生物化学第八章 新陈代谢总论与生物氧化知识点归纳

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1、生 物 化 学 第八章新陈代谢总论与生物氧化 一 新陈代谢总论 目录 二 生物氧化二 生物氧化 三 电子传递体系及氧化磷酸化三 电子传递体系及氧化磷酸化 一 新陈代谢的概念 二 新陈代谢的特征 三 新陈代谢的一般过程 总论 I 四 代谢研究的主要内容及方法四 代谢研究的主要内容及方法 一 新陈代谢的概念 物 质 代 谢 能 量 代 谢 新 陈 代 谢 合成代谢 同化作用 分解代谢 异化作用 小分子大分子 吸收能量 释放能量 大分子小分子 新陈代谢是生命 最基本的特征 新陈代谢 是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程 二 新陈代谢的共同特征 1 反应条件温和 2 高度调控 3 代谢途径是

2、不可逆的 4 每条代谢途径至少存在一个限速步骤 5 代谢反应在真核细胞中都有严格的细胞定位 三 新陈代谢的一般过程 生物大分子的 降解阶段 单体分子 初步分解阶段 乙酰基经三羧酸循环途 径完全分解阶段 氢的 氧化阶段 一 分解代谢的一般过程分为四个阶段 氧化磷酸化 三羧酸循环 ADP Pi 乙酰CoA 糖 原脂 肪 蛋 白 质 葡萄糖 甘油 脂肪酸 氨基酸 第一阶段 第二阶段 第三阶段 O 2 H2O CoA ATP 2H CO2 第四阶段 酵解 脂肪酸分 解代谢 氨基酸 分解代谢 生物大分子的降解阶段 单体分子初步分解阶段 三羧酸循环 氢的氧化阶段 二 合成代谢的一般过程 以糖 脂类 蛋白质

3、及核酸合成过程为主体 分为三个阶段 四 代谢研究的主要内容及方法 一 研究的主要内容 1 确定参与代谢反应的酶及辅酶的结构与功能 2 确定代谢途径中的底物 中间代谢物和终产物的 结构 反应条件及反应部位 3 确定酶促反应系统的调节机制 二 研究的主要方法 1 活体内 in vivo 与活体外 in vitro 活体内 活体外 整体生物材料 动物离体器官 微生物细胞群体 生物体分离出来的组织切片 组织匀浆或体外培养的 细胞 细胞器及细胞抽提物 2 代谢物标记追踪实验 化学标记法 同位素示踪法 1904 年 德国的 F Knoop 提出 氧化 奇数碳者 苯甲尿酸 马尿酸 偶数碳者 C2 化合物化合

4、物 苯乙尿酸 犬尿酸 COOH CH2CH2CH2COOHCH2CH2 COOHCH2COOH NH2CH2COOHNH2CH2COOH CONHCH2COOH CH2CONHCH2COOH 脂肪酸 氧化作用的试验证据 Gly C2 化合物化合物 Gly 化 学 标 记 法 同位素标记的化合物与非标记物的化学性质 生理功能及在体内的代谢 途径完全相同 如用14C标记乙酸的羧基 CH314COOH 然后用于喂狗 检测狗呼出 的气体CO2是否带有放射性标记 如含有14C则说明乙酸的羧基转变成了 CO2 2 同位素标记法 3 代谢障碍实验 代谢障碍造成某种中间产物积累 1 抗代谢物 竞争性抑制剂 抑

5、制正常代谢物的代谢 丙二酸 2 酶的专一性抑制剂来阻抑中间代谢的某一环节 碘乙酸 本质 使代谢途径中的某种酶活性降低或丧失 或不能合成 从而使缺损酶前面的中间产物大量积累 琥珀酸 巯基酶 专一性酶抑制剂 用于分析代谢途径 碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂 可抑制3 磷酸甘油醛脱氢酶 的活性 从而造成3 磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累 酵解途径中1 6 二磷酸果糖裂解生成了2分子三碳糖 4 突变体研究法 1 基因突变 酶缺失 该酶作用的底物 积累 产物缺失 大肠杆菌 基因突变 半乳糖 苷酶缺失 乳糖堆积 2 营养缺陷型微生物或人类遗传性代谢病的研究 糖尿病例研究蛋白质与糖 脂代谢的关系 生糖氨基酸和生

