O2

琥珀酸－Q還原酶

黃素蛋白中的FADH23.CoQ：是醌式化合物，可接受一對質(zhì)子和一對電子，是呼吸鏈上唯一的有機(jī)分子，在膜中比較自由。其反應(yīng)如下：（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的電子，且具有質(zhì)子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，與Cytb組成一個(gè)復(fù)合體，它可接受b的電子，并把它傳給Cytc4.細(xì)胞色素還原酶（復(fù)合酶III）所有的細(xì)胞色素類都是蛋白質(zhì)，都含有輔基—血紅素，如Cytc的輔基與蛋白質(zhì)的結(jié)合。Fe2+Fe3++e－其中的鐵離子可接受電子和釋放電子內(nèi)膜外內(nèi)5.細(xì)胞色素氧化酶（復(fù)合酶IV）主要催化細(xì)胞色素C到細(xì)胞色素a·a3的電子傳遞：a·a3是兩個(gè)細(xì)胞色素的復(fù)合體，是一個(gè)跨膜蛋白，含有Cu離子。在膜的外部，Cyta接受Cytc的電子，經(jīng)過Cu傳給a3，a3的活性中心在膜的內(nèi)側(cè)，可以將其電子直接傳給氧分子而生成水。該復(fù)合體也有質(zhì)子泵功能。

該復(fù)合體又稱呼吸鏈末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，處于膜的外側(cè)，可接受Cytc1的電子，并傳給Cyta·a3。Cytc2e-內(nèi)膜外內(nèi)2H+內(nèi)膜外內(nèi)NADH→FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2

-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816

琥珀酸→

FAD→CoQ→b→c1→

c→aa3

→

O2

+0.06三、工作機(jī)理：

1.呼吸鏈組分排列順序及氧化還原電位：2.工作機(jī)理：

復(fù)合酶III復(fù)合酶I復(fù)合酶IV復(fù)合酶II內(nèi)外IIIIIIIVc內(nèi)膜QNADH琥珀酸1/2O2四、存在狀態(tài)

四個(gè)復(fù)合體：

復(fù)合體I：NADH脫氫酶、鐵硫蛋白復(fù)合體II：琥珀酸脫氫酶、鐵硫蛋白

復(fù)合體III：細(xì)胞色素b、c1

復(fù)合體IV：細(xì)胞色素氧化酶

IIIIIIIVcQ內(nèi)膜內(nèi)外外膜FP2FP3FP4b5

NADH→FP2（內(nèi)膜內(nèi)側(cè)）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP3（內(nèi)膜外側(cè)）→Q→b→c1→c→aa3→O2NADH→FP4（外膜）→b5→c→aa3→O2五、植物中的呼吸支路NADHNADH1/2O2琥珀酸NADHNADH

→

FMN→CoQ→b→c1

→

c→aa3

→

O2六、電子傳遞抑制劑：魚藤酮、安密妥、殺粉蝶素抗霉素ACN–、N3–CO、H2S

抑制部位1.抑制NADH→Q還原酶內(nèi)的電子傳遞抑制部位2.抑制CoQ→c1的所在傳遞抑制部位3.抑制細(xì)胞色素氧化酶中電子的傳遞

氧化磷酸化

一、概念:伴隨生物氧化的放能反應(yīng)并由ADP與Pi合成ATP的過程。二、類型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下將高能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP合成ATP的過程。丙酮酸激酶氧化磷酸化：與呼吸鏈電子傳遞相偶聯(lián)合成ATP的過程,又叫偶聯(lián)磷酸化。

NADHO2呼吸鏈能量ADP+PiATP三、偶聯(lián)部位:

1.電位：電位差在0.158伏以上的部位可以偶聯(lián)產(chǎn)生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2

每消耗1原子氧同時(shí)消耗幾原子磷，即每傳遞1對電子可偶聯(lián)產(chǎn)生幾分子ATP底物 NADH 琥珀酸 CoQ 細(xì)胞色素cP/O 3 2 2 1ATP2.51.51.512.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸主鏈產(chǎn)能部位:第一部位NADH------CoQ產(chǎn)生1個(gè)ATP第二部位CoQ-------CytC產(chǎn)生0.5個(gè)ATP第三部位CytC1--------O2產(chǎn)生1個(gè)ATP

