能量代謝與生物能的利用課件

第七章能量代謝與生物能的利用第七章能量代謝與生物能的利用1本章內(nèi)容新陳代謝生物能學生物氧化本章內(nèi)容新陳代謝2一、新陳代謝（一）新陳代謝的概念：1、概念：

新陳代謝（metabolism)活細胞中所有化學變化的總稱。每一變化均由酶催化。呼吸作用生長運動光合作用等一、新陳代謝（一）新陳代謝的概念：32、類型：合成代謝：

由小分子合成生物大分子的過程；耗能分解代謝：

將生物大分子分解成小分子的過程；放能一、新陳代謝2、類型：合成代謝：一、新陳代謝4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)代謝新陳代謝合成代謝分解代謝生物小分子合成為需要5能量代謝：

研究代謝過程中伴隨著生物體的合成代謝分解代謝中能量的變化。物質(zhì)代謝：即生命物質(zhì)的降解和建成，包括合成代謝和分解代謝。它與能量代謝緊密偶聯(lián)、互成因果。能量代謝：研究代謝過程中伴隨著生物體的合成代謝分解代謝6代謝途徑（metabolismpathway)：

指糖、脂類、蛋白質(zhì)、核酸及水、鹽代謝的一系列化學反應(yīng)。代謝物：

統(tǒng)指代謝反應(yīng)中任一反應(yīng)物、中間產(chǎn)物或產(chǎn)物。一、新陳代謝一、新陳代謝73、代謝特點：1）嚴格的細胞內(nèi)定位2）特異的酶促反應(yīng)3）共通的代謝間關(guān)聯(lián)4）嚴謹?shù)姆磻?yīng)順序5）高效率的調(diào)控機構(gòu)馬蠅一、新陳代謝總論3、代謝特點：1）嚴格的細胞內(nèi)定位一、新陳代謝總論8中間代謝-----物質(zhì)在細胞內(nèi)的分解和合成過程人體細胞外的消化分為四個過程：1)口腔內(nèi)的消化2)胃的消化3)小腸消化4)大腸消化中間代謝-----物質(zhì)在細胞內(nèi)的分解和合成過程人體細胞外的消9（二）研究新陳代謝的方法：1、活體內(nèi)與活體外實驗：1）在活體內(nèi)（invivo）：

生物體內(nèi):動物實驗、組織細胞培養(yǎng)等。一、新陳代謝（二）研究新陳代謝的方法：1、活體內(nèi)與活體外實驗：一、新陳代10例如1904年，德國生物學家Knoop根據(jù)體內(nèi)實驗提出脂肪酸

--氧化學說。

一CH2CH2一CH2CH2一CH2COOH---2CH3COOH+

一CH2COOH

一CH2一CH2CH2一CH2COOH---2CH3COOH+

一COOH

例如1904年，德國生物學家Knoop根據(jù)體內(nèi)實驗提出脂肪酸112）在活體外（invitro)：在試管內(nèi)進行:細胞切片、勻漿液、提取液等。2）在活體外（invitro)：在試管內(nèi)進行:細胞切片、勻122、同位素示蹤法：同位素標記某種代謝物，然后追蹤同位元素在體內(nèi)的變化途徑，就能獲得有關(guān)代謝途徑的豐富知識。一、新陳代謝2、同位素示蹤法：同位素標記某種代謝物，然后追蹤同位元素在體133、代謝途徑阻斷等方法

用抗代謝物或酶抑制劑阻抑中間代謝的某一環(huán)節(jié)，使中間物積累，便于分析和推測代謝情況。一、新陳代謝3、代謝途徑阻斷等方法用抗代謝物或酶抑制劑阻抑中間代謝141、下列關(guān)于新陳代謝敘述中不正確的是（）A、新陳代謝是一切生物生存的基本條件B、新陳代謝的過程是生物體自我更新的過程C、新陳代謝過程中包含著物質(zhì)變化和能量變化D、新陳代謝包括同化作用和異化作用兩個完全對立的過程2、一個長期生病、逐漸消瘦。他的新陳代謝的特點是（）作用占有優(yōu)勢。1、下列關(guān)于新陳代謝敘述中不正確的是（）A、新15(D,異化)

二、生物能學—

生物體內(nèi)新陳代謝的規(guī)律（一）熱力學第一定律與生物體系熱力學第一定律：能量即不能創(chuàng)造也不能消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。1、生物體系是一個開放體系。特點：與環(huán)境有物質(zhì)交換和能量交換。

(D,異化)

二、生物能學—

生物體內(nèi)新陳代謝的規(guī)律（一162、化學能的變化：光能化學能二、生物能學光合生物機械能電能熱能輻射能生物體與環(huán)境的總能量保持不變。特點：能量逐步釋放。2、化學能的變化：光能化學能二、生物能學光合生17（二）熱力學第二定律與生物體系熱力學第二定律：指任何一種物理或化學的過程都自發(fā)地趨向于增加體系與環(huán)境的總熵。（二）熱力學第二定律與生物體系18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，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度或無序性，是一種無用的能。生命依靠能量的不斷輸入一直在與熱力學第二定律作抗爭。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19ΔG=ΔH-TΔS該方程式表說明：

G<0，體系的反應(yīng)能自發(fā)進行.

G>0，反應(yīng)不能自發(fā)進行，當給體系補充自由能時，才能推動反應(yīng)進行。

G=0，表明體系已處于平衡狀態(tài)。

對于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]ΔG=ΔH-TΔS該方程式表說明：G<0，20（三）高能化合物與ATP的作用高能化合物------隨水解反應(yīng)或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)放出大量自由能的化合物。高能磷酸化合物------含有高能磷酸轉(zhuǎn)移基團的化合物。常用~p表示。例如：葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖+ADP（三）高能化合物與ATP的作用高能化合物------隨水解21生物體內(nèi)的放能反應(yīng)與吸能反應(yīng)偶聯(lián)，最基本的形式是通過高能化合物實現(xiàn)的1、類型：1）磷氧鍵型：如ATP等2）氮磷鍵型：如磷酸肌酸等3）硫酯鍵型：如脂酰CoA等4）甲硫鍵型：S-腺苷甲硫氨酸二、生物能學生物體內(nèi)的放能反應(yīng)與吸能反應(yīng)偶聯(lián)，最基本的形式是通過22機械能--運動化學能--合成滲透能--分泌吸收電能--生物電熱能--體溫光能--生物發(fā)光ATP是生物系統(tǒng)能量交換的中心熒火蟲2.ATP的特殊作用二、生物能學機械能--運動化學能--合成滲透能--分泌吸收電能--生物電23其他三磷酸核苷也可作為能量直接來源。如三磷酸尿苷（UTP）----用于多糖的合成。

ATP+UDP

ADP+UTP

三磷酸胞苷（CTP）----用于磷酯的合成。ATP+CDP

ADP+CTP

三磷酸鳥苷（GTP）----用于蛋白質(zhì)的合成。ATP+GDP

ADP+GTP

磷酸肌酸----是動物組織中的能量貯存形式。

其他三磷酸核苷也可作為能量直接來源。24將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給肌酸以

磷酸肌酸形式儲存將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給肌酸以

磷酸肌酸形式儲存25三、生物氧化（一）概念：概念：有機物質(zhì)（糖、脂肪和蛋白質(zhì)）在生物細胞內(nèi)進行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。三、生物氧化（一）概念：26生物氧化燃燒

特點：

◆在活體細胞中進行，需酶參加◆溫和條件◆復(fù)雜的氧化還原過程◆能量逐步釋放，以ATP形式儲存和轉(zhuǎn)運◆真核細胞在線粒體內(nèi)膜，原核細胞在質(zhì)膜上進行。生物氧化燃燒

特點：◆在活體細胞中進行27類型：1、電子轉(zhuǎn)移：2、氫原子的轉(zhuǎn)移：3、有機還原劑直接加氧:三、生物氧化類型：1、電子轉(zhuǎn)移：三、生物氧化28加水脫氫(實質(zhì)是加氧反應(yīng))酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)加水脫氫(實質(zhì)是加氧反應(yīng))酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)29

（二）CO2的生成生物體內(nèi)CO2的生成來源于有機物轉(zhuǎn)變?yōu)楹然衔锏拿擊茸饔谩＃ǘ〤O2的生成生物體內(nèi)CO2的生成來源30α-脫羧（羧基位置）β-脫羧分類單純脫羧（不伴氧化）氧化脫羧（伴氧化）節(jié)α-脫羧分類單純脫羧（不伴氧化）氧化脫羧（伴氧化）節(jié)31

