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第五章生物氧化第一节第一节 新陈代谢新陈代谢 一、新陈代谢得概念一、新陈代谢得概念1 1、概念、概念新陈代谢就是指生物活体与外界环境之间进行新陈代谢就是指生物活体与外界环境之间进行得物质与能量得交换过程。其本质就是活细胞得物质与能量得交换过程。其本质就是活细胞中发生一系列化学变化中发生一系列化学变化,每一变化均由酶催化。每一变化均由酶催化。2 2、新陈代谢得内涵、新陈代谢得内涵 小分子小分子 大分子大分子 合成代谢合成代谢(同化作用同化作用)需要能量需要能量 能量代谢能量代谢 物质代谢物质代谢 释放能量释放能量 分解代谢分解代谢(异化作用异化作用)大分子大分子 小分子小分子新陈代谢新陈代谢3 3、新陈代谢得特点、新陈代谢得特点顺序性顺序性温和性温和性复杂性复杂性自我调节自我调节选择性选择性二、高能化合物二、高能化合物在在生化反应中生化反应中,水解或基团转移反应中可释放出水解或基团转移反应中可释放出大量自由能大量自由能(25(25千焦千焦/摩尔摩尔)得化合物称为高能化得化合物称为高能化合物。合物。(一一)高能化合物得类型高能化合物得类型 1 1、磷氧键型、磷氧键型(-O(-O P)P)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物2 2、氮磷键型、氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸 磷酸精氨酸磷酸精氨酸3 3、硫酯键型、硫酯键型乙酰辅酶乙酰辅酶A A33腺苷磷酸腺苷磷酸55磷酰硫磷酰硫酸酸 OCH3 CSCoA4 4、甲硫键型、甲硫键型S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静(二二)ATPATP得特点及其特殊作用得特点及其特殊作用 1 1、ATPATP得结构特征得结构特征 ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30、5kJmol-111 ATP ATP得生成和利用得生成和利用ATP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 P P P P 机械能机械能(肌肉收缩肌肉收缩)渗透能渗透能(物质主动转运物质主动转运)化学能化学能(合成代谢合成代谢)电能电能(生物电生物电)热能热能(维持体温维持体温)生物体内能量得储存和利生物体内能量得储存和利用都以用都以ATPATP为中心。为中心。2 2、ATPATP得特殊作用得特殊作用ATPATP就是细胞内得就是细胞内得“能量中转站能量中转站”ATPATP就是细胞内磷酸基团转移得中间载体就是细胞内磷酸基团转移得中间载体PPPPATPP磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-3-磷酸甘油磷酸甘油三、新陈代谢得研究方法三、新陈代谢得研究方法示踪法示踪法(化合物示踪、同位素示踪化合物示踪、同位素示踪)抗代谢物和酶抑制剂得利用抗代谢物和酶抑制剂得利用体内试验体内试验(in vivo)(in vivo)和体外试验和体外试验(no vivo)(no vivo)四、生物能学四、生物能学1 1、自由能得概念、自由能得概念定义式定义式:=H-TS=H-TS物理意义物理意义:G0,G0,G0,反应不能自发进行反应不能自发进行2 2、标准自由能变化与平衡常数得关系、标准自由能变化与平衡常数得关系 A+B=C+D A+B=C+DG=G+RTlnQc(Qc-G=G+RTlnQc(Qc-浓度商浓度商)G=-RTlnKeqG=-RTlnKeq例例:磷酸葡萄糖异构酶反应得自由能变化磷酸葡萄糖异构酶反应得自由能变化磷酸葡萄糖异构酶反应得自由能变化磷酸葡萄糖异构酶反应得自由能变化达平衡时达平衡时 =95%5%Keq=19G=-RTlnKeqG=-RTlnKeq =-2 =-2、303303 8 8、314 314 (273(273、15+38)15+38)log19 log19 =-7 =-7、6KJ/mol6KJ/molG=G+RTlnQc(Qc-G=G+RTlnQc(Qc-浓度商浓度商)=-7 =-7、6+26+2、303303 8 8、314 314 311 311 log0 log0、1 1 =-13 =-13、6KJ/mol6KJ/mol未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1反应反应G-1-PG-1-PG-6-PG-6-P在在38380 0C C达到平衡时达到平衡时,G-1-P,G-1-P占占5%,5%,G-6-PG-6-P占占95%,95%,求求 G G0 0。如果反应未达到平衡。如果反应未达到平衡,设设G-1-P=0G-1-P=0、01mol/L,01mol/L,G-6-P=0G-6-P=0、001mol/L,001mol/L,求求反应得反应得 G G 就是多少？就是多少？第二节第二节生物氧化生物氧化糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成化分解生成COCO2 2和和H H2 2O O并释放出能量得过程称为生并释放出能量得过程称为生物氧化物氧化(biological oxidation),),其实质就是需氧细胞在其实质就是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行得一系列氧化还原反应过呼吸代谢过程中所进行得一系列氧化还原反应过程。程。一、生物氧化得概念一、生物氧化得概念生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质得氧化方式有加氧、脱氢、生物氧化中物质得氧化方式有加氧、脱氢、失电子失电子,遵循氧化还原反应得一般规律。