生物化学-第五章新陈代谢总论与生物氧化修改.ppt

第五章第五章 新陈代谢总论与新陈代谢总论与生物氧化生物氧化一、一、新陈代谢的新陈代谢的概念和特点概念和特点 新新陈陈代代谢谢（metabolism）是是生生命命最最基基本本的的特特征征之之一一，泛泛指指生生物物与与周周围围环环境境进进行行物物质质交交换换和和能能量量交交换换的的过过程程。生生物物一一方方面面不不断断地地从从周周围围环环境境中中摄摄取取能能量量和和物物质质，通通过过一一系系列列生生物物反反应应转转变变成成自自身身组组织织成成分分，即即所所谓谓同同化化作作用用（assimilation）；另另一一方方面面，将将原原有有的的组组成成成成份份经经过过一一系系列列的的生生化化反反应应，分分解解为为简简单单成成分分重重新新利利用用或或排排出出体体外外，即即所所谓谓异异化作用化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。），通过上述过程不断地进行自我更新。特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行第一节第一节 新陈代谢新陈代谢总论总论新陈代谢的内涵新陈代谢的内涵 小分子小分子 大分子大分子合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢新陈代谢过程包括：新陈代谢过程包括：营养物质的消化吸收、中间代谢、代谢产物的排泄等营养物质的消化吸收、中间代谢、代谢产物的排泄等阶段。阶段。中间代谢中间代谢中间代谢中间代谢：一段指物质在细胞中合成和分解的过程，指某一代一段指物质在细胞中合成和分解的过程，指某一代谢中的一系列酶促反应。谢中的一系列酶促反应。二、新陈代谢的研究方法二、新陈代谢的研究方法l示踪法（化合物示踪、同位素示踪）示踪法（化合物示踪、同位素示踪）如：如：苯环化合物示踪法，提出了脂肪酸苯环化合物示踪法，提出了脂肪酸 氧化学说。氧化学说。利用利用15NH4Cl来标记来标记DNA分子从而证明了分子从而证明了DNA的半的半 保留复制方式。保留复制方式。卡尔文以放射性同位素卡尔文以放射性同位素14CO2饲喂植物，再用纸层析饲喂植物，再用纸层析 分离分离CO2代谢的中间物，从而提出光合作用中代谢的中间物，从而提出光合作用中CO2 转变为糖的循环代谢转变为糖的循环代谢卡尔文循环卡尔文循环(Calvin cycle)。l抗代谢物和酶抑制剂的利用抗代谢物和酶抑制剂的利用 使用抗代谢物（磺胺类药物）和酶抑制剂来阻抑，改使用抗代谢物（磺胺类药物）和酶抑制剂来阻抑，改变反应，推测中间代谢情况。可用药物来造成异常的变反应，推测中间代谢情况。可用药物来造成异常的实验动物进行代谢研究。实验动物进行代谢研究。体内试验（体内试验（in vivo）和体外试验（）和体外试验（no vivo）在体内：包括整体器官或微生物细胞群进行研究在体内：包括整体器官或微生物细胞群进行研究 Knoop：脂肪酸的：脂肪酸的氧化学说，以犬为研究对象的氧化学说，以犬为研究对象的“体内研究体内研究”在体外：用组织切片、匀浆提取液为原料进行研究三在体外：用组织切片、匀浆提取液为原料进行研究三羧酸循环、糖酵解、氧化磷酸化的研究羧酸循环、糖酵解、氧化磷酸化的研究 体外实验可同时进行多样本研究，可进行多次重复试体外实验可同时进行多样本研究，可进行多次重复试验。验。三、自由能和高能化合物三、自由能和高能化合物1 1、自由能、自由能 指不同的有机体由于所含的化学能不相同，当进行指不同的有机体由于所含的化学能不相同，当进行化学反应时，必有能量释放或吸收，其中可用来做化学反应时，必有能量释放或吸收，其中可用来做功的能量称自由能。用功的能量称自由能。用G G表示表示 标准自由能变化标准自由能变化 G：25C C，101325Pa101325Pa（1 1个大气个大气压压），反），反应浓应浓度度1 mol/L1 mol/L，生物体，生物体pHpH值值7 7条件下，条件下，kJ/molkJ/mol在反应在反应 A+B=C+D 中，中，K=CD /BAG0=2.303RTlgK 2、高能化合物、高能化合物高能磷酸键：指水解或基团转移时释放较多的自高能磷酸键：指水解或基团转移时释放较多的自由能，如其高的磷酸基团转移势能，表示的是不由能，如其高的磷酸基团转移势能，表示的是不稳定的键。稳定的键。”一般是指每摩尔化合物能释放一般是指每摩尔化合物能释放20.92 KJ/mol以上的能量的一类化合物。以上的能量的一类化合物。ATPADP+Pi G0=30.514 KJ/mol最常见最多的高能化合物：高能磷酸化合物最常见最多的高能化合物：高能磷酸化合物高高能能化化合合物物类类型型 3 3、ATPATP的特点的特点ATP:ATP:磷酸脂键、磷酸酐键磷酸脂键、磷酸酐键ATPATP分分子子水水解解释释放放自自由由能能很很大大（G=G=-30.5-30.51 1千千焦焦/摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-Mg2+ATPATP的特殊作用的特殊作用 ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能2-磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷二磷酸甘油酸酸甘油酸磷酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油生物系统中的能流生物系统中的能流 UTP、CTP、GTP的不同作用的不同作用磷酸肌酸是高能磷酸键的磷酸肌酸是高能磷酸键的贮存形式贮存形式乙酰乙酰CoA硫脂键断裂释放硫脂键断裂释放31.38KJ/mol自由能自由能第二节第二节 生物氧化生物氧化糖糖类类、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质等等有有机机物物质质在在细细胞胞中中进进行行氧氧化化分分解解生生成成COCO2 2和和H H2 2O O并并释释放放出出能能量量的的过过程程称称为为生生物物氧氧化化（biological biological oxidationoxidation），其其实实质质是是需需氧氧细细胞胞在在呼呼吸吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。l 生物氧化的生物氧化的特点特点l 生物氧化过程中生物氧化过程中COCO2 2的生成的生成l 生物氧化过程中生物氧化过程中H2O的生成的生成 内内 容容问：问：我们身体内的生物氧化与有机物体我们身体内的生物氧化与有机物体外氧外氧 化化燃烧有何相同与区别？燃烧有何相同与区别？一、生物氧化的特点一、生物氧化的特点相同点：相同点：化学本质化学本质（物质、能量）（物质、能量）都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气；都生成都生成CO2和和H2O；释放的能量相同释放的能量相同 不同点：不同点：条件、过程条件、过程生物氧化的特点生物氧化的特点:1 1、在活的细胞中进行；、在活的细胞中进行；2 2、在在pHpH接接近近中中性性、体体温温条条件件下下，常常压压下下，多多水水环环境境中中进进行；行；3 3、有有机机物物的的氧氧化化在在一一系系列列酶酶、辅辅酶酶和和中中间间传传递递体体参参与与下下进行，其途径迂回曲折，有条不紊；进行，其途径迂回曲折，有条不紊；4 4、氧氧化化过过程程中中能能量量逐逐步步释释放放，其其中中一一部部分分由由一一些些高高能能化化合合物物（如如ATPATP）截截获获，再再供供给给机机体体所所需需。在在此此过过程程中中既既不不会会因因氧氧化化过过程程中中能能量量骤骤然然释释放放而而伤伤害害机机体体，又又能能使使释释放放的的能量尽可得到有效的利用。能量尽可得到有效的利用。二、二、H2O的生成的生成代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体（NADNAD+、NADPNADP+、FADFAD、FMNFMN等等）所所接接受受，再再通通过过一一系系列列递递氢氢体体或递电子体传递给氧而生成或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例：例：1/2 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO2-2H+1、线粒体、线粒体结构结构2、电子传递呼吸链的电子传递呼吸链的概念概念3 3、机体内机体内两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链4、呼吸链的组成呼吸链的组成5、传递链中传递体的顺序、传递链中传递体的顺序 6、电子传递抑制剂电子传递抑制剂1 1、线粒体结构、线粒体结构2、呼吸链组成与电子传递顺序、呼吸链组成与电子传递顺序线线粒粒体体基基质质是是呼呼吸吸底底物物氧氧化化的的场场所所，底底物物在在这这里里氧氧化化所所产产生生的的NADH或或FADH2，将将质质子子和和电电子子转转移移到到内内膜膜的的载载体体上上，经经过过一一系系列列氢氢载载体体和和电电子子载载体体的的传传递递，最最后后传传递递给给O2生生成成H2O。这这种种由由载载体体组组成成的的电电子子传传递递系系统统称称电电子子传传递递链链（electron transfer chain)，因因为为其其功功能能和和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。呼吸链：呼吸链：代谢物代谢物M 2H被脱氢酶激活脱落后，经一系列传被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体最后传递给被激活的递体最后传递给被激活的O分子，而生成分子，而生成H2O的的全部体系。全部体系。3 3、两条主要的呼吸链两条主要的呼吸链NADH呼吸链呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代还原型代 谢底物谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c1-c-aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 谢底物谢底物FADH2呼吸链呼吸链FADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+细胞色素细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸延胡索酸NADH辅辅 酶酶 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白（FAD）黄素蛋白黄素蛋白（FMN）细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白（Fe-S）呼呼吸吸链链的的组组成成4、四个蛋白复合物：四个蛋白复合物：1、NADH脱脱氢氢酶酶复合物复合物 （NADH-CoQ氧化氧化还还原原酶酶）2、细细胞色素胞色素bc1复合物复合物 （CoQ-Cytc氧化氧化酶酶）3、细细胞色素氧化胞色素氧化酶酶复合物复合物4、琥珀酸、琥珀酸-CoQ还还原原酶酶复合物复合物（1 1）烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类 特特点点：以以NADNAD+或或NADPNADP+为为辅辅酶酶，存存在在于于线线粒粒体体、基基质或胞液中。质或胞液中。传递氢机理传递氢机理:NAD(P)+2H+2e NAD(P)H+H+（2 2）黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 特点特点：以以FAD或或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别：黄素脱氢酶类（如黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如需氧脱氢酶类（如L氨基酸氧化酶）氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：递氢机理：FAD(FMN)+2H FADH2(FMNH2)（3）铁硫蛋白）铁硫蛋白 +e 传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e 特特点点：含含有有Fe和和对对酸酸不不稳稳定定的的S原原子子，Fe和和S常常以以等等摩摩尔尔量量存存在在（Fe2S2,Fe4S4)，构构成成FeS中中心心，Fe与与蛋蛋白白质分子中的质分子中的4个个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。残基的巯基与蛋白质相连结。铁硫蛋白的结构类型及传递电子机理铁硫蛋白的结构类型及传递电子机理S Fe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e(4)CoQ 特特点点：带带有有聚聚异异戊戊二二烯烯侧侧链链的的苯苯醌醌，脂脂溶溶性性，位位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。+2H 传递氢机理：CoQ CoQH2 2HCoQ的结构和递氢原理的结构和递氢原理CoQ+2H CoQH2(5)细胞色素细胞色素 传递电子机理传递电子机理：+e +e Fe3+Fe2+Cu2+Cu+e e 特点特点：以血红素（以血红素（heme）为辅基的蛋白质，血红素的主要成为辅基的蛋白质，血红素的主要成 份为铁卟啉。份为铁卟啉。类类别别:根根据据吸吸收收光光谱谱分分成成a、b、c三三类类，呼呼吸吸链链中中含含5种种（b、c1、c、a和和a3)，cytb和和cytc1、cytc在在呼呼吸吸链链中中为为电电子子传传递递体体，a和和a3以以复复合合物物存存在在，称称细细胞胞色色素素氧氧化化酶酶，分分子子中中除除含含Fe外外还还含有含有Cu，可将电子传递给氧，亦称为，可将电子传递给氧，亦称为末端氧化酶末端氧化酶。细胞色素的细胞色素的结构和传递电子机理结构和传递电子机理传递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+eNADH呼吸链和呼吸链和FADH2呼吸链呼吸链 FADH2 FeSFeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytcFMNFeSCoQCytbFeSCytc1 1CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2E E0 0-0.32 -0.30 -0.26 +0.10 +0.07 0.04 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816NADH呼吸链呼吸链FADH2呼吸链呼吸链5、传递链中传递体的顺序、传递链中传递体的顺序电电子子传传递递链链中中各各中中间间体体的的顺顺序序NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶复合物脱氢酶复合物细胞色素细胞色素bc1 复合物复合物细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶琥珀酸琥珀酸-CoQ还原酶还原酶复合物复合物呼吸链中电子传递时自由能的下降呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADHNADH呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应总反应:NADH+H+1/2O2 NAD+H2O G=nFE =296.490.82-(-0.32)=220.0 KJ/mol总反应总反应：FADH2+1/2O2 FAD+H2OG=nFE =296.490.82-(-0.18)=192.98 KJ/molFADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化呼吸链电子传递过程中自由能变化 6、电电子子传传递递 抑抑制制剂剂NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 III鱼藤酮鱼藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO萎绣灵萎绣灵三、三、氧化磷酸化氧化磷酸化作用作用（一）氧化磷酸化氧化磷酸化（二）（二）线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用 1、ATP的生成（生物体获能方式）的生成（生物体获能方式）（1 1）底物水平磷酸化）底物水平磷酸化 （2 2）电子传递水平磷酸化（氧化磷酸化）电子传递水平磷酸化（氧化磷酸化）（一）（一）氧化磷酸化氧化磷酸化 电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化 代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即即ADP+Pi ATP ATP）,这种氧化放能和这种氧化放能和ATPATP生成生成（磷酸化）相偶联的过程称（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化氧化磷酸化。