四、氧化磷酸化機(jī)理:1.氧化磷酸化的細(xì)胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)線粒體（mitochondria）外膜（outermembrane）內(nèi)膜（innermembrane）嵴（sterility）2.F1-F0因子：結(jié)構(gòu)膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5種共9個(gè)亞基，亞基為ATP合成部位F0：多個(gè)疏水亞基，嵌入膜內(nèi)，為質(zhì)子通道和F1的基底。g亞基突出與F0結(jié)合ATPADP+Pigaaabbb內(nèi)膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0的工作機(jī)理IIIIIIIVcQ內(nèi)膜內(nèi)外FMNbc1aa3F1F0（1）化學(xué)偶聯(lián)假說（Chemicalcouplinghypothesis)（2）構(gòu)象偶聯(lián)假說(conformationalcouplinghypothesis)（3）化學(xué)滲透學(xué)說（Chemicalosmotictheory）（Mitchell1961）1/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+電子傳遞泵出質(zhì)子，內(nèi)膜的內(nèi)外側(cè)形成質(zhì)子的濃度梯度和電位梯度，總稱為質(zhì)子的電化學(xué)梯度2H+2.氧化磷酸化機(jī)理化學(xué)滲透學(xué)說機(jī)理化學(xué)滲透學(xué)說要點(diǎn)線粒體的內(nèi)膜是完整的封閉系統(tǒng)。電子傳遞過程中，釋放能量將質(zhì)子由內(nèi)膜內(nèi)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)。內(nèi)膜兩側(cè)形成質(zhì)子電化學(xué)梯度，蘊(yùn)藏了進(jìn)行磷酸化的能量。4.質(zhì)子經(jīng)F1—F0復(fù)合體回到內(nèi)膜內(nèi)側(cè)，推動ADP磷酸化形成ATP?；瘜W(xué)滲透學(xué)說的試驗(yàn)根據(jù)—氧化磷酸化重建試驗(yàn)（只傳遞電子）（水解ATP）（電子傳遞、氧化磷酸化）（電子傳遞、氧化磷酸化）外膜內(nèi)膜MH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1CytcCytaa32e?O2O2-X-+IO-XHIOHH2OX~IX~IX~I頭部ATP合酶ADP+PiATP2H+X-+IO-H2O化學(xué)滲透學(xué)說設(shè)A、B為呼吸鏈鄰近的兩個(gè)電子傳遞體AH2+B+I→A~I+BH2

（可進(jìn)行下一輪傳遞）A~I+X→X~I+AX~I+Pi→X~P+IX~P+ADP→ATP+X作用機(jī)理：將內(nèi)膜外側(cè)的質(zhì)子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的內(nèi)側(cè)，從而瓦解質(zhì)子的電化學(xué)梯度。解偶聯(lián)(uncoupling)—使相互偶聯(lián)的電子傳遞的放能過程和ATP合成的需能過程分離的現(xiàn)象稱為解偶聯(lián)。能夠解偶聯(lián)的物質(zhì)叫解偶聯(lián)劑。

解偶聯(lián)劑有多種物質(zhì)，如：解偶聯(lián)蛋白、2.4-二硝基苯酚、雙香豆素等典型的解偶聯(lián)劑2，4—二硝基苯酚作用機(jī)理。外內(nèi)內(nèi)膜五、氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑(uncoupler)和抑制劑氧化磷酸化抑制劑(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—F0復(fù)合體，抑制ATP合成的物質(zhì)。如寡霉素，其作用機(jī)理使堵塞了質(zhì)子通道。內(nèi)膜bdgebab內(nèi)膜aadge2H+2H+2H+2H+2H+寡Q→b→c1→c→a.a3內(nèi)膜外膜細(xì)胞質(zhì)六、氧化磷酸化物質(zhì)的運(yùn)輸III1.外源NADH運(yùn)輸

