7第七章新陈代谢总论与生物氧化(2学时).ppt

第七章第七章新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化（一）新陈代谢总论新陈代谢是生物最基本的特征；新陈代谢包括（物质代谢和能量代谢）新陈代谢包括（物质代谢和能量代谢）。（二）新陈代谢的研究方法1.活体内(invivo)与活体外(invitro)实验2.同位素示踪法3.代谢途径阻断法（三）生物体内能量代谢的基本规律（三）生物体内能量代谢的基本规律伴随着生物体的物质代谢所发生的一系列能量转化称伴随着生物体的物质代谢所发生的一系列能量转化称能量转化能量转化。热力学第一定律：能量守衡定律，一种形式转为另一种 形式。热力学第二定律：反应自发地趋向于增加体系与环境的 总熵。对生化反应，最重要的热力学函数是自由能。自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。自由能的变化：G=G产物G反应物=H_TSG代表体系的自由能变化，H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，S代表体系的熵变化。G是判断一个过程能否自发进行的根据是判断一个过程能否自发进行的根据G0，反应不能自发进行，必须供给能量。G=0，反应处于平衡状态。一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。G0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。当G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系A+BC+D标准自由内能变化：在规定的标准条件下的自由能变化，用G表示。标 准 条 件：25，参 加 反 应 的 物 质 的 浓 度 都 是 1molL（气体则是1大气压）。若同时定义pH=7.0，则标准自由能变化用G表示。（四）（四）高能化合物与高能化合物与ATP的作用的作用高能化合物：水解时释放5000卡/mol及以上自由能的化合物。高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5000cal以上能量的磷酸化合物。含自由能少的磷酸化合物如葡糖6磷酸、甘油磷酸每mol仅含820KJ自由能。ATP，3067KJ。高能化合物的类型高能化合物的类型1、磷氧型。磷氧型。（1）、）、酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物3磷酸甘油酸磷酸，乙酰磷酸，氨甲酰磷酸，酰基腺苷酸，氨酰腺苷酸。（2）、）、焦磷酸化合物焦磷酸化合物无机焦磷酸，ATP，ADP（3）、）、烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸。2、氮磷型氮磷型磷酸肌酸，磷酸精氨酸。3、硫酯型硫酯型3一磷酸腺苷一5一磷酰硫酸，酰基辅酶A。4、甲硫型甲硫型S一腺苷甲硫氨酸。ATP的特殊的作用。的特殊的作用。1、是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。2、在磷酸基转移中的作用。Glc进入血液中，唯一出路是磷酸化。G-6-P是Glc的一种活化形式。已糖激酶催化：Glc+ATPG-6-P+ADP。3一磷酸甘油是甘油的活化形式，能参与脂肪合成。甘油激酶：甘油+ATP3一磷酸甘油+ADP。分解代谢（氧化作用）ATPADP机械能化学能渗透能电能热能光能ATP的生理功能（能量代谢的偶联剂）底物磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用磷酸肌酸是易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的能起暂时储能作用的物质。磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质ATP+C=NHNH2N-CH3CH2|COOH肌酸磷酸激酶ADP+C=NHN-CH3|CH2|COOHNH-P肌酸肌酸磷酸（能量存储形式）二、二、生物氧化生物氧化（一）（一）生物氧化的特点。生物氧化的特点。糖，脂，蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解，生成CO2，H2O并释放出能量，这个过程称生物氧化。生物氧化是需氧细胞呼吸代谢过程中的一系列氧化还原作用，又称细胞氧化或细胞呼吸。特点：反应条件温和，多步反应，逐步放能。生物氧化在活细胞中进行，pH中性，反应条件温和，一系列酶和电子传递体参与氧化过程，逐步氧化，逐步释放能量，转化成ATP。