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1、第5章 代谢总论和生物氧化生物化学课件第一节 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。二、 新陈代谢的研究方法1. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro)2. 同位素示踪法3. 代谢途径阻断法4. 遗传缺欠症及动物模型等方法四、 高能化合物与ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基
2、磷酸化合物焦磷酸化合物 一般将在生物体内水解某物质1mol时，能释放超过21 kJ /mol（5kCal/mol)以上自由能（G -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。生物体内只有这些物质才能直接将能量传递给ATP（1）烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物： - 61.9 kJ/mol(2)酰基磷酸化合物（例）- 42.3 kJ/mol（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷） - 30.5 kJ/mol焦磷酸 - 28.84 kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物： - 43.1 kJ/mol(1) 硫酯键型高能化合物 （例）非磷酸高能化合物：乙酰辅酶A 31.4 kJ/mol
3、(2) 甲硫型高能化合物 （例） 41.8 kJ/molONNNNNH2-HH-OHH O- O-P O - O O O -P O-P-O-CH2- O - OOHATP的特殊作用作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP H2O ADP Pi其G0= - 30.51kJmo1； 当ADP Pi ATP时，也需吸收30.51kJmol的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式肌酸磷酸激酶 第二节 生物氧化有机物质在细胞内的氧化作用。又称组织呼又称组织呼吸或细胞呼吸。吸或细胞呼吸。 在整个生物氧化过程中，有机物质最终被
4、在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成氧化成COCO2 2和和HH2 2OO，并释放出能量形成，并释放出能量形成ATPATP。一、 生物氧化的特点（一）氧化还原的本质电子转移 电子转移的主要形式： 1. 直接的电子转移 Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+ 1. 在细胞内，于体温、近于中性的含水环境中由酶催化。2. 能量逐步释放，部分存于ATP中。3. 分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。 2. 氢原子的转移 AH2 + B A + BH2 ( H H+ + e ) 3. 有机还原剂直接加氧 RH + O2 + 2H+ + 2e ROH + H2O（二）生物氧化的特点(1) 直接
5、脱羧(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）CH3CCOOHOCH3CHO + CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）丙酮酸HOOCC H2C COOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH + CO2OO（ -脱羧）草酰乙酸 生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。二、 生物氧化中CO2的生成三、生物氧化中 H2O 的生成 生物氧化作用主要是通过脱氢反应来实现的。 代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。 在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。 生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH
6、+ H+O苹果酸CH3CCOOH + CO2氧化型2H+MH2M 氧化型还原型(2H)递氢体NAD+,NADP+, FMN,FAD,COQ还原型递电子体 Cyt b, c1, c, aa32e O2O2-H2O脱氢酶氧化酶 1、概念l 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后（将质子和电子）传递给氧而生成水的全部体系，称呼吸链(respiratory chain)。此体系也称电子传递体系或电子传递链(electron transfer chain)。l 由于参与这一系列催化作用的酶和辅酶及中间传递体在膜（原核细胞膜、真核线粒体内膜）上一个接一个地构成了链状反应，故常将这种形式的
7、氧化过程称为呼吸链。（一）呼吸链ATP合成酶膜间隙琥珀酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜2、呼吸链种类 根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同，在具有线粒体的生物中，典型的呼吸链有2种： NADH呼吸链：绝大部分分解代谢的脱氢 氧化反应通过此呼吸链完成 FADH2呼吸链：只能催化某些代谢物脱 氢，不能使NADH或NADPH脱氢 在电子传递过程中释放出大量的自由能，使ADP磷酸化生成ATP，这是生物合成ATP的基本途径之一。 实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。3、呼吸链的组成（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有200多
8、种 该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢体。在这类酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH或NADPH；当有受H体存在时， NADH或NADPH上的H可被脱下而氧化为NAD+或NADP+。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 还 原氧 化（2 2） 黄素脱氢酶类以黄素脱氢酶类以FMNFMN或或FADFAD为辅基的为辅基的脱氢酶类脱氢酶类 该类酶也属不需氧脱氢酶，催化代谢物脱下一对H原子，使FMN或FAD还原为FMNH2或FADH2。 FMN和FAD是比NAD+或NADP+ 更强的氧化剂。vFMNH2或FADH2可进一步将电子转移给辅酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R1
