第四章新陈代谢与生物氧化

————动态部分第四章新陈代谢与生物氧化第一节新陈代谢一、新陈代谢的概念二、新陈代谢的研究方法三、生物体内能量代谢的基本规律四、高能化合物与ATP的作用1、合成与分解的关系①合成为分解准备了物质前提，外部物质转化为内部物质②分解为合成提供了必需的能量内部物质转化为外部物质一般泛指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。生物小分子合成生物大分子合成代谢（同化）耗能新陈代谢能量代谢产能分解代谢（异化）生物大分子分解为生物小分子物质代谢一、新陈代谢的概念①生物体通过新陈代谢获得能量②通过新陈代谢建造和修复生物体③通过新陈代谢完成遗传信息的贮存、传递和表达的过程。2、生物体新陈代谢的作用①不同生物的代谢大同小异•大同各类生物的物质的代谢途径十分相似小异也有偏向低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好氧代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。为什么具有许多相同之处呢？共同的祖先！3、新陈代谢的特点②反应步骤繁多，具有严格的顺序性；③与环境相适应，自动调节；在整体水平进行调节在细胞水平进行调节通过酶活性调节来进行调节。①营养物质的摄取与吸收利用光能的生物（植物、微生物）食草动物食腐动物（微生物）食肉动物（轮回）4、新陈代谢的过程一般指物质在细胞中的合成和分解过程将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结构物质或功能物质）分解为机体所需的结构元件或分解供能；将结构元件装配成大分子（结构物质、功能物质）；在物质代谢的同时进行能量代谢③排泄②中间代谢主要涉及目前已经清楚的细胞内四大物质的合成与分解。代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢的研究内容也即分为两个方面：参与的酶物质的变化过程通过巧妙的实验设计、严密的逻辑推断与重复性的验证。二、代谢的研究方法1.活体内(invivo)与活体外(invitro)实验法2.同位素示踪法3.代谢途径阻断法4.遗传缺欠症方法5.气体测量法6.核磁共振波谱法（NMR）1、活体内与活体外实验纯化合物排泄物的化学分析典型案例脂肪酸的β氧化整体方法（invivo)Knoop的标记化合物实验脂肪酸的β氧化脂肪酸末端甲基接上苯基偶数碳FA苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）奇数碳FA苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）各类组织细胞各种破碎方法碎片置于试管中向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。离体法(invitro)利用含放射性同位素的物质，测试其在不同物质间的转移OCH2OPOOOA~~POOOP32OOOαβγβ高能化合物ATP2、同位素示踪法CH3C14OOH呼出C14O2粪便含C14例：稳定性同位素：指原子量不同，不进行衰变，无射线辐射的同位素。放射性同位素：指原子量不同，有射线辐射的同位素。利用抗代谢药或酶的抑制剂代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累碘乙酸——3-磷酸甘油醛脱氢酶氟化钠——烯醇化酶利用遗传缺陷症研究代谢途径3.代谢途径阻断法三、生物体内能量代谢的基本规律热力学第一定律是能量守恒定律，热力学第二定律指出，热的传导自高温流向低温。机体内的化学反应朝着达到其平衡点的方向进行。ΔG=ΔH-TΔS（ΔH是总热量的变化，ΔS是总熵的改变，T是体系的绝对温度）。1.服从热力学原理。2.吉布斯自由能GΔG＜0，反应可以自发进行。ΔG＞0，反应不能自发进行，吸收能量才推动反应进行。ΔG＝0，体系处在平衡状态。标准自由能变化用ΔG。‘表示（25℃，1个大气压，pH为7，反应物和产物浓度为1mol/L时所测得，单位是kJ/mol）。（R为气体常数，lnK为平衡常数的自然对数。K＞1，ΔG。＇为负值，反应趋于生成物的方向进行；K＜1，ΔG。＇为正值。）3．ΔG。＇和化学平衡的关系A+BC+D'[][]ln[][]CDGGRTAB。'[][]ln[][]CDGRTAB。[][]ln[][]CDKAB'lnGRTK。e-脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoA磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物体内能量产生的三个阶段高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型：胍基磷酸化合物硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物一般将水解时能够释放21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G′-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。四、高能化合物与ATP的作用O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)ATP的特殊作用ATP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ΔG0′=-30.51kJ／mo1；当ADP＋Pi→ATP时，也需吸收30.51kJ／mol的自由能磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）是能量的贮存形式能量源自:能源物质的分解（糖、脂、偶尔是蛋白质）分解代谢氧化产能ADP机械能（运动）化学能（合成反应）渗透能（分泌、吸收）电能（生物电）热能（体温维持）光能（生物发光）UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP第二节生物氧化一、生物氧化的概念、特点和部位二、生物氧化的酶类和体系三、生物氧化中CO2的生成四、生物氧化中水的生成五、氧化磷酸化作用1.概念：有机物质在生物体细胞内氧化分解产生二氧化碳、水，并释放出大量能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation）。