能量代谢与生物能的利用课件.ppt

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1、（一）新陈代谢的概念：（一）新陈代谢的概念：1 1、概念：、概念： l合成代谢：合成代谢： 由小分子合成生物大分子的由小分子合成生物大分子的过程；过程； 耗能耗能l分解代谢：分解代谢： 将生物大分子分解成小分子将生物大分子分解成小分子的过程；的过程； 放能放能一、新陈代谢一、新陈代谢新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢 研究代谢过程中伴随着生物体的合研究代谢过程中伴

2、随着生物体的合成代谢分解代谢中能量的变化。成代谢分解代谢中能量的变化。l物质代谢：物质代谢： 即生命物质的降解和建成，包括即生命物质的降解和建成，包括合成代谢和分解代谢。它与能量代合成代谢和分解代谢。它与能量代谢紧密偶联、互成因果。谢紧密偶联、互成因果。代谢途径（代谢途径（ metabolism pathway) metabolism pathway) ： 指糖、脂类、蛋白质、核酸及指糖、脂类、蛋白质、核酸及水、盐水、盐 代谢的一系列化学反应。代谢的一系列化学反应。代谢物：代谢物： 统指代谢反应中任一反应物、统指代谢反应中任一反应物、中间产物或产物。中间产物或产物。一、新陈代谢一、新陈代谢1

3、1）严格的细胞内定位）严格的细胞内定位2 2）特异的酶促反应）特异的酶促反应3 3）共通的代谢间关联）共通的代谢间关联4 4）严谨的反应顺序）严谨的反应顺序5 5）高效率的调控机构）高效率的调控机构马蝇马蝇一、新陈代谢总论一、新陈代谢总论人体细胞外的消化分为四个过程：人体细胞外的消化分为四个过程：1)口腔内的消化口腔内的消化 2)胃的消化胃的消化 3)小肠消化小肠消化 4)大肠消化大肠消化1 1、活体内与活体外实验：、活体内与活体外实验：1 1）在活体内（）在活体内（in vivo）：）： 生物体内生物体内: :动物实验、组织细胞培养等。动物实验、组织细胞培养等。一、新陈代谢一、新陈代谢l例如

4、例如1904年，德国生物学家年，德国生物学家Knoop根据体内实验提出根据体内实验提出脂肪酸脂肪酸 -氧化学说氧化学说。l 一一CH2CH2一一CH2CH2一一CH2COOH - 2CH3COOHl +l 一一CH2COOHl l 一一CH2一一CH2CH2一一CH2COOH - 2CH3COOHl +l 一一COOHl 在试管内进行在试管内进行: :细胞切片、匀浆液、提细胞切片、匀浆液、提 取液等。取液等。 l同位素标记某种代谢物，然后追踪同位元同位素标记某种代谢物，然后追踪同位元素在体内的变化途径，就能获得有关代谢素在体内的变化途径，就能获得有关代谢途径的丰富知识。途径的丰富知识。一、新陈

5、代谢一、新陈代谢 用抗代谢物或酶抑制剂阻抑中间代用抗代谢物或酶抑制剂阻抑中间代谢的某一环节，使中间物积累，便谢的某一环节，使中间物积累，便于分析和推测代谢情况。于分析和推测代谢情况。一、新陈代谢一、新陈代谢1、下列关于新陈代谢叙述中不正确的是（、下列关于新陈代谢叙述中不正确的是（ ）A、新陈代谢是一切生物生存的基本条件新陈代谢是一切生物生存的基本条件B、新陈代谢的过程是生物体自我更新的过程新陈代谢的过程是生物体自我更新的过程C、新陈代谢过程中包含着物质变化和能量变化新陈代谢过程中包含着物质变化和能量变化D、新陈代谢包括同化作用和异化作用两个完全对立的过程新陈代谢包括同化作用和异化作用两个完全对

6、立的过程2、一个长期生病、逐渐消瘦。他的新陈代谢的特点是、一个长期生病、逐渐消瘦。他的新陈代谢的特点是（ ）作用占有优势。）作用占有优势。 D,异化异化)（一）热力学第一定律与生物体系（一）热力学第一定律与生物体系l热力学第一定律：热力学第一定律：能量即不能创造也不能消失，只能从能量即不能创造也不能消失，只能从一种形式转变为另一种形式。一种形式转变为另一种形式。1 1、生物体系是一个开放体系。、生物体系是一个开放体系。特点：特点：与环境有物质交换和能量交换。与环境有物质交换和能量交换。 光能光能 化学能化学能二、生物能学二、生物能学光合生物机械能电能热能辐射能生物体与环境的总能量保持不变。特点

7、：能量逐步释放。l热力学第二定律热力学第二定律：指任何一种物理或化学的过程都自：指任何一种物理或化学的过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵。发地趋向于增加体系与环境的总熵。自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有自由能：生物体（或恒温恒压）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。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。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定律作抗争。l该方程式表说明：该方程式表说明： G 0，反应不能自发进行，当给反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动体系补充自由能时，才

8、能推动 反应进行。反应进行。l G=0 ，表明体系已处于平衡状态。表明体系已处于平衡状态。 对于对于 A +B C +D G= -2.303RTlgK K=CD/ABl高能化合物高能化合物-随水解反应或基团转移反应放随水解反应或基团转移反应放出大量自由能的化合物。出大量自由能的化合物。l 高能磷酸化合物高能磷酸化合物-含有高能磷酸转移基团的含有高能磷酸转移基团的化合物。常用化合物。常用 p表示。表示。例如：葡萄糖例如：葡萄糖 + ATP 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + ADP 生物体内的放能反应与吸能反应偶联，生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的最基本的形式是通过

9、高能化合物实现的1 1、类型：、类型：1 1）磷氧键型：如）磷氧键型：如ATPATP等等2 2）氮磷键型：如磷酸肌酸等）氮磷键型：如磷酸肌酸等3 3）硫酯键型：如脂酰）硫酯键型：如脂酰CoACoA等等4 4）甲硫键型：）甲硫键型：S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸二、生物能学二、生物能学机械能机械能-运动运动化学能化学能-合成合成渗透能渗透能-分泌吸收分泌吸收电能电能-生物电生物电热能热能-体温体温光能光能-生物发光生物发光ATPATP是生物系统能量交换的中心是生物系统能量交换的中心荧火虫荧火虫二、生物能学二、生物能学l其他三磷酸核苷也可作为能量直接来源。其他三磷酸核苷也可作为能量直接来源。l如

10、如 三磷酸尿苷（三磷酸尿苷（UTP）-用于多糖的合成。用于多糖的合成。 l ATP + UDP ADP + UTPl 三磷酸胞苷（三磷酸胞苷（CTP）-用于磷酯的合成。用于磷酯的合成。 lATP + CDP ADP + CTPl 三磷酸鸟苷（三磷酸鸟苷（GTP）-用于蛋白质的合成用于蛋白质的合成 。 lATP + GDP ADP + GTPl 磷酸肌酸磷酸肌酸-是动物组织中的能量贮存形式。是动物组织中的能量贮存形式。l ATP ADPN C NHNHCH2HOOCCH3磷酸肌酸PO-OO-肌酸N C NH2NHCH2HOOCCH3（一）概念：（一）概念：概念：概念：有机物质（糖、有机物质（糖、

11、脂肪和蛋白质）在生脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分物细胞内进行氧化分解而生成解而生成COCO2 2和和H H2 2O O并并释放出能量的过程称释放出能量的过程称为生物氧化。为生物氧化。 生物氧化通常需要消生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼耗氧，所以又称为呼吸作用。吸作用。 在活体细胞中进行，需酶参加在活体细胞中进行，需酶参加 温和条件温和条件 复杂的氧化还原过程复杂的氧化还原过程 能量逐步释放，以能量逐步释放，以ATPATP形式储存和转运形式储存和转运 真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质 膜上进行。膜上进行。1 1、电子转移：、电子转移：2 2、氢原子的

12、转移：、氢原子的转移：3 3、有机还原剂直接加氧、有机还原剂直接加氧: :三、生物氧化三、生物氧化l酶催化的醛氧化成酸的反应酶催化的醛氧化成酸的反应+2H+ 2e-+RCOHO 酶RCOHHOH H2ORCOH （二）（二） CO2的生成的生成生物体内生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。合物的脱羧作用。-脱羧脱羧 （羧基位置羧基位置）-脱羧脱羧分类分类单纯脱羧单纯脱羧（不伴氧化不伴氧化）氧化脱羧氧化脱羧（伴氧化伴氧化）节节 1. 1. -单纯脱羧单纯脱羧 COOHC =OCH2COOH2.2. -单纯脱羧单纯脱羧COOHC =O + C

13、O2 CH3 O CH3 C H + CO2 O CH3 C COOH返回返回 1. 1. -氧化脱羧氧化脱羧2.2.-氧化脱羧氧化脱羧 O CH3CCOOH + CoASH + NAD+ O CH3C SCoA + NADH + H+ + CO2COOHC =O + CO2 +NADPH + H+ CH3COOHCHOH + NADP+CH2COOH返回返回（三）（三） H2O的生成的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。生物体主要以脱氢酶脱氢酶、传递体及氧化酶氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。MH2M递氢体递氢体H2

14、NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体递电子体 b, c1, c, aa32H+2e O2O2-H2O脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶1 1、呼吸链（又称电子传递链）：、呼吸链（又称电子传递链）： 代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。活的氧分子而生成水的过程。2 2、呼吸链的类型：、呼吸链的类型：1 1）NADHNADH呼吸链：呼吸链：产生产生3 3个个ATPATP2 2）FADHFADH2 2呼吸链：呼吸链：产生产生2 2个个ATPATPNAD

15、H电子传递链 FADH2电子传递链 呼吸链的组成呼吸链的组成:脱氢酶、呼吸传递脱氢酶、呼吸传递体、未端氧化酶组成的生物氧化酶体、未端氧化酶组成的生物氧化酶体系。体系。三、生物氧化三、生物氧化 1)脱氢酶及与其相联系的传递体脱氢酶及与其相联系的传递体 烟烟 酰胺腺嘌呤核苷酸类辅酶酰胺腺嘌呤核苷酸类辅酶 有两种：有两种：NAD -辅酶辅酶I（CO I） 和和 NADP -辅酶辅酶II（CO II） 黄素脱氢酶类辅基黄素脱氢酶类辅基 有两种：有两种： FMN 和和 FAD 辅酶辅酶Q（泛醌）泛醌）（泛醌、亦简称泛醌、亦简称Q Q。是许多酶的是许多酶的辅酶辅酶) )v是脂溶性醌类化合物，是脂溶性醌类化

16、合物，而且分子较小，可在线而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区层的疏水区自由自由扩散。扩散。* *功能基团是苯醌功能基团是苯醌, ,通过通过醌醌/ /酚的互变传递氢，酚的互变传递氢，Q Q ( (醌型结构醌型结构) ) 很容易接受很容易接受2 2个电子和个电子和2 2个质子，还个质子，还原成原成QH2QH2（还原型）；还原型）；QH2QH2也容易给出也容易给出2 2个电子个电子和和2 2个质子，重新氧化成个质子，重新氧化成Q Q。因此，因此，它在线粒体呼它在线粒体呼吸链中作为电子和质子吸链中作为电子和质子的传递体。的传递体。 返回返回 2)、电子传递与末端氧化

17、酶体系、电子传递与末端氧化酶体系 细胞色素氧化酶体系细胞色素氧化酶体系 这是一类以铁卟啉为这是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质辅基的蛋白质在呼吸链中，依靠活性中心在呼吸链中，依靠活性中心 中铁的化合的价变化中铁的化合的价变化而传递电子。而传递电子。目前发现细胞色素有多种如目前发现细胞色素有多种如 a、a3、b、 c1 、 c2等，等，在呼吸链中的排列序顺为在呼吸链中的排列序顺为 b c1 c a a3 O2 铁硫蛋白类（铁硫蛋白类（FeS)通过铁硫中心通过铁硫中心Fe2+ / Fe3+ 进行电子传递。进行电子传递。 酚氧化酶体系酚氧化酶体系 通过通过Cu+ / Cu2+ 进行电子传递。进行电子传递。

