代謝導(dǎo)論和生物氧化

代謝導(dǎo)論和生物氧化第1頁/共53頁

小分子大分子合成代謝（同化作用）

需要能量

釋放能量分解代謝（異化作用）

大分子小分子物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝第2頁/共53頁第2節(jié)生物氧化一、生物氧化的概念、特點1.生物氧化的概念廣義的生物氧化：

糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機物質(zhì)在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（呼吸作用）。其實質(zhì)是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。狹義的生物氧化：代謝中間物脫氫生成的還原型輔酶（NADH和FADH2）經(jīng)電子傳遞鏈（呼吸鏈）傳遞給分子氧生成水，電子傳遞過程伴隨著ADP磷酸化生成ATP。第3頁/共53頁脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物氧化的三個階段第4頁/共53頁在細胞內(nèi)進行，是在體溫、常壓、近中性及有水的環(huán)境中進行的。是在一系列酶、輔酶、和中間傳遞體的作用下逐步進行的，每一步都放出一部分的能量，逐步釋放能量的總和則與同一氧化反應(yīng)在體外進行時相同。釋放的能量通常都先貯存在一些特殊的高能化合物如ATP中，以后通過這些物質(zhì)的轉(zhuǎn)移作用，以滿足機體各種需能及反應(yīng)的需要。部位：真核生物：在線粒體內(nèi)膜內(nèi)進行。原核生物：在細胞膜上進行。CO2通過有機酸脫羧產(chǎn)生，H2O通過呼吸鏈產(chǎn)生。2.生物氧化的特點第5頁/共53頁線粒體的結(jié)構(gòu):外膜：含孔蛋白(porin)，通透性較高。內(nèi)膜：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）。含有與生物氧化和能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白。膜間隙：含許多可溶性酶、底物及輔助因子?；|(zhì)：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。第6頁/共53頁CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第7頁/共53頁H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O

。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1/2

O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+第8頁/共53頁二、生物能1.生物能和ATP生物能：指能夠被生物細胞直接利用的特殊能量形式。ATP是生物能存在的主要形式ATP是生物體通用的能量貨幣。生物能存儲于ATP的焦磷酸鍵中，ATP通過水解反應(yīng)為細胞提供能量。

ATP水解即可生成ADP也可生成AMP但釋放能量一樣。

ADP+PiATPATP+H2OADP+PiG’=-30.5kJ/molATP+H2OAMP+PPiG’=-30.5kJ/molPPi+H2O2PiG’=-29kJ/mol第9頁/共53頁2.高能磷酸化合物

高能化合物：水解時釋放5000卡/mol及以上自由能的化合物。一般將水解時能夠釋放20.92kJ（5000cal)以上自由能的鍵稱高能鍵,用“～”表示。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出大量自由能(＞5000卡/mol)稱為高能磷酸化合物。磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。第10頁/共53頁①ATP是細胞內(nèi)產(chǎn)能反應(yīng)和需能反應(yīng)的化學(xué)偶聯(lián)劑,在傳遞能量方面起著轉(zhuǎn)運站的作用，它是能量的攜帶者和轉(zhuǎn)運者，但不是能量的貯存者(磷酸肌酸、磷酸精氨酸)。磷酸肌酸（C～P）是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動之需。這一反應(yīng)過程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

CPKC～P+ADPC+ATP②在磷酸基轉(zhuǎn)移中的作用:

ATP是磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)的中間載體。ATP在生化反應(yīng)中的特殊作用：第11頁/共53頁第12頁/共53頁第3節(jié)電子傳遞和氧化磷酸化一、電子傳遞鏈

在生物氧化過程中，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，最后交給被激活的氧分子而生成水的全部體系稱為電子傳遞鏈(ETS)或電子傳遞體系，又稱呼吸鏈。部位：線粒體內(nèi)膜（真核生物）或細胞膜（原核生物）。第13頁/共53頁NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈1.電子傳遞鏈的組成：第14頁/共53頁(1)煙酰胺脫氫酶類(2)黃素脫氫酶類（flavoproteins,FP）(3)鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)(4)輔酶Ｑ（亦寫作CoQ）(5)細胞色素類（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）電子傳遞鏈的組成：第15頁/共53頁(1)煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體基質(zhì)或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H

NAD(P)H+H+第16頁/共53頁(2)黃素脫氫酶類

特點：

以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白。類別：NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第17頁/共53頁(3)鐵硫蛋白（鐵硫中心）類

+e

傳遞電子機理：Fe3+Fe2+

-e

特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（如Fe2S2,Fe4S4)，構(gòu)成Fe—S中心，F(xiàn)e通過與蛋白質(zhì)分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。第18頁/共53頁第19頁/共53頁(4)輔酶Q（CoQ）

特點：又名泛醌，為帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。不同來源的CoQ基本結(jié)構(gòu)相同，只是在側(cè)鏈上的異戊二烯單位的數(shù)目存在差別，動物線粒體的CoQ有10個異戊二烯單位，用CoQ10表示。+2H

