[理学]第六章-新陈代谢总论与生物氧化

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1、第六章 新陈代谢总论与生物氧化,第一节 新陈代谢总论,第二节 生物氧化,第三节 呼吸链,第四节 氧化磷酸化,第一节 新陈代谢总论,一 新陈代谢的概念,新陈代谢,合成代谢 （同化作用）,分解代谢 （异化作用）,生物小分子合成为 生物大分子,需要能量,释放能量,生物大分子分解为 生物小分子,能量代谢,物质代谢,二、新陈代谢的共同特点：,1. 由酶催化，反应条件温和。,2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。,3. 对周围环境高度适应。,三 、 新陈代谢的调节,三个水平调节： 分子水平-酶浓度和数量的调节 （包括基因水平上的调节） 细胞水平-细胞区域化调节 整体水平-激素和神经的调节,四、生物体内能量

2、代谢的基本规律,自由能：生物体（恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。,熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。,G = H - TS,对于 aA +bB cC +dD,G= -RTlnK K=CcDd/AaBb,G在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化 H体系焓的变化；T体系的绝对温度； S-体系的熵变。,自由能用于生物化学反应的规定 物理化学中的标准自由能（G）为25、一个大气压，参与反应的物质浓度均为1mol/L时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有 H+ 参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则这个标准条件的pH值为 0 ，显然，不符合生物体系

3、反应条件。生物体系中，其标准自由能是指pH7.0时的自由能，用G表示 ，自由能的变化用 G 表示。,概 念： 水解自由能在20.92 kJ/mol （ 5千卡/mol ）以上的化合物。 高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“”表示 以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物”,五、 高能化合物,1 磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“OP ”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。,高能化合物类型：,2 氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸,3 硫酯键型 ，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A,常见磷酸化合物标准水解自由能,ATP的结构

4、特性,结构 水解自由能：每个高能键的水解自由能为 30.5kJ/mol或7.3kcar/mol,第二节 生物氧化 一、生物能流：,二、生物氧化 1.概念：有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程 葡萄糖 6 CO2 + 6 H2O + 能量 （2870.22 kJ/mol） 2.内容：碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP 3.方式： （1）加氧：,（2） 脱氢: 加水脱氢:,Fe2+ Fe3+ e,（3）脱电子：,HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸,直接脱氢：,4. 生物氧化

5、的特点,相同点,不同点,1）反应条件： 温和 剧烈 2）反应过程： 分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放 3）产物生成： 间接生成 直接生成 4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能,体内氧化 体外氧化,生物氧化的特点： 生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellular respiration) 1) 逐步氧化，有序可控； 2) 条件温和，多步酶促反应; 3) 能量逐步释放并以ATP的方式贮存。 4）分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。,5.CO2生成方式

6、 糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2 （1） 直接脱羧,（2）氧化脱羧:,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H2O 。,6. H2O的生成方式,三、氧化酶类： 1.电子转移酶 如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应,2.氧化酶： （1）一般氧化酶：单独使底物脱氢，并把氢交给氧的酶类，如一酶体系中的多酚氧化酶。,（2）黄素氧化酶：接受底物的氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢的酶

7、。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶,（3）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶,3. 脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常FAD或FMN。 如：琥珀酸脱氢酶：,4. 加氧酶：加双氧酶和加单氧酶,一、概念：线粒体内膜上的电子传递系统。 类别： NADH呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3 FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3 二、组分：,第三节 呼吸链,1. NADH脱氢酶：辅基

8、为FMN，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化NADH脱氢，并具有质子泵功能，其与铁-硫蛋白形成复合体,2. 琥珀酸脱氢酶（FAD）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能,3. Fe-S蛋白：含有等量的铁和硫，二者形成配位键，铁还和肽链的半胱氨酸形成配位键。有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子,4. CoQ：是醌式化合物，脂溶性, 由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的非蛋白电子载体，在膜中比较自由。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。其反

9、应如下：,Fe2+ Fe3+e,（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能 （2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给Cytc,5. 细胞色素（Cyt）类: 共有5种，分别为Cyt b 、Cyt c1 Cytc、 Cyta.a3所有的细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基血红素，如Cytc的辅基与蛋白质的结合。,Fe2+ Fe3+e,其中的铁离子可接受电子和释放电子,（4）Cytaa3 ：主要催化细胞色素C到细胞色素aa3 的电子传递：这是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。在膜的外部，Cyta接受Cytc

10、的电子，经过Cu传给a3 ，a3 的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。 该复合体又称为细胞色素c氧化酶、呼吸链末端氧化酶。,（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta a3。,前三者都属于细胞色素还原酶,三、工作机理：1. 呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：,2. 工作机理：,氧化还原反应: 电子转移反应 化学电池 ： Zn = Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- = Cu 氧化还原电势: 还原剂失电子；氧化剂得电子倾向,生物体内的氧化还原反应原理与化学电池相同,四、存在状态,四个复合体：复合

11、体I：NADH脱氢酶、铁硫蛋白 复合体II：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白 复合体III：细胞色素b、c1 复合体IV：细胞色素氧化酶 两个游离载体：辅酶Q、细胞色素c,（1）复合体：NADH一泛醌还原酶：该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。 （2）复合体：琥珀酸一泛醌还原酶：该复合体将电子从琥珀酸经 FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。 （3）复合体：泛醌一细胞色素C还原酶：该复合体将电子从泛醌经Cytb、Cytc1传给Cytc。 （4）复合体：细胞色素C氧化酶：该复合体将电子从Cytc经Cyt aa3传递给氧。,NADH复合体I Q 复合体III Cytc 复合体IV O2,五、电子传递抑

12、制剂：,第四节 氧化磷酸化,一、概念:伴随生物氧化放能反应由ADP与Pi合成ATP的过程。 二、类型: 底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能 磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程。,氧化磷酸化：是指呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，即将电子传递过程中产生的自由能用于ATP合成又称为偶联磷酸化。,三、偶联部位: 1. 电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP,每消耗1原子氧同时消耗几分子无机磷酸，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP 底物 NADH 琥珀酸 CoQ 细胞色素c P/O 3 2 2 1,2. P/O：,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消

13、耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。,根据氧化-还原电位与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G -30.5 kJ / mol。 FMNH2 Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。,四、氧化磷酸化机理: 1.氧化磷酸化的细胞结构基础,线粒体 （mitochondria）,外 膜

14、（outer membrane）,内 膜 （inner membrane）,嵴 （sterility）,线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。,2. ATP合成酶( ATP synthase）) F1-F0因子：结构,F1：3a、3b、g、d、e 5种共9个亚基,亚基 为ATP合成部位,F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底,g亚基突出与F0结合,F1：催化ATP合成 F0：穿膜质子通道,ATP,F1-F0的工作机理,电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度,化学渗透学说机理,（1）化学

15、偶联假说（Chemical coupling hypothesis ) （2）构象偶联假说 (conformational coupling hypothesis ) （3）化学渗透学说 （Chemical osmotic theory）（Mitchell 1961）,3. 氧化磷酸化机理,化 学 渗 透 学 说 要 点,线粒体的内膜是完整的封闭系统。 电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。 内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。 4. 质子经F1F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。,作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。,解偶联(uncoupling) 使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。 解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、 2.4-二硝基苯酚、双香豆素等 典型的解偶联剂 2，4 二硝基苯酚作用机理。,五、氧化磷酸化的解偶联剂(uncoupler)和抑制剂,氧化磷酸化抑制剂(oxidative phosphorylation inhibitor) ：直接作用于F1F0复合体，抑制ATP合成的物质。