真核细胞，生物氧化多在线粒体内进行，在不含线粒体的原核细胞中，生物氧化在细胞膜上进行。生物氧化的三阶段生物氧化的三阶段第一阶段：多糖，脂，蛋白质等分解为构造单位单糖、甘油与脂肪酸、氨基酸，该阶段几乎不释放化学能。第二阶段：构造单位经糖酵解、脂肪酸氧化、氨基酸氧化等各自的降解途径分解为丙酮酸、乙酰CoA等少数几种共同的中间代谢物物，这些共同的中间代谢物在不同种类物质的代谢间起着枢纽作用。该阶段释放少量的能量。第三阶段：丙酮酸、乙酰CoA等经过三羧酸循环彻底氧化为CO2、H2O。释放大量的能量。在第二、第三阶段中，氧化脱下的电子（e）经过一个氧化的电子传递过程（氧化电子传递链）最终传给O2，并生成ATP，以这种方式生成ATP的作用称为氧化磷酸化作用，它是一种很重要的将生物氧化和能量生成相偶连的机制。生物氧化的终产物是CO2和H2O，CO2的形成是通过三羧酸循环过程，H2O则是在电子传递过程的最后阶段生成。分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段分解代谢的三个阶段氧化磷酸化氧化磷酸化三羧酸循环三羧酸循环ADP+PiADP+Pi乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoACoACoACoACoA糖糖糖糖 原原原原脂脂脂脂 肪肪肪肪蛋蛋蛋蛋 白白白白 质质质质葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖甘油甘油甘油甘油 脂肪酸脂肪酸脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸第一阶段第一阶段第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段第三阶段第三阶段2H2HCOCO2 2ATPATPOO2 2 H H2 2OO氧化电子传递过程氧化电子传递过程生物氧化过程中形成的还原型辅酶（NADH和FADH2），通过电子传递途径，使其重新氧化，此过程称为电子传递过程。在电子传递过程中，还原型辅酶中的氢以质子（H+）形式脱下，其电子经一系列的电子传递体（电子传递链）转移，最后转移到分子氧上，质子和离子型氧结合生成H2O。（二）生物氧化中二氧化碳的生成由糖、脂类、蛋白质脱羧所致。H+C=O|CH3COO-丙酮酸脱羧酶CHO|+CO2CH3R|CH-NH3+|COO-a-氨基酸R|CH2-NH2+CO2有：a-脱羧；-脱羧（三）生物氧化中水的生成水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。生物体内代谢物种类多，氧化过程不相同，需要多种酶催化氧化反应的称多酶体系，需一种酶的称一酶体系。传递体有多种，有传氢体；如辅酶I、ll、黄酶、辅酶Q有传电子体；细胞色素b、c1、c、a、a3等。三羧酸循环三羧酸循环氧化磷酸化氧化磷酸化乙酰乙酰乙酰乙酰CoACoACoACoACoACoACoACoA2H2HCOCO2 2ADP+PiADP+PiATPATPOO2 2 H H2 2OO有机物有机物有机物有机物COCO2 2+H+H2 2OO+ATP+ATPOO2 2线粒体线粒体线粒体线粒体水的生成：底物在脱氢酶作用下，脱氢，氧气在氧化酶作用下，激活，通过传递来能量（电子），生成水。M2H氧化型H2O一个或多个传递体M还原型O2脱氢酶氧化酶呼吸呼吸链链（氧化电子传递链）氧化电子传递链）由NADH到O2的氧化电子传递链主要包括FMN、辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c1、c、a,a3及一些铁硫蛋白。氧化电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。电子载体的标准势能Go/是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2、H2O其中CO2主要是在三羟酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后阶段产生。电子传递链的酶和电子载体电子传递链的酶和电子载体呼吸链中的电子载体都是和蛋白质结合存在（包括NAD+、FMN、铁硫中心、细胞色素）。这些蛋白质大都是水不溶性的，嵌在线粒体的内膜上。NAD+是许多脱氢酶的辅酶，FMN是NADH脱氢酶的辅酶。1、NAD+和和NADP+脱氢酶分别与NAD+或NADP+结合，催化底物脱氢，这类酶称为与NAD（P）相关的脱氢酶，多数脱氢酶以NAD+为辅酶，少数以NADP+为辅酶（如G-6-P脱氢酶）少数酶能以NAD+或NADP+两种辅酶（Glu脱氢酶）。