9、01NNNCCONHOCH3CH3HHR+ 2H- 2H(3)铁硫蛋白类（简写为Fe-S ） 铁硫蛋白(Fe-S)是一类与电子传递有关的非血红素铁蛋白，其作用是借铁的化合价互变进行电子传递: Fe3+ + e Fe2+ 因铁硫蛋白的活性部分含有活泼的硫和铁原子，故称铁硫中心。 铁硫蛋白在生物界广泛存在。在线粒体内膜上常与黄素酶或细胞色素结合成复合物而存在。在从NADH到氧的呼吸链中，有多个不同的铁硫中心，有的在NADH脱氢酶中，有的与细胞色素 b及c1有关。 铁硫蛋白有几种不同的类型，可概括为3类： FeS 2Fe 2S 4Fe 4S （4）辅酶Q类是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂
10、溶性醌类化合物，又名泛醌，简写为CoQ或Q。CoQ分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体。Q (氧化型)半醌式中间体QH QH2 还原型 CoQ也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），这使它在黄素蛋白类和细胞色素类之间能够作为一种特殊灵活的电子载体起作用。（5）细胞色素类一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称 细胞色素主要是通过Fe3+ + e Fe2+ 的互变起传递电子的作用。 线粒体电子传递链至少含有5种细胞色素：a 、a3 、b、c、c1。 各种细胞色素的辅基结构略有不同。 a a3 、b、c1中卟啉Fe
11、与蛋白质非共价结合， c 的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。 典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b c1 c aa3 O2。Cyt a和a3组成一个复合体，二者无法分开，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cyt a a3可以直接以O2为电子受体，所以a a3又称细胞色素c氧化酶。 a与a3之间的两个铜离子，起电子传递作用：发生Cu+ Cu2+ 的互变，将Cyt c所携带的电子传递给O2。b、 c1 、 c、a 卟啉Fe与环及蛋白形成6个配位键：4个与Fe，1个与His，1个与蛋白链中Met形成。a3卟啉Fe与环及蛋白形成5个配位键（不与Met形成）, 空一个配位键与O2，CO，CN等结合，其
12、正常功能是与O2结合。血红素A血红素C血红素B细胞色素的附基NADH呼吸链顺序：NADH-FMN-CoQ-Cytb-c1-c-aa3- 1/2O2FADH2呼吸链顺序： FADH2 -CoQ-Cytb-c1-c-aa3- 1/2O2或 琥珀酸-FAD -CoQ-Cytb-c1-c-aa3- 1/2O24. 呼吸链中传递体的顺序FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO, 叠氮化合物a. 测定各电子传递体氧化还原电位的数值按氧化还原电位由低到高顺序排列；
13、b. 利用电子传递抑制剂确定其顺序；（1）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：电子传递抑制剂:能够阻断呼吸链中某一部位电子传递的物质。各组分E ： 低 高 电子迁移方向：低电位 高电位 G：逐步降低 放能d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合物 (4种)。c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证；1）NADH泛醌还原酶l简写为NADHQ还原酶, 即复合物I，其作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。 l NADH + Q + H+ NAD+ + QH2lNADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。lNADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白
14、质复合物。最少含有34条多肽链，分别由核和线粒体两个基因组编码。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫中心。lFMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可通过铁硫中心进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶Fe-S复合物I基质（负）膜间隙（正）基质臂FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.182）琥珀酸-Q还原酶（琥珀酸脱氢酶）l琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-Cyt
15、 c还原酶、Cyt c和Cyt c氧化酶将电子传递到O2。 l琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物, 比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。l琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。CoQH2复合物复合物 2e膜间隙（正）基质(负)琥珀酸延胡索酸复合物复合物 2H+3）泛醌细胞色素c还原酶l简写为QH2-Cyt c还原酶, 即复合物III, 它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（Cyt c）的还原。l QH2-Cyt c 还原酶 QH2 + 2 Cyt c (Fe3
16、+) Q + 2 Cyt c (Fe2+) + 2H+l QH2-Cyt c还原酶由9个多肽亚基组成，活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。Cyt b4H+Cyt c1瑞斯克 铁硫蛋白Cyt c膜间隙(正)基质(负)复合物IIIbL(562), bH(566)MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.8164）细胞色素c氧化酶l简写为Cyt c 氧化酶，即复合物 IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括Cyt a和a3，两者组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cyt a a3可以直接以O2为电子受体。lFe2+ + Cu2+ Cu+ + Fe3+l2Cu+ + 1/2O2 2Cu2+ + O2-l在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+ Cu2+ 的互变，将Cyt c所携带的电子传递给O2。复合物 + 2H+Cyt cABC膜间隙（正）基质（负）1(泵出)(底物)4H+4H+复合物膜间隙（外）基质（内）琥珀酸延胡索酸MH