18、抗坏血酸氧化酶体系抗坏血酸氧化酶体系 通过通过Cu+ / Cu2+ 进行电子传递。进行电子传递。 v 是以铁卟啉（血红素是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质为辅基的蛋白质（有颜色有颜色），），高等动物线粒体呼吸链中主高等动物线粒体呼吸链中主要含有要含有5 5种细胞色素种细胞色素a a、a3a3、 b b、 c c 、c1c1等等。v 细胞色素主要是通过辅细胞色素主要是通过辅基中基中Fe3+ Fe3+ Fe2+ Fe2+ 的互变的互变起传递电子的作用。一个细起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。胞色素每次传递一个电子。（cytochrome,cyt）下页下页v铁硫聚簇（铁硫聚簇（Fe-S

19、Fe-S中心）主要以（中心）主要以（ Fe-S Fe-S ） (2Fe-2S) (2Fe-2S) 或或 (4 (4Fe-4S) Fe-4S) 形式存在，铁硫聚簇形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为与蛋白质结合称为铁硫蛋白。铁硫蛋白。下页下页+e-e-返回返回lNADH 链链 2H+l 2eSH2 NAD FMNH2 CO Q 2cyt- Fe2+ 1/2O2l S NADH2 FMN CO QH2 2cyt- Fe3+ O2- H2Ol 2e 4. 呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1 +0.22c+0.25aa3+0.

20、29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥 E0 低低高高 抑制剂：呼吸抑制剂：呼吸毒物毒物(阻断电阻断电子传递子传递)抗霉素A氰化物，CO，叠氮化合物阿的平解偶联剂解偶联剂:破坏呼吸链释放的能量用于破坏呼吸链释放的能量用于ATP合成合成如如:2,4-二硝基苯酚、二硝基苯酚、P-三氟甲氧基苯腙二氰化物、双香豆三氟甲氧基苯腙二氰化物、双香豆素都是常解偶联剂。素都是常解偶联剂。并不并不抑制电子传递抑制电子传递)（四）（四） 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化。主要由：主要由： ADP + Pi + 能量能量 ATP少数情况：少数

21、情况： AMP + PPi + 能量能量 ATP1. ATP的生成的生成（1）底物水平磷酸化）底物水平磷酸化（2）电子传递体系磷酸化）电子传递体系磷酸化l 1) 底物水平底物水平 磷酸化磷酸化-是指底物在氧化过程中，分子内部能量重新分布而形成为是指底物在氧化过程中，分子内部能量重新分布而形成为一种高能磷酸化合物。这种高能磷酸化合物的基团和键能可转移一种高能磷酸化合物。这种高能磷酸化合物的基团和键能可转移到到ADP中形成中形成ATP。l例如：例如： Ol CHO C-O P COOHl | + H3 P O4 | |l CHOH CHOH CHOHl | NAD NADH+ + H+ | ADP

22、 ATP |l CH2 O-P CH2 -O -P CH2 -O -Pl2)、电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化 (注意产能部位注意产能部位)l 电子传递水平磷酸化电子传递水平磷酸化-发生在呼吸传递上，底物脱下的氢进入电子传递体系，发生在呼吸传递上，底物脱下的氢进入电子传递体系，最后和氧生成水。同时在这个过程中产生大量能量，并贮存最后和氧生成水。同时在这个过程中产生大量能量，并贮存在在ATP中。中。l NADH FMN CO Q b c1 c a a3 O2l l p p p l l ADPATP ADPATP ADPATPlP/O-指消耗指消耗1 mol 氧所消耗无机磷酸的氧所消耗无机磷酸

23、的 mol 数数。也就是指每消耗。也就是指每消耗1 mol O2 所生成所生成ATP的的 mol 数。数。l 实验证明：实验证明： NADH2 P/O = 3 FADH2 P/O = 2 2. 胞液中胞液中NADPH和和NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化NADPH + H+NADP+异柠檬酸线粒体内膜异柠檬酸穿梭作用异柠檬酸穿梭作用异柠檬酸NAD +-酮戊二酸NADH + H+呼吸链(3ATP)-酮戊二酸NADH + H+NAD+二羟磷酸丙酮甘油-磷酸线粒体内膜甘油甘油-磷酸穿梭作用磷酸穿梭作用甘油-磷酸FAD二羟磷酸丙酮FADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2(2ATP)酵解酵解NAD