NADH呼吸链:2.NADH脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类脱氢酶以及其它黄素蛋白酶类NADH脱氢酶含FMN辅基，铁-硫中心。铁硫中心铁的价态变化（Fe3+Fe2+）可以将电子从FMN辅基上转移到呼吸链下一成员辅酶Q上。含有核黄素辅基的酶还包括琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶等。FADH2呼吸链:3.辅酶辅酶Q（泛醌）泛醌）电子传递链上唯一的非蛋白质成分。辅酶Q在线粒体中有两种存在形式：膜结合型、游离型。辅酶Q不仅可以接受FMN上的氢（NADH脱氢酶），还可以接受线粒体FADH2上的氢（如琥珀酸脱氢酶、脂酰CoA脱氢酶以及其它黄素酶类）。4.细胞色素类细胞色素类细胞色素类是含铁的电子传递体，铁原子处于卟啉的结构中心，构成血红素。细胞色素类是呼吸链中将电子从辅酶Q传递到O2的专一酶类。线粒体的电子传递链至少含有5种不同的细胞色素：b、c、c1、.a、a3.细胞色素b有两种存在形式：b562、b566细胞色素c是唯一可溶性的细胞色素，同源性很强，可作为生物系统发生关系的一个指标。细胞色素a、a3是以复合物的形式存在，又称细胞色素氧化酶，将电子从细胞色素c传到分子O2。复合体：细胞色素氧化酶功能：将电子从Cytc最终传递到O2组成：Cyta、Cyta3、Cu电子传递链的顺序:电子传递抑制剂电子传递抑制剂阻断呼吸链中某一部位的电子传递。1、鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素都可阻断电子由NADH向CoQ传递。2、抗霉素抗霉素A抑制电子从细胞色素b向细胞色素c1传递3、氰化物、硫化氢、叠氮化物、氰化物、硫化氢、叠氮化物、CO等。等。阻断电子从细胞色素aa3向O2传递（四）（四）氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用：电子沿着氧化电子传递链传递的过程中所伴随的将ADP磷酸化为ATP的作用，或者说是ATP的生成与氧化电子传递链相偶联的磷酸化作用。底物水平磷酸化作用：是指ATP的形成直接与一个代谢中间物（如PEP）上的磷酸基团转移相偶联的作用。糖酵解中1,3-二磷酸甘油酸，磷酸烯醇丙酮酸。1、方程式：方程式：NADP+H+3ADP+3Pi+1/2O2NAD+3H2O+3ATP三个ATP的形成获取了呼吸链中电子由NADH传递至氧所产生的全部自由能的42%。（21.9/52.7100%）。2、几个概念：几个概念：（1）、）、P/O比比一对电子通过呼吸链传至氧所产生的ATP的分子数。NADH3ATP，FADH22ATP（2）、）、ATP生成部位：生成部位：三个部位由三个酶复合体催化：部位：NADP与CoQ之间，NADH脱氢酶。部位：CoQ与CytC之间，CytC还原酶。部位：Cyta与O2之间，CytC氧化酶。（3）、）、呼吸控制呼吸控制ADP作为关键物质，对氧化磷酸化的调节作用称为呼吸控制。（4）、）、解偶联剂，（解偶联剂，（2.4硝基苯酚）硝基苯酚）电子传递过程和ATP形成过程相分离，电子传递仍可进行，但不能形成ATP。（5）、）、氧化磷酸化抑制剂：氧化磷酸化抑制剂：抑制O2的利用和ATP的形成。偶联部位偶联部位偶联部位偶联部位HH2 2OOOO2 2NADHNADHCyt-bCyt-bc c1 1c caaaa3 3FADHFADHFMNFMNCoQCoQ 氧氧氧氧 化化化化(放能放能放能放能)ADP+PiADP+PiATP ATP ADP+PiADP+PiADP+PiADP+Pi 磷酸化磷酸化磷酸化磷酸化 （吸能吸能吸能吸能）ATPATP ATPATP 偶偶偶偶联联联联能能能能 量量量量能能能能 量量量量能能能能 量量量量 影响氧化磷酸化因素影响氧化磷酸化因素影响氧化磷酸化因素影响氧化磷酸化因素NADHNADHCyt-bCyt-bc c1 1c caaaa3 3HH2 2OOFADHFADHFMNFMNCoQCoQOO2 2 氧氧氧氧 化化化化(放能放能放能放能 )磷酸化磷酸化磷酸化磷酸化（吸能吸能吸能吸能 ）偶偶偶偶联联联联ADP+PiADP+PiATPATP 能能能能 量量量量ADP+PiADP+PiATPATP 能能能能 量量量量ADP+PiADP+PiATPATP 能能能能 量量量量(-(-)CO CO、CNCN-抑制剂氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理跨膜质子移动化学渗透假说-磷酸甘油穿梭：*通过该穿梭，一对氢原子只能产生2分子ATP苹果酸-天冬氨酸穿梭：*通过该穿梭，一对氢原子可产生3分子ATP