（1）動物：穿梭系統(tǒng)：磷酸甘油穿梭組成：兩種磷酸甘油脫氫酶O2磷酸二羥丙酮-磷酸甘油磷酸二羥丙酮-磷酸甘油酶II嵌入蛋白功能：將磷酸甘油的電子傳給CoQ，而使外源NADH的電子進(jìn)入呼吸鏈。外源NADH的電子被轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，這種系統(tǒng)中，NADH可以產(chǎn)生2個(gè)ATP。酶I：可溶性酶，存在于細(xì)胞質(zhì)中-磷酸甘油磷酸二羥丙酮FADFADH2①①②②呼吸鏈C2內(nèi)膜外膜C1蘋果酸穿梭:該系統(tǒng)由兩種蘋果酸脫氫酶（①，存在于細(xì)胞質(zhì)和線粒體），兩種谷草轉(zhuǎn)氨酶（②，存在于細(xì)胞質(zhì)和線粒體）和C1、C2兩個(gè)載體組成外源NADH被轉(zhuǎn)移到線粒體內(nèi)，這種系統(tǒng)中，NADH可以產(chǎn)生3個(gè)ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸蘋果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+蘋果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+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系統(tǒng)（2）植物植物可以通過其呼吸支路將外源NADH轉(zhuǎn)移到呼吸鏈，當(dāng)然這種方式每個(gè)NADH只能產(chǎn)生2個(gè)ATPIIIIIVcQ1/2O2內(nèi)膜內(nèi)外外膜NADHFP3FP4b52.ATP、ADP和無機(jī)磷酸的運(yùn)輸（1）ATP、ADP的交換運(yùn)輸ATP、ADP是由同一個(gè)載體叫ATP/ADP交換體，也叫腺苷酸載體的膜蛋白進(jìn)行交換運(yùn)輸?shù)?。這個(gè)載體為二聚體，其機(jī)理見圖。

屬于主動運(yùn)輸（2）無機(jī)磷酸的運(yùn)輸由線粒體膜上的磷酸載體進(jìn)行交換運(yùn)輸，屬于主動運(yùn)輸線粒體內(nèi)膜細(xì)胞質(zhì)H2PO4－HO－線粒體內(nèi)膜細(xì)胞質(zhì)ADP3－ATP4－ATP4－ADP3－ATP4－

1.ATP能量的利用其主要方式是水解，以釋放其高的水解自由能，催化方式有兩種：ATP+H2O→ADP+PiATP水解的高能磷酸基團(tuán)往往使底物磷酸化，使有機(jī)分子提高能位或蛋白質(zhì)分子發(fā)生變構(gòu)。ATP+H2O→AMP+PPi這種水解方式產(chǎn)生的PPi迅速被焦磷酸酶水解，因此該過程消耗了ATP的兩個(gè)高能鍵，是高度供能的過程。2.ATP能量的貯存七、ATP能量的利用與貯存肌酸磷酸肌酸八、細(xì)胞內(nèi)ATP含量的調(diào)節(jié)

能荷（energycharge）：總腺苷酸中所負(fù)荷的ATP的比例正常條件下，細(xì)胞中能荷在0.8左右。ATP、ADP、AMP以及Pi是一些調(diào)節(jié)酶的變構(gòu)劑，通過調(diào)節(jié)酶的活性來調(diào)節(jié)細(xì)胞的能荷。

其它末端氧化酶一、多酚氧化酶系統(tǒng)褐變、殺菌、生色（制茶）二、抗壞血酸氧化酶系統(tǒng)多酚氧化酶醌還原酶脫氫酶抗壞血酸（As）脫氫抗壞血酸（DAs）抗壞血酸氧化酶脫氫酶谷胱甘肽還原酶脫氫抗壞血酸還原酶抗壞血酸氧化酶三、黃素蛋白氧化酶AH2A或FMN或FMNH2酶四、超氧化物歧化酶和過氧化氫酶超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD

）：廣泛地存在于需氧生物中，作用為細(xì)