傳遞氫機理：CoQCoQH2

－2H第20頁/共53頁CoQ的結(jié)構(gòu)和遞氫原理CoQ+2HCoQH2第21頁/共53頁(5)細胞色素類

傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+

－e－e

特點：以血紅素（鐵卟啉）的衍生物為輔基。

類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，a和a3以復(fù)合物形式存在，稱細胞色素C氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。第22頁/共53頁第23頁/共53頁

這些遞氫體和遞電子體往往以復(fù)合體的形式存在于線粒體內(nèi)膜上。電子傳遞有嚴格順序，只能從氧化還原勢較低的載體傳遞到氧化還原勢較高的載體。2.電子傳遞鏈的電子傳遞順序第24頁/共53頁第25頁/共53頁電子傳遞鏈中各傳遞體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物IIINADH-泛醌還原酶泛醌-細胞色素c還原酶細胞色素c氧化酶琥珀酸-泛醌還原酶第26頁/共53頁第27頁/共53頁NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c1-c-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第28頁/共53頁第29頁/共53頁

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能二、氧化磷酸化第30頁/共53頁生物系統(tǒng)中的能流D第31頁/共53頁底物水平磷酸化:代謝物在氧化脫氫或脫水時，能量在分子內(nèi)部重排，形成某些高能中間代謝物，這些高能中間代謝物中的高能鍵，可以通過酶促磷酸基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)，直接使ADP磷酸化生成ATP，這種作用稱為底物水平磷酸化。電子傳遞體系磷酸化:當電子從NADH2或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧形成水時，同時伴隨著ADP磷酸化為ATP，也叫氧化磷酸化。1.氧化磷酸化作用類型:第32頁/共53頁

底物水平磷酸化僅見于下列三個反應(yīng)：

⑴3-磷酸甘油酸激酶

1,3-二磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP

⑵丙酮酸激酶磷酸烯醇式丙酮酸+ADP烯醇式丙酮酸+ATP

⑶琥珀酰硫激酶琥珀酰CoA+H3PO4+GDP琥珀酸+CoA+GTP第33頁/共53頁高能磷酸化合物第34頁/共53頁第35頁/共53頁高能磷酸化合物第36頁/共53頁丙酮酸激酶第37頁/共53頁TCA第二階段：氧化脫羧CO2GDP＋PiGTPNAD+NADH+H+NAD+NADH+H+CoASH異檸檬酸脫氫酶CO2－酮戊二酸脫氫酶琥珀酸硫激酶CoASH第38頁/共53頁呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降與ATP的生成FADH22e-NADH2.氧化磷酸化的偶聯(lián)部位和磷氧比（P/O

）第39頁/共53頁第40頁/共53頁磷氧比（P/O

）

每消耗1mol氧原子所消耗無機磷酸的摩爾數(shù)稱為磷氧比。P/O的數(shù)值反映了一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至氧原子所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O

實測得NADH呼吸鏈：P/O~3ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第41頁/共53頁3.氧化磷酸化的細胞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地排列著的球狀顆粒，稱為基粒，也叫“三聯(lián)體”或“ATP酶復(fù)合體”，是ATP合成的場所。(1)F1（頭部）：含有5種不同的亞基（

3

3

），其功能是催化生成ATP。(2)柄部：含有OSCP(寡霉素敏感性蛋白)，使ATP合成酶在寡霉素存在時不能生成ATP。(3)Fo（基部）：是鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中的質(zhì)子通道,與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。第42頁/共53頁線粒體的結(jié)構(gòu):外膜：含孔蛋白(porin)，通透性較高。內(nèi)膜：高度不通透性，向內(nèi)折疊形成嵴（cristae）。含有與生物氧化和能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的蛋白。膜間隙：含許多可溶性酶、底物及輔助因子。基質(zhì)：含三羧酸循環(huán)酶系、線粒體基因表達酶系等以及線粒體DNA,RNA，核糖體。第43頁/共53頁第44頁/共53頁4.氧化磷酸化作用的機理

化學(xué)滲透假說（chemiosmotichypothesis）：是20世紀60年代初由PeterMitchell提出的，1978年獲諾貝爾化學(xué)獎?；疽c：電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，可將質(zhì)子(H+)從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)（膜間隙側(cè)），產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學(xué)梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差），以此儲存能量。當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP。第45頁/共53頁電子傳遞鏈在線粒體內(nèi)膜中共構(gòu)成3個回路，每個回路均有質(zhì)子泵的作用

。第一個回路：由NADH提供1個H+和2個e，加上線粒體基質(zhì)內(nèi)1個H+使FMN還原成FMNH2，F(xiàn)MNH2向內(nèi)膜胞液側(cè)釋出2個H+，將2個e還原鐵硫蛋白（Fe-S）。第二個回路：開始時Fe-S放出2個e重新被氧化，將2個e加上基質(zhì)內(nèi)的2個H+傳遞給泛醌，使泛醌還原成CoQH2。CoQH2移至內(nèi)膜胞液側(cè)釋出2個H+，而將2個e交給Cytb。第三個回路：還原型