遵循氧化还原反应得一般规律。物质在体外氧化时所消耗得氧量、最终产物物质在体外氧化时所消耗得氧量、最终产物(CO(CO2 2、H H2 2O)O)和释放得能量均相同。和释放得能量均相同。生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化生物氧化就是在细胞内温和得环境就是在细胞内温和得环境中中(体温、体温、pH接近中性接近中性),在一系列酶促反应逐步进在一系列酶促反应逐步进行行,能量逐步释放有利于机能量逐步释放有利于机体捕获能量体捕获能量,提高提高ATP生成生成得效率。得效率。进行广泛得加水脱氢反应进行广泛得加水脱氢反应使物质能间接获得氧使物质能间接获得氧,并增并增加脱氢得机会加脱氢得机会,脱下得氢与脱下得氢与氧结合产生氧结合产生H2O,有机酸脱有机酸脱羧产生羧产生CO2。体外氧化体外氧化能量就是突然释放得。能量就是突然释放得。产生得产生得CO2、H2O由物由物质中得碳和氢直接与氧质中得碳和氢直接与氧结合生成。结合生成。二、生物氧化得一般过程二、生物氧化得一般过程 三、生物氧化中三、生物氧化中CO2得生成得生成直接脱羧直接脱羧氧化脱羧氧化脱羧脱羧和脱羧和 脱羧脱羧+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2RCH3COSCoA+CO2NAD+NADH+H+CoASHCH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系四、生物氧化中四、生物氧化中H2O得生成得生成 CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶NAD+2e1/2 O2电子传递链电子传递链 H2OO=2H+第三节第三节线粒体氧化体系线粒体氧化体系 一、线粒体得结构特点一、线粒体得结构特点H2O得生成得生成 CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶NAD+2e1/2 O2电子传递链电子传递链 H2OO=2H+二、电子传递呼吸链二、电子传递呼吸链概念概念:呼吸底物在线粒体基质氧化所产生得质呼吸底物在线粒体基质氧化所产生得质子和电子经过一系列氢载体和电子载体传递子和电子经过一系列氢载体和电子载体传递给给O O2 2生成生成H H2 2O O。这种由载体组成得电子传递系。这种由载体组成得电子传递系统称电子传递链。统称电子传递链。组成呼吸链得成分分为组成呼吸链得成分分为:尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+)或称辅酶或称辅酶黄素蛋白黄素蛋白铁硫蛋白铁硫蛋白泛醌泛醌细胞色素类细胞色素类(一一)呼吸链得组成呼吸链得组成1 1、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD(NAD+)或称辅酶或称辅酶 NADNAD+和和NADPNADP+得结构得结构 NADNAD+(NADP(NADP+)和和NADH(NADPH)NADH(NADPH)相互转变相互转变FMNFMN结构结构异咯嗪异咯嗪核醇核醇2 2、黄素蛋白、黄素蛋白 FAD结构结构FMNFMN与与FMNHFMNH2 2相互转变相互转变 3 3、铁硫蛋白、铁硫蛋白 铁硫蛋白中辅基铁硫簇铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)(Fe-S)含有等量铁原子和含有等量铁原子和硫原子硫原子,其中铁原子可以进行其中铁原子可以进行FeFe2+2+FeFe3+3+e+e反应反应传递电子。传递电子。4 4、辅酶、辅酶Q Q细胞色素就是一类以铁铁卟啉为辅基得催化细胞色素就是一类以铁铁卟啉为辅基得催化电子传递得酶类电子传递得酶类,根据她们吸收光谱不同而分类。根据她们吸收光谱不同而分类。5 5、细胞色素类、细胞色素类由以下实验确定由以下实验确定 标准氧化还原电位标准氧化还原电位 拆开和重组拆开和重组 还原状态呼吸链缓慢给氧还原状态呼吸链缓慢给氧(二二)呼吸链组分得排列顺序呼吸链组分得排列顺序NADH-QNADH-Q还原酶还原酶(复合体复合体)琥珀酸琥珀酸Q Q还原酶还原酶(复合体复合体)泛醌泛醌 细胞色素细胞色素c c还原酶还原酶(复合体复合体)细胞色素细胞色素c c氧化酶氧化酶(复合体复合体)1、NADH-Q还原酶还原酶(复合体复合体)功能功能:将电子从将电子从NADHNADH传递给传递给CoQCoQ辅基辅基:FMN,:FMN,铁硫蛋白铁硫蛋白 复合体复合体NADH CoQ FMN;Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3;Fe-SN-2 2、复合体、复合体:琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶功能功能:将电子从琥珀酸传递给将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基辅基:FAD、Fe-S 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 3 3、复合体、复合体:CoQ-:CoQ-细胞色素细胞色素C C还原酶还原酶功能功能:将电子从将电子从CoQCoQ传递给传递给CytcCytc组成组成:Cytb:Cytb、Fe-SFe-S、CytcCytc1 1 复合体复合体QH2 Cyt c b562;b566;Fe-S;c14 4、复合体、复合体:细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶功能功能:将电子从将电子从CytcCytc最终传递到最终传递到O O2 