6、酮氨基酸的确定 5 测定特征性酶 特征性酶的存在 判断代谢途径存在 糖酵解途径 醛缩酶 磷酸戊糖途径 6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 三羧酸循环途径 柠檬酸合成酶 一 生物氧化概述 二 生物氧化与生物能 三 生物氧化酶类 生物 氧化 II 四 生物氧化体系的类型四 生物氧化体系的类型 生物氧化又称细胞氧化 或细胞呼吸 能源物质在活细胞中 氧化分解 释放化学能并转化为生物能的生化过程 生物氧化 无氧氧化 有氧氧化 一 生物氧化概述 一 生物氧化涵义 1 有氧氧化 需氧生物和兼性好氧生物有氧条件下 以分子氧作为最终电 子受体 将能源物质完全氧化分解成CO2和H2O 同时释放能量 用于ATP的合成 底物燃烧

7、完全 产能多 一 生物氧化概述 EMP 2NADH H 2NAD G 2C O COOH CH3 2NADH H 2NAD 2 CH3 COOH HO C H 丙酮酸 乳酸 2 无氧氧化 在无氧条件下 最终的电子受体是氧化型物质 或某些外源性电子 受体 将能源物质不完全氧化分解 底物燃烧不完全 产能少 二 生物氧化的本质和特点 化学本质 电子的得失 1 反应条件温和 2 生物氧化分步进行 能量逐步释放 3 氧化方式主要是脱氢氧化 4 碳的氧化和氢的氧化非同步进行 5 生物氧化受细胞的精确调控 特点 三 生物氧化方式 1 脱氢氧化反应 1 脱氢 琥珀酸脱氢酶 HOOCCH CHCOOH 2H 2

8、e HOOCCH2CH2COOH 烷基脱氢生成烯 琥珀酸 延胡索酸 2 加水脱氢 R CH ORCOOH 2H 2e 水 酶 加氧酶 CH4 NADH O2 甲烷单加氧酶 CH3OH H2O NAD 催化以氧分子为电子受体的氧化反应 氧化酶 2细胞色素c Fe2 1 2O2 2H 细胞色素c氧化酶 2细胞色素c Fe3 H2O 催化氧分子直接加入有机分子 2 氧直接参与的氧化反应 3 脱羧氧化 CH3CHO CO2 1 直接脱羧作用 2 氧化脱羧作用 CH3COCOOH 丙酮酸脱羧酶 HOOC CHOH CH2 COOH NADP 苹果酸酶 HOOC CO CH3 CO2 NADPH H 丙酮

9、酸 乙醛 苹果酸 丙酮酸 CO2来源于氧化 代谢中间产物羧 酸的脱羧作用 氧化 还原电势 自由能变化 高能键 高能化合物 二 生物氧化与生物能 氧化还原对 An ne A 或An A 一 氧化 还原电势 ne ne 还原态氧化态An A 式中 An 氧化态物质 A 还原态物质 e 电子 n 转移电子的数目 把两个半电池放在同一种溶液中时 电子传递的方向取决于两个 半电池的氧化型物质 An 接受电子的能力或还原型物质 A 失去电子的能力 这种能力可用氧化还原电势 E0 来表示 标准氧化还原电势 非标准氧化还原电势 根据反应条件 氧化还原电势 标准条件下 任意一个氧化还原 对与标准氢电极比较所得电

10、位差 标准条件为 25 一个大气压 1 01 105Pa 反应物浓度 A A 1mol L 物理化学中 pH 0 E0 0 00V 生物化学中 pH 7 E0 0 421V 标准氧化还原电位测定 1 标准氧化还原电势 标准氧还电势E0 越小 越负 失电子倾向越大 还原力越强 反之 得电子能 力越强 氧化力越强 电子流动方向从负极到正极 即从低氧还电势到高氧还 电势 例题 等摩尔浓度NAD NADH 草酰乙酸 苹果酸组成的反应 体系 判断反应方向 1 从标准氧还电势 E0 的数值可以判断物质氧化还原能力的大小 根据标准氧还电势 0 的大小可以判断反应进行的方向 2 非标准氧化还原电势 E 氧化还

11、原对在非标准条件下 但pH 7 0 的氧化还原电位 R 气体常数 其值为8 314J mol K T 热力学温度 单位用K K 273 F 法拉第常数 其值为96485J V mol n 转移的电子数目 表示物质的量浓度 n 2时 2 303RT nF项值约为0 03 根据能斯特 Nernst 方程 可计算非标准条件下的氧化还原电势 log 303 2 0 电子供体 电子受体 nF RT EE log03 0 0 电子供体 电子受体 EE 1 自由能变化 G 自由能 用以做功 合成反应 机械运动 的能量 自由能变化 G G产物 G反应物 根据 G 判断反应能否自发进行 是吸能反应还是放能反应