1.α-單純脫羧

COOHC=OCH2COOHαβ2.β-單純脫羧COOHC=O+CO2

CH3

O‖CH3CH+CO2

1）單純脫羧

O‖CH3CCOOH返回1.α-單純脫羧COOHαβ2.β-單純脫羧CO321.α-氧化脫羧2.β-氧化脫羧

O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+

O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADPH+H+

CH3COOHCHOH+NADP+CH2COOHβα2）氧化脫羧返回1.α-氧化脫羧2.β-氧化脫羧33（三）H2O的生成代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧結(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（三）H2O的生成代謝物脫下的氫經(jīng)生物氧化作用和吸入的氧341、呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）：

代謝物上氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列電子傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的過程。2、呼吸鏈的類型：1）NADH呼吸鏈：產(chǎn)生3個ATP2）FADH2呼吸鏈：產(chǎn)生2個ATP1、呼吸鏈（又稱電子傳遞鏈）：35NADH電子傳遞鏈FADH2電子傳遞鏈

NADH電子傳遞鏈FADH2電子傳遞鏈363、呼吸鏈的組分：

呼吸鏈的組成:脫氫酶、呼吸傳遞體、未端氧化酶組成的生物氧化酶體系。三、生物氧化3、呼吸鏈的組分：呼吸鏈的組成:脫氫酶、呼吸傳遞37

1)脫氫酶及與其相聯(lián)系的傳遞體煙酰胺腺嘌呤核苷酸類輔酶有兩種：NAD-----輔酶I（COI）和NADP-----輔酶II（COII）

黃素脫氫酶類輔基有兩種：FMN和FAD

輔酶Q（泛醌）1)脫氫酶及與其相聯(lián)系的傳遞體38（泛醌、亦簡稱Q。是許多酶的輔酶)是脂溶性醌類化合物，而且分子較小，可在線粒體內(nèi)膜的磷脂雙分子層的疏水區(qū)自由擴散。*功能基團是苯醌,通過醌/酚的互變傳遞氫，Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受2個電子和2個質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出2個電子和2個質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。輔酶Q返回（泛醌、亦簡稱Q。是許多酶的輔酶)是脂溶性醌類化合物，而且分39

2)、電子傳遞與末端氧化酶體系

細胞色素氧化酶體系這是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)在呼吸鏈中，依靠活性中心

中鐵的化合的價變化而傳遞電子。目前發(fā)現(xiàn)細胞色素有多種如

a、a3、b、c1、c2等，在呼吸鏈中的排列序順為b

c1

c

aa3

O2

鐵硫蛋白類（Fe~S)通過鐵硫中心Fe2+/Fe3+

進行電子傳遞。

酚氧化酶體系通過Cu+/Cu2+

進行電子傳遞?？箟难嵫趸阁w系

通過Cu+/Cu2+

進行電子傳遞。2)、電子傳遞與末端氧化酶體系40

是以鐵卟啉（血紅素）為輔基的蛋白質(zhì)（有顏色），高等動物線粒體呼吸鏈中主要含有5種細胞色素a、a3、b、c、c1等。

細胞色素主要是通過輔基中Fe3+

Fe2+的互變起傳遞電子的作用。一個細胞色素每次傳遞一個電子。細胞色素（cytochrome,cyt）下頁細胞色素（cytochrome,cyt）41鐵硫蛋白鐵硫聚簇（Fe-S中心）主要以（Fe-S）(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，鐵硫聚簇與蛋白質(zhì)結(jié)合稱為鐵硫蛋白。下頁鐵硫蛋白鐵硫聚簇（Fe-S中心）主要以（Fe-S）(242

CysSSSCysFe3+

Fe3+

CysSSSCys

CysSSSCysFe3+

Fe2+

CysSSSCys

+e--e-鐵硫聚簇通過Fe3+

Fe2+

變化，將氫從FMNH2上脫下傳給CoQ，同時起傳遞電子的作用，每次傳遞一個電子.返回+e--e-鐵硫聚簇通過Fe3+Fe2+變化，將氫從43NADH鏈2H+2eSH2NADFMNH2COQ2cyt-Fe2+1/2O2

SNADH2FMNCOQH22cyt-Fe3+O2-

H2O2e

能量代謝與生物能的利用課件444.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

E0’

