新陈代谢总论与生物氧化课件

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1、1,第八章 新陈代谢总论与生物氧化,2,代谢(metabolism)又称新陈代谢，是生物体内所有化学变化的总称。 新陈代谢是生命的基本特征。,第一节 新陈代谢概述,一、定义,3,合成代谢与分解代谢是相辅相成的，它们的平衡使生物体既保持自身的稳定，又能不断更新，以适应环境。,4,代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。 完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应称为代谢途径。,二、代谢途径,5,代谢途径的特点,没有完全可逆的代谢途径； 代谢途径的形式是多样的； 代谢途径有确定的细胞定位； 代谢途径是相互沟通的； 代谢途径之间有能量关联； 代谢途径的流量可调控。,6,每个代谢途径的流量，都受反应速度最慢

2、的步骤的限制，这个步骤称为限速步骤，或关键步骤，这个酶称为限速酶或关键酶。 限速步骤一般是代谢途径或分支的第一步，这样可避免有害中间产物的积累。限速步骤一般是不可逆反应，其逆过程往往由另一种酶催化。,7,第二节 合成代谢,生物分子结构的多层次性决定了合成代谢的阶段性。首先由简单的无机分子(CO2、NH3、H2O等)合成生物小分子（单糖、氨基酸、核苷酸等），再用这些构件合成生物大分子，进而组装成各种生物结构。 趋异性是指随着合成代谢阶段的上升，倾向于产生种类更多的产物。,一、阶段性和趋异性,8,人类不能从无到有合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能从食物中摄取的物质，称为是必需的。 如氨基酸

3、中有8种是必需氨基酸，维生素和某些高不饱和脂肪酸也是必需的。严格说，糖是非必需的。,二、营养依赖性,9,合成代谢需要消耗能量。合成生物小分子的能量直接来自ATP和NADPH，合成生物大分子直接来自核苷三磷酸。 合成代谢所需的能量主要用于活化前体或构件分子，以及用于还原步骤等。,三、需要能量推动,10,生物大分子有两种组装模式：,四、信息来源,1.模板指导组装 核酸和蛋白质的合成，都以先在的信息分子为模板。 2.酶促组装 有些构件序列简单均一的大分子通过酶促组装聚合而成。,11,生物大分子的分解有三个阶段：水解产生构件分子、氧化分解产生乙酰辅酶A、氧化成二氧化碳和水。 在这个过程中，随着结构层次

4、的降低，倾向产生少数共同的分解产物，即具有趋同性。,第三节 分解代谢,一、阶段性和趋同性,12,分解代谢的各个阶段都是释放能量的过程。 第一阶段放能很少。 第二阶段约占三分之一，可推动ATP和NADPH的合成，它们可作为能量载体向体内的耗能过程提供能量。 第三阶段通过三羧酸循环和氧化磷酸化释放其余的能量，主要用于ATP的合成。,二、意义,13,第四节 代谢中的能量与调控,一、代谢与能量,热力学第一定律：能量守恒定律 热力学第二定律：熵定律 自由能：G=H-TS，0为自发,1. 有关定律,14,生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。,1、

5、高能化合物的类型,15,在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,2、ATP的特点及其特殊作用,16,代谢过程是一系列酶促反应，可通过酶活性和数量进行调节。 此外，神经和激素的调节也起着重要作用。 代谢是动态的。生物体内总是同时进行着分解代谢与合成代谢。即使体重保持不变，代谢也在不断地进

6、行。,二、代谢调节,17,第五节 呼吸链,一、呼吸链的概念 二、呼吸链的组成 三、机体内两条主要的呼吸链 四、电子传递抑制剂,18,呼吸链又称电子传递链，是由一系列电子载体构成的，从NADH或FADH2向氧传递电子的系统。,一、呼吸链的概念,其中的氢以质子形式脱下，电子沿呼吸链转移到分子氧，形成离子型氧，再与质子结合生成水。放出的能量则使ADP和磷酸生成ATP。,19,原核细胞的呼吸链位于质膜上，真核细胞则位于线粒体内膜上。,20,线粒体有两层膜。外膜平滑稍有弹性，内膜有许多向内褶叠的嵴，嵴的存在实际上增加了内膜的面积。 线粒体内膜具有许多生物活性蛋白质，嵌在双层磷脂系统中，不能自由移动，这些

7、蛋白质包括电子传递酶类以及与之有关的蛋白质和ATP合成的酶类、各种脱氢酶类、各种代谢物运转系统蛋白等。,21,二、呼吸链的组成,呼吸链包含15种以上组分，主要由4种酶复合体和2种可移动电子载体构成。 其中复合体、辅酶Q(呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体)和细胞色素C的数量比为1：2：3：7：63：9。,22,呼吸链中各中间体的顺序,FADH2,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,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,23,即NADH：辅酶Q氧化还原酶复合体，由NADH脱氢酶（一种以FMN为辅基的黄素蛋白）和一系列铁硫蛋白组