2组成组成:Cyta:Cyta、CytaCyta3 3、CuCu 复合体复合体还原型还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体线粒体内膜内膜 NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链(三三)生物体内主要得两条呼吸链生物体内主要得两条呼吸链NADHNADH氧化呼吸链氧化呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c-c1-aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链FADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸三、氧化磷酸化三、氧化磷酸化(一一)ATP)ATP得生成得生成ADP+Pi+ADP+Pi+能量能量 ATP ATPAMP+PPi+AMP+PPi+能量能量 ATP ATP底物水平磷酸化底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化底物被氧化得过程中底物被氧化得过程中,形成了某些高能形成了某些高能磷酸化合物得中间产物磷酸化合物得中间产物,通过酶得作用通过酶得作用可使可使ADPADP生成生成ATPATP。X XP+ADP ATP+XP+ADP ATP+X氧化磷酸化氧化磷酸化定义定义:氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)就就是代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水得同是代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水得同时时,释放能量使释放能量使ADPADP磷酸化生成磷酸化生成ATP,ATP,由于代谢物得由于代谢物得氧化反应与氧化反应与ADPADP磷酸化反应耦联发生磷酸化反应耦联发生,所以称为氧所以称为氧化磷酸化。即在呼吸链电子传递过程中偶联化磷酸化。即在呼吸链电子传递过程中偶联ADPADP磷酸化磷酸化,生成生成ATP,ATP,又称电子传递水平磷酸化。又称电子传递水平磷酸化。1 1、磷氧比得测定、磷氧比得测定磷氧比磷氧比:物质氧化时物质氧化时,每消耗每消耗1 1摩尔氧原子所消耗摩尔氧原子所消耗无机磷得摩尔数。无机磷得摩尔数。P/OP/O得数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子得数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生得氧所产生得ATPATP分子数。分子数。(二二)氧化磷酸化得偶联部位氧化磷酸化得偶联部位2 2、呼吸链中电子传递时自由能得下降、呼吸链中电子传递时自由能得下降 ADPADP转变为转变为ATPATP得部位得部位(三三)氧化磷酸化得偶联机理氧化磷酸化得偶联机理1 1、ATPATP合酶合酶当当H H+顺顺浓浓度度递递度度经经F F0 0中中a a亚亚基基和和c c亚亚基基之之间间回回流流时时,亚亚基基发发生生旋旋转转,3,3个个亚亚基基得得构构象象发发生生改改变。变。ATP合酶得工作机制合酶得工作机制(二二)化学渗透假说化学渗透假说电子经呼吸链传递时电子经呼吸链传递时,可将质子可将质子(H(H+)从线粒体内从线粒体内膜得基质侧泵到内膜胞浆侧膜得基质侧泵到内膜胞浆侧,产生膜内外质子电产生膜内外质子电化学梯度化学梯度,储存能量。当质子顺浓度梯度回流时储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动驱动ADPADP与与PiPi生成生成ATPATP。F0 F1 Cyt c Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 H+1/2O2+2H+H2O ADP+Pi ATP H+H+H+胞液侧胞液侧 基质侧基质侧+-化学渗透假说详细示意图化学渗透假说详细示意图四、影响氧化磷酸化得因素四、影响氧化磷酸化得因素(一一)抑制剂抑制剂呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂解偶联剂解偶联剂氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂(二二)ADP)ADP得调节作用得调节作用(三三)甲状腺激素甲状腺激素 能荷能荷=ATP+0.5ADPATP+ADP+AMP呼吸链抑制剂呼吸链抑制剂阿米妥、异戊巴比妥阿米妥、异戊巴比妥鱼藤酮、粉蝶霉素鱼藤酮、粉蝶霉素A A CO、CN-抗霉素抗霉素A A、二巯基丙醇二巯基丙醇(BAL)(BAL)解偶联作用解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线粒体内膜线粒体内膜内内外外低低 pH高高 pH 氧氧化化磷磷酸酸化化抑抑制制剂剂寡寡霉霉素素(oligomycin)(oligomycin)阻止质子从阻止质子从F0F0质子通道回流质子通道回流,抑制抑制ATPATP生成生成五、线粒体外五、线粒体外NADHNADH得氧化得氧化 胞浆中胞浆中NADHNADH必须经一定转运机制进入线粒必须经一定转运机制进入线粒体体,再经呼吸链进行氧化磷酸化。再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有转运机制主要有:-磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统 苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统