低

高

抑制劑：呼吸毒物(阻斷電子傳遞)抗霉素A氰化物，CO，疊氮化合物阿的平解偶聯(lián)劑:破壞呼吸鏈釋放的能量用于ATP合成如:2,4-二硝基苯酚、P-三氟甲氧基苯腙二氰化物、雙香豆素都是常解偶聯(lián)劑。并不抑制電子傳遞)4.呼吸鏈中傳遞體的順序MH2NADH-0.32FMN-45（四）氧化磷酸化作用——伴隨著放能的氧化作用而進行的磷酸化。主要由：ADP+Pi+能量→ATP少數(shù)情況：AMP+PPi+能量→ATP1.ATP的生成（1）底物水平磷酸化（2）電子傳遞體系磷酸化（四）氧化磷酸化作用——伴隨著放能的氧化作用而進行的磷酸461)底物水平

磷酸化------是指底物在氧化過程中，分子內(nèi)部能量重新分布而形成為一種高能磷酸化合物。這種高能磷酸化合物的基團和鍵能可轉(zhuǎn)移到ADP中形成ATP。例如：OCHOC--O~PCOOH|+H3PO4||CHOH<==============>CHOH<==========>CHOH|NADNADH++H+|ADPATP|CH2~O--PCH2-O--PCH2--O--P2)、電子傳遞水平磷酸化(注意產(chǎn)能部位)

電子傳遞水平磷酸化-------發(fā)生在呼吸傳遞上，底物脫下的氫進入電子傳遞體系，最后和氧生成水。同時在這個過程中產(chǎn)生大量能量，并貯存在ATP中。

NADH

FMN

COQ

b

c1

c

aa3

O2

~p~p~p

ADPATPADPATPADPATPP/O-----指消耗1mol氧所消耗無機磷酸的mol數(shù)。也就是指每消耗1molO2

所生成ATP的mol數(shù)。實驗證明：NADH2P/O=3FADH2P/O=2

1)底物水平磷酸化------是指底物在氧472.胞液中NADPH和NADH的氧化磷酸化NADPH+H+NADP+異檸檬酸線粒體內(nèi)膜異檸檬酸穿梭作用異檸檬酸NAD+α-酮戊二酸NADH

+

H+呼吸鏈(3ATP)α-酮戊二酸2.胞液中NADPH和NADH的氧化磷酸化NADPH+48NADH+H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-α-磷酸線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸穿梭作用甘油-α-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2(2ATP)NADH+H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-α-磷酸線粒體內(nèi)49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(3ATP)蘋果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運NADH系統(tǒng)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰503.氧化磷酸化作用機理化學滲透學說

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偶聯(lián)學說(高能中間產(chǎn)物學說)形成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成。結(jié)構(gòu)(構(gòu)象）偶聯(lián)學說Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+Pi→Aox+ATP3.氧化磷酸化作用機理化學滲透學說氧化磷511961年，英國科學家Mitchell提出化學滲透學說由此榮獲1978年的諾貝爾獎。

化學滲透學說當線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈進行電子傳遞時，電子能量逐步降低，脫下的H+質(zhì)子便穿過膜從線粒體的基質(zhì)進入到內(nèi)膜外的腔中，造成跨膜的質(zhì)子梯度（濃度差），導(dǎo)致化學滲透發(fā)生，即質(zhì)子順梯度從外腔經(jīng)內(nèi)膜通道（ATP合成酶）而返回到線粒體的基質(zhì)中，所釋放的能使ADP與磷酸結(jié)合生成ATP。

1961年，英國科學家Mitchell提出化學滲透學說由此榮524非線粒體氧化體系與ATP合成無關(guān)，但具有重要生理功能。1).微粒體氧化體系催化分子氧中二個氧原子分別進行不同的反應(yīng)。一個O加到底物分子上，另一個O則與NADPH上的二個H作用形成H2O，不生成ATP?！訂窝趺?。生理功能：膽酸生成中環(huán)核羥化；不飽和脂肪酸雙鍵引進；維生素D活化；藥物、致癌物和毒物的氧化解毒等。RH+

O2

+NADPH+H+

ROH+NADP+

H2O4非線粒體氧化體系與ATP合成無關(guān)，但具有重要生理功能53加雙氧酶此酶催化氧分子直接加到作用物分子上

O2,加雙氧酶?-胡蘿卜素2視黃醛加雙氧酶此酶催化氧分子直接加到作用物分子上54