8、成。 它从NADH得到两个电子，经铁硫蛋白传递给辅酶Q。,1.复合体,24,铁硫蛋白,+e 传递电子机理：Fe3+ Fe2+ -e,铁硫蛋白含有非血红素Fe和对酸不稳定的S原子。Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，构成Fe-S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。,25,由琥珀酸脱氢酶（一种以FAD为辅基的黄素蛋白）和铁硫蛋白组成，将从琥珀酸得到的电子传递给辅酶Q。,2.复合体,26,CoQ是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，是呼吸链中唯一的非蛋白氧化还原载体。 它在电子传递链中处于中心地位，可接受各种黄素酶类脱下

9、的氢。,3.辅酶Q,27,CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2H CoQH2,28,细胞色素还原酶复合体，是细胞色素和铁硫蛋白的复合体，把来自辅酶Q的电子，依次传递给结合在线粒体内膜外表面的细胞色素c。,4.复合体,29,特点：以血红素为辅基，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、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu ，可将电子传递给氧。,5.细胞色素类,30,细胞色素氧化酶复合体。 将电子传递给氧。,6.复合体IV,31,NADH呼

10、吸链,三、机体内两条主要的呼吸链,NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O2,32,FADH2呼吸链,FADH2 FeSCoQCytbFeSCytc1CytcCytaa3O2,33,四、电子传递抑制剂,34,第六节 氧化磷酸化,NADH+H+3ADP+3Pi+1/2O2 NAD+4H2O+3ATP,一、定义,与生物氧化相偶联的磷酸化作用称为氧化磷酸化作用。 其作用是将生物氧化过程中释放出的自由能转移而使ADP形成高能的ATP。,氧化磷酸化作用是需氧细胞生命活动的基础，是主要的能量来源。,35,36,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为

11、磷氧比。,二、P/O比,NADH的P/O比为2.5，ATP是在3个不连续的部位生成的; FADH2的P/O比为1.5，ATP是在2个不连续的部位生成的,37,电子传递与ATP形成在正常细胞内总是相偶联的，二者缺一不可。 ATP的生成必须以电子传递为前提，而呼吸链只有生成ATP才能推动电子的传递。,三、偶联的调控,（一）呼吸控制,38,根据化学因素对氧化磷酸化的影响方式，可分为三类： 解偶联剂 氧化磷酸化抑制剂 离子载体抑制剂,（二）解偶联和抑制,39,使电子传递和ATP形成分离，只抑制后者，不抑制前者。电子传递失去控制，产生的自由能变成热能，能量得不到储存。解偶联剂对底物水平磷酸化无影响。 如

12、2，4-二硝基苯酚（DNP）能拆散氧化磷酸化的偶联，成为解偶联剂。,1. 解偶联剂,40,感冒或患有某些传染病时，体温升高，可能是由于细菌或病毒产生一种解偶联剂，使呼吸作用释放的能量较多地转变成热能，而使体温升高。 抗生素如短杆菌肽和寡霉素也是解偶联剂。,41,作用特点是直接干扰了由电子传递的高能状态形成ATP的过程，结果使电子传递也不能进行。 如抗霉素A是抑制细胞色素b和c1之间的电子传递。,2. 氧化磷酸化抑制剂,42,如缬氨霉素（可运送K+）、短杆菌肽（可运送K+、Na+）等。这些抗生素可与K+、Na+形成脂溶性复合物，将K+从线粒体内转移到胞浆，这种离子的转移消耗生物氧化所释放的能量，

13、使之不能用于ATP的生成。,3. 离子载体抑制剂,43,目前有三种假说：化学偶联假说、结构偶联假说和化学渗透假说，都不够理想。,四、偶联机制（自学）,44,认为电子传递和ATP生成的偶联是通过一系列连续的化学反应，形成一个高能共价中间物。这个中间物在电子传递中形成，又裂解将其能量供给ATP的合成。 无证据支持。,1.化学偶联假说,45,电子沿呼吸链传递使线粒体内膜蛋白质组分发生构象变化而形成一种高能形式，然后将能量传递给F0F1ATP酶分子，酶复原时形成ATP。,2.构象偶联假说,46,电子传递使质子从线粒体内膜基质泵到膜外液体中，形成一个跨膜H+梯度。 H+的渗透能促使ATP形成：H+顺梯度

14、通过ATP合成酶分子中的通道进入线粒体基质，放能合成ATP。,3.化学渗透假说,47,48,F0F1ATP酶即ATP合成酶，由F0和F1两部分构成，后者是线粒体内膜表面的球状体，能合成ATP；前者是连接F1的柄，起质子通道作用，可调节质子流，从而控制ATP的合成。,49,化学渗透假说得到一些事实支持，如线粒体电子传递形成的电子流能从线粒体内膜逐出H+。 待解决问题：H+究竟是怎样通过电子传递链而泵出的？,50,五、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,磷酸甘油穿梭系统 苹果酸-天冬氨酸穿梭系统,51,-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,FADH2,FADH2Q b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,52,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,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,NADH+H+,（、 、 、 为膜上的转运载体）,呼吸链,