又称细胞呼吸或组织呼吸。一、生物氧化的概念、特点和部位2.特点：生物氧化和有机物质体外燃烧在化学本质上是相同的，遵循氧化还原反应的一般规律，所耗的氧量、最终产物和释放的能量均相同。①酶促氧化过程、反应条件温和②氧化与还原相偶联③质子和电子由载体传递到氧生成水④分步进行：有利于提高能量利用率⑤氧化磷酸化3.部位：在真核生物细胞内，生物氧化都是在线粒体内进行，原核生物则在细胞膜上进行。二、生物氧化的酶类和体系1.酶类：重要的为氧化酶和脱氢酶两类，脱氢酶尤为重要。2.体系：有不需传递体和需传递体的两种体系。①不需传递体其特点:不伴磷酸化，不生成ATP，主要与体内代谢物、药物和毒物生物转化有关。②需传递体的最典型的是呼吸链。生物氧化中CO2的生成是代谢中有机酸的脱羧反应所致。三、生物氧化中CO2的生成直接脱羧氧化脱羧按脱羧基的位置α-脱羧β-脱羧请判断以下脱羧反应的类型四、生物氧化中水的生成脱氢酶氧化酶还原型氧化型一个或多个传递体M.2HMH2O1/2O2（一）呼吸链的概念和类型1.定义：代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后与激活的氧结合生成水的全部体系，此过程与细胞呼吸有关，所以将此传递链称为呼吸链（respiratorychain）或电子传递链（electrontransferchain）。线粒体呼吸链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2、呼吸链种类NADH2呼吸链FADH2呼吸链（二）呼吸链的组成组成呼吸链的成分已发现20余种，分为5大类。分别为：烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、辅酶Q类、细胞色素类。低能水平高氧化还原势高能水平低氧化还原势Cyt.bCyt.c1Cyt.cCyt.aCyt.a32H+FAD辅酶Q辅酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+1/2O2H2OATPATP典型的呼吸链电子的传递方向是：NADH2→O2电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。1．辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。2、黄素酶黄素酶的种类很多，辅基有2种，即FMN和FAD。FAD是琥珀酸脱氢酶的辅基，都是以核黄素为中心构成的，其异咯嗪环上的第1位及第5位两个氮原子能可逆地进行加氢和脱氢反应，为递氢体。FMNH2或FADH2可进一步将电子转移给辅酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R51NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2H铁硫蛋白(Fe-S)分子中含非卟啉Fe与对酸不稳定的S，其作用是借铁的变价互变进行电子传递:Fe3++eFe2+因铁硫蛋白的活性部分：含有2个活泼的硫和2个铁原子，故称铁硫中心。3、铁硫蛋白（简写为Fe-S）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[FeS]只含1个铁原子[2Fe–2S][4Fe–4S]•它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-104、辅酶-Q（CoQ）5、细胞色素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它们的辅基结构略有不同:血红素A－Cyta，a3血红素B－Cytb，血红蛋白，肌红蛋白血红素C－Cytc1，c血红素A血红素C血红素B细胞色素在电子传递链中的顺序b－－c1－－c－－a－－a3O2Fe-S2Cua.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；确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：b.利用电子传递抑制剂确定其顺序；c.通过电子传递体体外重组实验加以验证；d.根据从线粒体中分离到的传递体复合体排序(4种)。(三）呼吸链中传递体的顺序从NADH到分子氧每一电子传递体得电子的倾向逐渐增大电子传递抑制剂:能阻断呼吸链中某部位电子传递物。各组分Eº′：低高电子迁移方向：低电位高电位∆Gº′：逐步降低放能MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO,叠氮化合物呼吸链中各传递体顺序低能水平高氧化还原势高能水平低氧化还原势Cyt.bCyt.c1Cyt.cCyt.aCyt.a32H+FAD辅酶Q辅酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+1/2O2H2OATPATP电子的传递方向是：NADH2→O2电子传递伴随ADP磷酸化成ATP全过程，故又称为氧化呼吸链。•在生物氧化过程中，氧化放能反应常常有吸能的磷酸化反应偶联发生。偶联反应将氧化释放的一部分自由能用于无机磷参加的高能磷酸键生成反应。这种氧化放能反应与磷酸化吸能反应的偶联，称为氧化磷酸化作用。根据生物氧化方式，可将氧化磷酸化分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化。五、氧化磷酸化作用——伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP（一）ATP的生成氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化1.底物水平磷酸化－－底物被氧化时伴随着分子内部能量的重新分布,形成了某些高能磷酸化合物的中间产物,通过酶的作用使磷酸基团转移到ADP上形成ATP的作用。X~+ADP→ATP+XP●是捕获能量的一种方式;●和氧的存在与否无关。特点:底物水平磷酸化反应举例COO-C-O~PCH2磷酸烯醇式丙酮酸COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADPATP2.电子传递体系磷酸化当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADP