生物化学——第五章新陈代谢总论与生物氧化修改.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 新陈代谢总论与生物氧化,一、,新陈代谢的概念和特点,新陈代谢,（,metabolism,）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行,物质交换,和,能量交换,的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓,同化作用,（,assimilation,）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓,异化作用,（,dissimilation,），通过上述过程不断地进行自我更新。,特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,第一节 新陈代谢总论,新陈代谢的内涵,小分子 大分子,合成代谢,（同化作用）,需要能量,释放能量,分解代谢,（异化作用）,大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,新陈代谢过程包括：,营养物质的消化吸收、中间代谢、代谢产物的排泄等阶段。,中间代谢,：,一段指物质在细胞中合成和分解的过程，指某一代谢中的一系列酶促反应。,二、新陈代谢的研究方法,示踪法（化合物示踪、同位素示踪）,如：,苯环化合物示踪法，提出了脂肪酸,氧化学说。,利用,15,NH,4,Cl,来标记,DNA,分子从而证明了,DNA,的半,保留复制方式。,卡尔文以放射性同位素,14,CO,2,饲喂植物，再用纸层析,分离,CO,2,代谢的中间物，从而提出光合作用中,CO,2,转变为糖的循环代谢,卡尔文循环,(Calvin cycle),。,抗代谢物和酶抑制剂的利用,使用抗代谢物（磺胺类药物）和酶抑制剂来阻抑，改变反应，推测中间代谢情况。可用药物来造成异常的实验动物进行代谢研究。,体内试验（,in vivo,）和体外试验（,no vivo,）,在体内：包括整体器官或微生物细胞群进行研究,Knoop,：脂肪酸的,氧化学说，以犬为研究对象的“体内研究”,在体外：用组织切片、匀浆提取液为原料进行研究三羧酸循环、糖酵解、氧化磷酸化的研究,体外实验可同时进行多样本研究，可进行多次重复试验。,在反应,A+B=C+D,中，,K,=CD /BA,G,0,=,2.303RTlgK,2,、高能化合物,高能磷酸键：指水解或基团转移时释放较多的自由能，如其高的磷酸基团转移势能，表示的是不稳定的键。”一般是指每摩尔化合物能释放,20.92 KJ/mol,以上的能量的一类化合物。,ATPADP+Pi G,0,=30.514 KJ/mol,最常见最多的高能化合物：高能磷酸化合物,高能化合物类型,3,、,ATP,的特点,ATP:磷酸脂键、磷酸酐键,ATP,分子水解释放自由能很大（,G=-30.5,1千焦/摩尔）。,腺嘌呤,核糖,O,P,O,P,O,P,O,-,O,O,O,O,-,O,-,O,-,Mg,2,+,ATP,的特殊作用,ATP,是细胞内的“能量通货”,ATP,是细胞内磷酸基团转移的中间载体,P,P,P,P,ATP,P,0,2,10,8,6,4,12,14,磷酸基团转移能,2-,磷酸烯醇式丙酮酸,1,3-,二磷酸甘油酸磷酸,磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）,6-磷酸葡萄糖,3-磷酸甘油,生物系统中的能流,U,TP,、CTP、GTP的不同作用,磷酸肌酸是高能磷酸键的贮存形式,乙酰,CoA,硫脂键断裂释放,31.38KJ/mol,自由能,第二节 生物氧化,糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成,CO,2,和,H,2,O,并释放出能量的过程称为,生物氧化,（,biological oxidation,），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。,生物氧化的,特点,生物氧化过程中,CO,2,的生成,生物氧化过程中,H,2,O,的生成,内 容,问：,我们身体内的生物氧化与有机物体外氧 化燃烧有何相同与区别？,一、生物氧化的特点,相同点：,化学本质,（物质、能量）,都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气；,都生成,CO,2,和,H,2,O,；,释放的能量相同,不同点：,条件、过程,生物氧化的特点,:,1,、在活的细胞中进行；,2,、在,pH,接近中性、体温条件下，常压下，多水环境中进行；,3,、有机物的氧化在一系列,酶、辅酶和中间传递体,参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊；,4,、氧化过程中能量,逐步释放,，其中一部分由一些高能化合物（如,ATP,）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,二、,H,2,O,的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（,NAD,+,、,NADP,+,、,FAD,、,FMN,等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成,H,2,O,。