第七章新陳代謝總論與生物氧化

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)所閱歷的一切化學(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)反響是延續(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(guò)程中延續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物統(tǒng)稱為代謝中間產(chǎn)物(metabolicintermediates),或簡(jiǎn)稱代謝物(metabolites)。代謝經(jīng)過(guò)一系列延續(xù)的反響,無(wú)論是外界引入的或是體內(nèi)構(gòu)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(intermediarymetabolism)。

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)楸旧硇枨蟮臉?gòu)造元件(buildingblocks),即大分子的組成前體;3.將構(gòu)造元件裝配本錢身的大分子,例如蛋白質(zhì)、核酸、脂類以及其它組分;4.構(gòu)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)境獲得或本身儲(chǔ)存),經(jīng)過(guò)一系列反響步驟轉(zhuǎn)變較小的較簡(jiǎn)單的物質(zhì)的過(guò)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)大分子中的能量逐漸釋放出來(lái)。分解代謝所經(jīng)過(guò)的反響途徑稱之為分解代謝途徑(catabolicpathways)。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構(gòu)造元件建呵斥本身大分子的過(guò)程。由小分子建呵斥大分子是使分子構(gòu)造變得更為復(fù)雜,這個(gè)過(guò)程都是需求提供能量的。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求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，反響條件溫暖。2.諸多反響有嚴(yán)厲的順序，彼此協(xié)調(diào)。3.對(duì)周圍環(huán)境高度順應(yīng)。〔二〕新陳代謝的研討方法1.活體內(nèi)(invivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(invitro)2.同位素示蹤3.代謝途徑阻斷4.核磁共振波譜法5.利用遺傳缺欠癥研討代謝途徑6.氣體丈量法〔三〕生物體內(nèi)能量代謝的根本規(guī)律自在能：生物體〔或恒溫恒壓〕用以作功的能量。在沒(méi)有作功條件時(shí)，自在能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适?。熵：混亂度或無(wú)序性，是一種無(wú)用的能。ΔG(自在能變化)=ΔH(總熱能變化)–TΔS(總體熵的改動(dòng))ΔG＜0時(shí),體系的反響能自發(fā)進(jìn)展(為放能反響);ΔG＞0時(shí),反響不能自發(fā)進(jìn)展,當(dāng)給體系補(bǔ)充自在能時(shí),才干推進(jìn)反響進(jìn)展(為吸能反響);ΔG=0時(shí),闡明體系處于平衡形狀。

對(duì)于任何一個(gè)化學(xué)反響:A+B←→C+D

其自在能變化ΔG遵照下式:ΔG=ΔG°+RTln[C][D]/[A][B]ΔG°表示規(guī)范自在能(25℃、一個(gè)大氣壓、底物濃度1mol/L)R:為氣體常數(shù)(8.315J/mol一度)T:絕對(duì)溫度(攝氏溫度+273.15)ΔG°表示生物體內(nèi)規(guī)范自在能(25℃、一個(gè)大氣壓、底物濃度1mol/L、pH接近7)ˊˊˊ當(dāng)反響處于平衡,即ΔG=0時(shí)ΔG°=-RTln[C][D]/[A][B]其中K=[C][D]/[A][B]ΔG°=-RTlnK=-2.303RTlgK在生物體內(nèi)ΔG°=-RTlnK=-2.303RTlgK對(duì)于生物化學(xué)反響AB 當(dāng)K>1時(shí),ΔG°(ΔG°)<1反響趨向于生成B的方向當(dāng)K<1時(shí),ΔG°(ΔG°)>1反響趨向于生成A的方向一個(gè)反響系統(tǒng)的ΔG只取決于產(chǎn)物與反響物的自在能之差,而與反響過(guò)程無(wú)關(guān)。ˊˊˊ〔四〕高能化合物與ATP的作用1.概念高能化合物:在化學(xué)反響中,某些化合物含較多的自在能持,水解反響或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響時(shí),可放出大量的自在能,這類化合物稱為高能化合物。高能化合物普通對(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,它們所含的自在能多少不等,含自在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(lái)表示。P2.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)能量的存在方式及ATP的作用ATP的作用:見(jiàn)教材P145圖7-1ATP的生理功能ATP是生物細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑ATP+H2OADP+PiADP+PiATP機(jī)體內(nèi)能量的存在方式:ADP+PiATPATP+NDP(UDP、CDP、GDP)NTP+ADPATP+肌酸磷酸肌酸(機(jī)體能量?jī)?chǔ)存方式)+ADP肌酸磷酸激酶ΔG°=-30.51KJ/molΔG°=30.51KJ/mol二、生物氧化生物氧化:生物體內(nèi)一切代謝物進(jìn)展的氧化作用。(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.能量逐漸釋放，部分存于ATP。分為線粒體氧化體系和非線粒體氧化體系。氧化復(fù)原反響的本質(zhì)是電子轉(zhuǎn)移。失電子者為復(fù)原劑,得電子者為氧化劑。在生物體內(nèi),電子轉(zhuǎn)移主要有以下方式:⑴直接進(jìn)展電子轉(zhuǎn)移Fe2++Cu2+Fe3++Cu+⑵氫原子的轉(zhuǎn)移AH2+BA+BH2⑶有機(jī)復(fù)原劑直接加氧RH+O2+2H++2eROH+H2O

〔二〕生物氧化過(guò)程中CO2的生成

生物體內(nèi)CO2的生成來(lái)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〔α-脫羧〕HOOCCH2CCOOHαβ丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO〔Β-脫羧〕氧化脫羧：在脫羧過(guò)程中伴隨著氧化〔脫氫〕。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O〔三〕生物氧化過(guò)程中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、傳送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H2NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ復(fù)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〔電子傳送鏈〕:代謝物上的氫原子被脫氫酶激活零落后,經(jīng)過(guò)一系列的傳送體,最后傳送給被激活的氧分子,而生成水的全部體系稱謂吸鏈。

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、FADH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【兩種呼吸鏈的差別】脫下的2H不經(jīng)過(guò)NAD+傳送,其他過(guò)程與NADH呼吸鏈一樣(見(jiàn)教材P148圖7-2)NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2(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，傳送給黃素蛋白。NADH：復(fù)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〔VitB2〕、磷酸、AMP組成。作用:進(jìn)展可逆的脫氫加氫反響。傳送機(jī)制:異咯嗪的第1、10位N上可加氫主要方式:琥珀酸脫氫酶以FAD為輔酶，將代謝物脫下的H傳入呼吸鏈。異咯嗪構(gòu)造110核糖醇HH鐵硫蛋白與黃素蛋白構(gòu)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中的電子傳送給泛醌。傳送機(jī)制:單電子傳送。(3).鐵硫蛋白〔iron-sulfurprotein,Fe-S〕鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡(jiǎn)寫(xiě)為Fe-S)是一種與電子傳送有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADHQ復(fù)原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復(fù)合物方式存在。鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)方式存在。(2Fe-2S)含有兩個(gè)活潑的無(wú)機(jī)硫和兩個(gè)鐵原子。鐵硫蛋白經(jīng)過(guò)Fe3+Fe2+變化起傳送電子的作用。(4).泛醌〔簡(jiǎn)寫(xiě)為Q〕或輔酶-Q〔CoQ〕:它是電子傳送鏈中獨(dú)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(醌型構(gòu)造)很容易接受電子和質(zhì)子，復(fù)原成QH2〔復(fù)原型〕；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳送體。(5).NADH泛醌復(fù)原酶簡(jiǎn)寫(xiě)為NADHQ復(fù)原酶,即復(fù)合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的復(fù)原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種復(fù)原酶。NADHQ復(fù)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(lái)的電子和質(zhì)子，構(gòu)成復(fù)原型FMNH2。復(fù)原型FMNH2可以進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。NADHQ復(fù)原酶NADH+Q+H+NAD++QH2NADH泛醌復(fù)原酶(6).泛醌細(xì)胞色素c復(fù)原酶(QH2-cyt.c)簡(jiǎn)寫(xiě)為QH2-cyt.c復(fù)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)合物，其作用是催化復(fù)原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c〔cyt.c〕的復(fù)原。QH2-cyt.c復(fù)原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+

QH2-cyt.c復(fù)原酶由9個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠种饕?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，而參與上述反響過(guò)程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳送體，所以，實(shí)踐反響情況比較復(fù)雜。QH2所攜帶的一個(gè)高能電子經(jīng)過(guò)鐵硫蛋白，傳送給cyt.c，本身構(gòu)成半醌自在基〔QH〕；另一個(gè)電子那么傳送給cyt.b。復(fù)原型cyt.b可以將QH復(fù)原成QH2。其結(jié)果是經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)，QH2將其中的一個(gè)電子傳送給cyt.c。詳細(xì)傳送過(guò)如下:QH22Fe-2SC1C(復(fù)原型)第一個(gè)分子e-Q·ˉ(氧化型)Q(bL)b566(bH)b562QQ·ˉe-e-e-QH2e-2Fe-2Se-e-C1e-Ce-(復(fù)原型)第二個(gè)分子Q·ˉ(氧化型)Q(bL)b566(bH)b562Q·ˉQH2e-e-e-第一階段第二階段2QH22Q·ˉ2Qˉe-ˉe-ˉe-CCQQ·ˉbˉe-b-e-Q·ˉQH2ˉe-總反響QH2Q2C-e-反響(Q循環(huán))的結(jié)果(7).細(xì)胞色素〔簡(jiǎn)寫(xiě)為cyt.〕是含鐵的電子傳送體，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)胞色素的輔基構(gòu)造略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a、a3b、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可以經(jīng)過(guò)它們的紫外---可見(jiàn)吸收光譜來(lái)鑒別。細(xì)胞色素主要是經(jīng)過(guò)Fe3+Fe2+的互變起傳送電子的作用的。細(xì)胞色素c〔cyt.c〕的構(gòu)造它是電子傳送鏈中一個(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含有一樣的輔基，但是蛋白組成那么有所不同。在電子傳送過(guò)程中，cyt.c經(jīng)過(guò)Fe3+Fe2+的互變起電子傳送中間體作用。細(xì)胞色素c氧化酶簡(jiǎn)寫(xiě)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?；钚圆糠种饕╟yta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。cytaa3可以直接以O(shè)2為電子受體。在電子傳送過(guò)程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+Cu2+的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳送給O2。細(xì)胞色素c氧化酶(8)琥珀酸-Q復(fù)原酶琥珀酸是生物代謝過(guò)程〔三羧酸循環(huán)〕中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q復(fù)原酶〔復(fù)合物II〕催化下，將兩個(gè)高能電子傳送給Q。再經(jīng)過(guò)QH2-cyt,c復(fù)原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳送到O2。琥珀酸-Q復(fù)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復(fù)原酶的構(gòu)造簡(jiǎn)單，由4個(gè)不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD、Cytb560和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q復(fù)原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的復(fù)原。

3.呼吸鏈中傳送體的順序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚(yú)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)展的磷酸化。ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP1.ATP的生成〔1〕底物程度磷酸化：在被氧化的底物上發(fā)生磷酸化作用。X~+ADP→ATP+XP〔2〕電子傳送體系磷酸化:電子從NADH或FADH2經(jīng)過(guò)電子傳送體系傳送給氧構(gòu)成水，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的過(guò)程。NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2PPP3ADP3ATPP/O比值：在電子傳送體系磷酸化中，在一定時(shí)間內(nèi)所耗費(fèi)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)的根底上,總結(jié)出電位差不同和自在能的關(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=－nF△E，△G′=－nF△E0△G代表規(guī)范自在能,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)胞色素ao2△G′=－2×23.062×(0.816－0.29)=－2×23.062×0.52=－99.9kJ/mol

在規(guī)范情況下,ATPADP+Pi從△G′的計(jì)算也可推斷氧化磷酸化的耦聯(lián)部位。O′o21oATP水解釋放規(guī)范自在能30.54KJ/mol′ATP合成吸收規(guī)范自在能30.54KJ/molo2.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)展的。線粒體的主要功能是氧化供能。線粒體具有雙層膜的構(gòu)造，外膜的通透性較大，內(nèi)膜有較嚴(yán)厲的透過(guò)選擇性，通常經(jīng)過(guò)外膜與細(xì)胞漿進(jìn)展物質(zhì)交換。知道糖酵解作用是在胞漿中進(jìn)展的，在真核生物胞液中的NADH不能經(jīng)過(guò)正常的線粒體內(nèi)膜，要使糖酵解產(chǎn)生的NADH進(jìn)入呼吸鏈氧化生成ATP，必需經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的過(guò)程，據(jù)如今了解，線粒體外的NADH可將其所帶的Ｈ轉(zhuǎn)交給某種能透過(guò)線粒體膜的化合物，進(jìn)入線粒體內(nèi)后再氧化。能完成這種穿越義務(wù)的化合物有甘油－α－磷酸與蘋(píng)果酸等。NADH+H+NAD+二羥磷酸丙酮甘油-α-磷酸線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸穿越作用甘油-α-磷酸FAD二羥磷酸丙酮FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2甘油－α－磷酸脫氫酶(胞液)甘油—α－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)生下反響酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋(píng)果酸蘋(píng)果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈蘋(píng)果酸-天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)NADH系統(tǒng)蘋(píng)果酸脫氫酶(胞質(zhì)中)蘋(píng)果酸脫氫酶(線粒體中)肝、腎、心等組織發(fā)生以下反響線粒體內(nèi)膜胞液或線粒體膜間隙３.線粒體的構(gòu)造線粒體橫切構(gòu)造方式圖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ATP４.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〔每種反響都限制在線粒體內(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+復(fù)原為DNAH和FADH2,上述過(guò)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)構(gòu)成跨膜質(zhì)子泵〔膜內(nèi)外H+濃度差〕。(3)第三方面是將儲(chǔ)存于電化學(xué)質(zhì)子梯度的能量由內(nèi)膜上的ATP合成酶〔F0F1ATPase)復(fù)合體合成ATP。氧化磷酸化作用機(jī)理化學(xué)浸透學(xué)說(shuō)氧化磷酸化作用的關(guān)鍵要素是質(zhì)子〔H+〕梯度和完好的線粒體內(nèi)膜。化學(xué)耦聯(lián)學(xué)說(shuō)構(gòu)成高能中間產(chǎn)物，促使ATP生成。構(gòu)造耦聯(lián)學(xué)說(shuō)Ared+Box2eA*ox+BredA*ox+ADP+Pi→Aox+ATPMH2MNAD+2H+FeS2e2H+FMN2H+Cytb2H+2eCoQ2H+Cytc1Cyt