ADP+Pi ATP+H ATP+H2 2O O生物氧化过程中生物氧化过程中释放出的自由能释放出的自由能磷氧比（磷氧比（P/O）磷氧比是指每消耗磷氧比是指每消耗1摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数。摩尔氧所消耗无机磷的摩尔数。目前看法：目前看法：NADHNADH+H+H+在呼吸链的传递过程，能将在呼吸链的传递过程，能将10H10H+泵泵出线粒体内膜，每驱动合成出线粒体内膜，每驱动合成1 1分子分子ATPATP需要需要4 4H+FADHFADH2 2能将能将6H+泵出线粒体内膜泵出线粒体内膜例例 实测得实测得NADHNADH呼吸链呼吸链：P/O 2.5实测得实测得FADHFADH2 2呼吸链呼吸链：P/O 1.5氧氧化化磷磷酸酸化化偶偶联联部部位位2、（二）（二）线粒体外线粒体外NADH的氧化磷酸化作用的氧化磷酸化作用动物细胞的两个穿梭系统：动物细胞的两个穿梭系统：1、-磷酸甘油穿梭系统（肌细胞）磷酸甘油穿梭系统（肌细胞）2、苹果酸、苹果酸-草酰乙酸穿梭系统（肝细胞）草酰乙酸穿梭系统（肝细胞）酵解酵解（细胞质）（细胞质）氧化磷酸化氧化磷酸化 （线粒体）（线粒体）-磷酸甘油穿梭磷酸甘油穿梭（线粒体基质）（线粒体基质）磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸甘油FADFADH2NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2NADHNAD+线线粒粒体体内内膜膜（细胞液）（细胞液）转运转运NADH的苹果酸的苹果酸-天冬氨酸系统天冬氨酸系统细胞液细胞液线粒体内膜体线粒体内膜体天冬氨酸天冬氨酸-酮戊二酸酮戊二酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸谷氨酸谷氨酸-酮戊二酮戊二酸酸天冬氨酸天冬氨酸苹果酸苹果酸谷氨酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸草酰乙酸NAD+线粒体基质线粒体基质苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶NADH+H+苹果酸苹果酸脱氢酶脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶谷草转氨酶（、为膜上的转运载体）为膜上的转运载体）呼吸链呼吸链线粒体线粒体ATP酶酶ATP合成酶（合成酶（F0F1ATP酶），酶），含有含有5 5种不同的亚基种不同的亚基(3(3、3 3、1 1、1 1、1 1)；F F0 0为一个疏水蛋白，是与线为一个疏水蛋白，是与线粒体电子传递系统连接的部位。粒体电子传递系统连接的部位。氧化磷酸化的解偶联氧化磷酸化的解偶联解偶联剂：2,4-二硝基苯酚（二硝基苯酚（DNP）只抑制只抑制ATP的形成，不抑制电子传递过程的形成，不抑制电子传递过程2,4-二硝基苯酚的解偶联作用二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+线线粒粒体体内内膜膜内内外外酸性条件酸性条件膜外质子膜外质子膜内质子膜内质子破坏了质子电化学梯度破坏了质子电化学梯度 作业：作业：1 何为生物氧化？具有哪些特点？何为生物氧化？具有哪些特点？2 何谓呼吸链（电子传递链）由哪些组分构成？排列何谓呼吸链（电子传递链）由哪些组分构成？排列 先后顺序是根据什么原则？学会用电化学方式计算传先后顺序是根据什么原则？学会用电化学方式计算传递体间递体间G的放能量级。的放能量级。3 生物体中有哪些电子传递链？电子经它们传递到生物体中有哪些电子传递链？电子经它们传递到O2时时的产能情况怎样？的产能情况怎样？4 何谓底物水平磷酸化？在糖酵解和三羧酸循环中有哪何谓底物水平磷酸化？在糖酵解和三羧酸循环中有哪些步骤（化合物）出现底物水平磷酸化而形成些步骤（化合物）出现底物水平磷酸化而形成ATP？5 何谓磷氧化（何谓磷氧化（P/O），），NADH，FADH2，两种呼吸链，两种呼吸链的的P/O比各为多少？为什么？比各为多少？为什么？6 关于电子传递（即氧化磷酸化）机理有哪三种学说，关于电子传递（即氧化磷酸化）机理有哪三种学说，其中化学渗透学说机理产生其中化学渗透学说机理产生ATP的理论要点是什么？的理论要点是什么？7 计算下列过程的计算下列过程的P/O的理论值（考虑的理论值（考虑GTP相当于相当于ATP）（1）异柠檬酸）异柠檬酸-琥珀酸琥珀酸（2）在）在2，4-二硝基苯酚存在下，二硝基苯酚存在下，-酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸。琥珀酸。8 氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？