,CH,3,CH,2,OH,CH,3,CHO,NAD,+,NADH+H,+,乙醇脱氢酶,例：,1/2,O,2,NAD,+,电子传递链,H,2,O,2e,O,2-,2H,+,1,、线粒体,结构,2,、,电子传递呼吸链的,概念,3,、,机体内,两条主要的呼吸链,4,、,呼吸链的组成,5,、传递链中传递体的顺序,6,、,电子传递抑制剂,1,、线粒体结构,2,、呼吸链组成与电子传递顺序,线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的,NADH,或,FADH,2,，,将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给,O,2,生成,H,2,O,。这种由载体组成的电子传递系统称,电子传递链,（,electron transfer chain),，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链,。,呼吸链：,代谢物,M 2H,被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体最后传递给被激活的,O,分子，而生成,H,2,O,的全部体系。,3,、,两条主要的呼吸链,NADH,呼吸链,H,2,O,1,2,O,2,O,2-,MH,2,还原型代 谢底物,FMN,FMNH,2,CoQH,2,CoQ,NAD,+,NADH+H,+,2Fe,2+,2Fe,3+,细胞色素,b-c,1,-c-aa,3,Fe S,2,H,+,M,氧化型代 谢底物,FADH,2,呼吸链,FAD,FADH,2,琥珀酸,Fe S,2Fe,2+,2Fe,3+,细胞色素,b-c,1,-c-aa,3,CoQH,2,CoQ,1,2,O,2,O,2-,2,H,+,H,2,O,延胡索酸,NADH,辅 酶,Q,（,CoQ,）,Fe-S,Cyt c,1,O,2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,琥珀酸等,黄素蛋白（,FAD,）,黄素蛋白（,FMN,）,细胞色素类,铁硫蛋白（,Fe-S,）,铁硫蛋白（,Fe-S,）,呼吸链的组成,4,、,四个蛋白复合物：,1,、,NADH,脱氢酶复合物,（,NADH-CoQ,氧化还原酶）,2,、细胞色素,bc,1,复合物,（,CoQ-Cytc,氧化酶）,3,、细胞色素氧化酶复合物,4,、琥珀酸,-CoQ,还原酶复合物,（,1,）烟酰胺脱氢酶类,特点,：以,NAD,+,或,NADP,+,为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。,传递氢机理,:,NAD(P),+,+2H,+,+2e,NAD(P)H+H,+,（,2,）黄素蛋白酶类,特点,：,以,FAD,或,FMN,为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别,：,黄素脱氢酶类（如,NADH,脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）,需氧脱氢酶类（如,L,氨基酸氧化酶）,加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）,递氢机理：,FAD(FMN)+2H FADH,2,(FMNH,2,),（,3,）铁硫蛋白,+,e,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,特点,：,含有,Fe,和对酸不稳定的,S,原子，,Fe,和,S,常以等摩尔量存在（,Fe,2,S,2,Fe,4,S,4,),，构成,FeS,中心，,Fe,与蛋白质分子中的4个,Cys,残基的巯基与蛋白质相连结。,铁硫蛋白的结构类型及传递电子机理,S Fe,1,Fe,0S,2-,4Cys,2,Fe,2S,2-,4Cys,4,Fe,4S,2-,4Cys,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,+,e,(4)CoQ,特点,：,带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,+2,H,传递氢机理,：,CoQ CoQH,2,2,H,CoQ,的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH,2,(5),细胞色素,传递电子机理,：,+,e +e,Fe,3+,Fe,2+,Cu,2+,Cu,+,e,e,特点,：,以血红素（,heme,）为辅基的蛋白质，血红素的主要成,份为铁卟啉。,类别,:,根据吸收光谱分成,a,、,b,、,c,三类，呼吸链中含5种（,b,、,c,1,、,c,、,a,和,a,3,),，,cytb,和,cytc,1,、,cytc,在呼吸链中为电子传递体，,a,和,a,3,以复合物存在，称,细胞色素氧化酶,，分子中除含,Fe,外还含有,Cu,，可将电子传递给氧，亦称为,末端氧化酶,。