24、H草酰乙酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸草酰乙酸NADH天冬氨酸天冬氨酸NADH呼吸链呼吸链(3ATP)苹果酸苹果酸-天冬氨酸转运天冬氨酸转运NADH系统系统3. 氧化磷酸化作用机理氧化磷酸化作用机理化学渗透学说化学渗透学说 氧化磷酸化作用的关键因素是质子（氧化磷酸化作用的关键因素是质子（H+）梯度和完整梯度和完整的线粒体内膜。的线粒体内膜。化学偶联学说化学偶联学说(高能中间产物高能中间产物学说学说) )形成高能中间产物，促使形成高能中间产物，促使ATP生成。生成。结构结构(构象）偶联学说构象）偶联学说Ared + Box 2eA*ox +BredA*

25、ox + ADP +Pi Aox + ATP1961年，英国科学家Mitchell提出化学渗透学说由此荣获1978年的诺贝尔奖。n 化学渗透学说 4 非线粒体氧化体系非线粒体氧化体系与与ATP合成无关，但具有重要生理功能。合成无关，但具有重要生理功能。1). 微粒体氧化体系微粒体氧化体系催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。催化分子氧中二个氧原子分别进行不同的反应。一个一个O加到底物分子上，另一个加到底物分子上，另一个O则与则与NADPH上的二个上的二个H作用形成作用形成H2O，不生成不生成ATP。加单氧酶加单氧酶。生理功能：胆酸生成中环核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；生理功能：胆酸生成中环

26、核羟化；不饱和脂肪酸双键引进；维生素维生素D活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。活化；药物、致癌物和毒物的氧化解毒等。RH + O2 + NADPH + H+ ROH + NADP + H2Ol此酶催化氧分子直接加到作用物分子上此酶催化氧分子直接加到作用物分子上l O2,加双氧酶加双氧酶l-胡萝卜素胡萝卜素 2视黄醛视黄醛2). 过氧化物酶体系过氧化物酶体系氧是维持生命必需的物质氧是维持生命必需的物质,但也有毒性但也有毒性,机体长时间在纯氧中机体长时间在纯氧中呼吸可致呼吸紊乱呼吸可致呼吸紊乱,乃至死亡乃至死亡.这与生物氧化过程中大量产生这与生物氧化过程中大量产生过氧化氢等有关过氧化氢等有关.

27、H2O2的功用：参与甲状腺中活性碘的生成；在中性粒细胞的功用：参与甲状腺中活性碘的生成；在中性粒细胞中可杀死被吞噬进的细菌；使过氧化物（中可杀死被吞噬进的细菌；使过氧化物（ROOH）转变为转变为无毒的醇类。无毒的醇类。H2O2的毒性：使酶失活；损伤膜功能；生成脂褐素颗粒。的毒性：使酶失活；损伤膜功能；生成脂褐素颗粒。2H2O2 2H2O + O2过氧化氢酶过氧化氢酶RH2 + H2O2 R + 2H2O过氧化物酶过氧化物酶l1.作为递氢体，能将电子直接传递给细胞 色素的是 : A、 NADH+H B、NADPH+HC、CoQD、FADH2E、FMNH2 (C) A、FAD B、NAD C、FM

28、N D、NADP E、TPPl线粒体内-磷酸甘油脱氢酶的辅酶是:l线粒体外苹果酸脱氢酶的辅酶是： (A)(B)l下列有关细胞色素的叙述哪一项是正确的：A、全部存在于线粒体中B、都是递氢体C、都是递电子体D、与CO、CN结合后丧失活性 (C)l苹 果 酸 穿 梭 系 统 的 成 分 不 包 括 : A、 草 酰 乙 酸 B、Asp C、 苹 果 酸 D、GIu E、 丙 酮 酸 (E) A、磷酸甘油穿梭作用 B、苹果酸穿梭作用C、两者都对D、两者都不对l 既需NADP+, 也需要FMN为辅酶(辅基) 的是:l 能使线粒体外NADH+H+进入线粒体的是: (D)(C)l新陈代谢的概念：新陈代谢的概念： 合成代谢、分解代谢、合成代谢、分解代谢、 物质代谢、能量代谢、物质代谢、能量代谢、l生物能学：生物能学： G G 、G G00l电子传递链：类型、成员、产能电子传递链：类型、成员、产能l氧化磷酸化：概念、机理氧化磷酸化：概念、机理