12、G 0 能自发进行 为放能反应 G 0 反应不能自发进行 G 0 体系处于平衡状态 二 自由能变化 2 标准自由能变化 在标准条件下 反应系统的自由能变化称标准自由能变化 用 G0表示 G0 G20 G10 热力学上标准条件 25 1个大气压 参加反应的物质和生成的 物质浓度都是1mol L 生物化学反应的环境pH为7 标准自由能变化用 G0 表示 G0 G0是在标准状态下 化学反应的常数 取 决于参加反应的物质 本身 每一个化学反 应都有其特定的标准 自由能变化 G G是某一化学反应随 反应物质的浓度 发 生反应的pH和温度而 改变的自由能变化 若 G0为正值 只要计算所得的 G为负值 反应

13、仍会按预想的方向进行 3 标准自由能变和平衡常数之间的关系 式中 G0是标准自由能变化 T是绝对温度 R是气体常数 A B C D 代表反应物和生成物的摩尔浓度 A B C D G G0 RT ln BA DC A B C D 在恒温恒压下 反应的自由能变化遵循 G G0 RT ln BA DC 反应式 当反应平衡时 G 0 G0 RT ln BA DC 因为平衡常数K BA DC 所以上式改为 G0 RT lnK 改写为log10对数式 G0 2 303RT logK 若平衡常数K大于1时 G0为一负值 反应趋向于生成C和D的 方向 若平衡常数K小于1时 则 G0为正值 反应不能自发进行 4

14、 标准自由能变与标准氧化还原电势变化之间的关系 G0 nF E0 nF E0 受体 E0 供体 生物体内 氧化还原反应的标准自由能变化 G0 与 两个半反应的标准氧化还原电势差值 E0 呈线性关系 G0 氧化还原反应的标准自由能变化 单位为kJ mol n 转移的电子数目 F 法拉第常数 其值为96 485kJ V mol E0 为两个氧还对之间标准氧化还原电势差值 例题 标准条件下 丙酮酸 乳酸 NAD NADH等摩尔浓度组成反应体系 1 计算 G0 2 判断反应平衡的方向 生命系统内偶联的化学反应 其标准自由能变化具有可加性 5 标准自由能变化的可加性 G 0 20 92 kJ mol G

15、 0 33 47 kJ mol G 0 12 55 kJ mol BD ABC AC D 偶联化学反应 葡萄糖 Pi 6 磷酸葡萄糖 H2O G0 13 8kJ mol ATP H2O ADP Pi G0 30 5kJ mol 总反应 葡萄糖 ATP 6 磷酸葡萄糖 ADP G0 16 7kJ mol 三 高能键和高能化合物 1 高能键 高能键 含自由能很高的化学键 当其发生水解或基团 转移反应时 释放或转移的自由能很多 高能磷酸键 磷氧键型 磷氮键型 高能硫酯键 磷氧键型化合物 二磷酸腺苷 1 3 二磷酸甘油酸 磷 酸 肌 酸 磷 酸 精 氨 酸 磷氮键型 胍基磷酸化合物 乙酰CoA 硫酯键

16、型高能化合物 2 高能化合物 1 高能磷酸化合物 ATP CTP GTP UTP 磷氧键型 作为生物能量的直接供体 参与各种生物分子的合成 主动运输 肌肉运动等 核 糖 腺嘌 呤 酸酐 键 磷酯键 ATP的功能 ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂 起核心作用 ATP十H2O ADP Pi 其 G0 30 51kJ mo1 ADP Pi ATP 吸收30 51kJ mol的自由能 ATP在代谢反应中通过磷酸化活化底物 葡萄糖 ATP 己糖激酶 6 P葡萄糖 ADP ATP具有很活泼的磷酸基团 可作为磷酸基的供体参与细胞中的 磷酸化反应 ATP作为磷酸基团共同中间传递体 磷酸肌酸 高能磷酸基团贮备物 高能 P供体 磷酸烯醇式丙酮酸 葡萄糖 6 磷酸 甘油 3 磷酸 1 3 二磷酸 甘油酸 ATP作为共同中间传递体参加磷酸基团转移反应 ATP的特点 ATP是一种瞬时自由能供体 不作为生物体长效能量存储形式 ATP ADP和Pi在细胞内始终处于动态平衡状态 细菌中ATP ADP和Pi的摩尔比8 1 8 ATP和ADP循环的速度非常快 正常人 40kg ATP 天 剧烈运动 0 5kg ATP