,细胞色素的结构和传递电子机理,传递电子机理,：,Fe,3+,Fe,2+,-,e,+,e,NADH,呼吸链和,FADH,2,呼吸链,FADH,2,FeS,NADH,FMNFeSCoQCytbFeSCytc,1,CytcCytaa,3,O,2,E,0,-0.32 -0.30 -0.26 +0.10 +0.07 0.04 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816,NADH,呼吸链,FADH,2,呼吸链,5,、传递链中传递体的顺序,电子传递链中各中间体的顺序,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c,1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,等,复合物,II,复合物,IV,复合物,I,复合物,III,NADH,脱氢酶复合物,细胞色素,bc,1,复合物,细胞色素氧化酶,琥珀酸,-CoQ,还原酶复合物,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH,2,2,e-,NADH,NADH,呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应,:,NADH+H,+,+1/2O,2,NAD,+,+H,2,O,G=,nFE,=,296.490.82-(-0.32),=,220.0 KJ/mol,总反应,：,FADH,2,+1/2O,2,FAD+H,2,O,G=,nFE,=,296.490.82-(-0.18),=,192.98 KJ/mol,FADH,2,呼吸链电子传递过程中自由能变化,6,、电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c,1,O,2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa,3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物,II,复合物,IV,复合物,I,复合物,III,鱼藤酮,安密妥,抗霉素,A,氰化物,CO,萎绣灵,三、氧化磷酸化作用,（一）,氧化磷酸化,（二）,线粒体外,NADH,的氧化磷酸化作用,1,、,ATP,的生成（生物体获能方式）,（,1,）底物水平磷酸化,（,2,）电子传递水平磷酸化（氧化磷酸化）,（一）,氧化磷酸化,电子传递体系磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成,ATP,（即,ADP+P,i,ATP,）,这种氧化放能和,ATP,生成（磷酸化）相偶联的过程称,氧化磷酸化,。,ADP+P,i,ATP+H,2,O,生物氧化过程中释放出的自由能,磷氧比（,P/O,）,磷氧比是指每消耗1摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数。,目前看法：,NADH,+H,+,在呼吸链的传递过程，能将10H,+,泵出线粒体内膜，每驱动合成1分子ATP需要4,H,+,FADH,2,能将6H,+,泵出线粒体内膜,例,实测得,NADH,呼吸链,：,P/O,2.5,实测得,FADH,2,呼吸链,：,P/O,1.5,氧化磷酸化偶联部位,2,、,（二）线粒体外,NADH,的氧化磷酸化作用,动物细胞的两个穿梭系统：,1,、,-,磷酸甘油穿梭系统（肌细胞）,2,、苹果酸-草酰乙酸穿梭系统（肝细胞）,酵解,（细胞质）,氧化磷酸化,（线粒体）,-,磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH,2,NADH,FMN CoQ b c,1,c aa,3,O,2,NADH,NAD,+,线粒体内膜,（细胞液）,转运,NADH,的苹果酸,-,天冬氨酸系统,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H,+,NAD,+,草酰乙酸,NAD,+,线粒体基质,苹果酸脱氢酶,NADH+H,+,苹果酸脱氢酶,谷草转氨酶,谷草转氨酶,（、,为膜上的转运载体）,呼吸链,线粒体,ATP,酶,ATP,合成酶（,F,0,F,1,ATP,酶），,含有,5,种不同的亚基,(3,、,3,、,1,、,1,、,1,),；,F,0,为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。,氧化磷酸化的解偶联,解偶联剂：,2,4-,二硝基苯酚（,DNP,）,只抑制,ATP,的形成，不抑制电子传递过程,2,4-,二硝基苯酚的解偶联作用,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,H,+,H,+,线粒体内膜,内,外,酸性条件,膜外质子,膜内质子,破坏了质子电化学梯度,作业：,1,何为生物氧化？具有哪些特点？,2,何谓呼吸链（电子传递链）由哪些组分构成？排列 先后顺序是根据什么原则？学会用电化学方式计算传递体间,G,的放能量级。,3,生物体中有哪些电子传递链？电子经它们传递到,O,2,时的产能情况怎样？,4,何谓底物水平磷酸化？在糖酵解和三羧酸循环中有哪些步骤（化合物）出现底物水平磷酸化而形成,ATP,？,5,何谓磷氧化（,P/O,），,NADH,，,FADH2,，两种呼吸链的,P/O,比各为多少？为什么？,6,关于电子传递（即氧化磷酸化）机理有哪三种学说，其中化学渗透学说机理产生,ATP,的理论要点是什么？,7,计算下列过程的,P/O,的理论值（考虑,GTP,相当于,ATP,）,（,1,）异柠檬酸,-,琥珀酸,（,2,）在,2,，,4-,二硝基苯酚存在下，,-,酮戊二酸,琥珀酸。,8,氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？,