生物化学 代谢总论与生物氧化

第七章新陈代谢总论与生物氧化一新陈代谢总论一、新陈代谢总论（一）新陈代谢的概念：(metabolism)生命的基本特征包括生物体内所发生的一切化学变化（合成和分解作用）新陈代谢的功能1）从周围环境中获得营养物质。2）将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件（buildingblocks）。3）将结构单元装配成自身的大分子。4）形成或分解生物体功能所需的生物分子。5）提供生命活动所需的一切能量。分解代谢与合成代谢生物小分子合成大分子•合成代谢•需要能量新陈代谢•释放能量•分解代谢•生物大分子分解成小分子能量代谢•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。1.活体内与活体外实验活体内实验--活体研究：“invivo”：以生物整体、整体器官或微生物细胞群为对象进行的代谢研究称为活体研究（又称体内研究）。如1904年德国化学家Knoop提出脂肪酸的β氧化学说。活体外实验离体研究：“invitro”：以组织切片、匀浆或组织提取液等为对象进行的代谢研究称为离体研究（又称体外研究）。如糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化（二）新陈代谢的研究方法2.同位素示踪法--稳定性同位素及放射性同位素用35S、32P、14C、3H标记代谢物后，跟踪代谢物在某一生物体的去向，了解该代谢物在该生物体内的代谢情况，属活体研究。如将14C标在乙酸的羧基上，喂养动物，呼出的CO2中发现14C，说明乙酸的羧基转变成CO2。3.酶的抑制剂和拮抗物的应用--代谢途径阻断法属体外研究，了解某一反应被抑制之后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化。（三）生物体内能量代谢的基本规律1.能量代谢伴随着物质代谢2.生物体是一个开放体系，生物体内的能量代谢服从热力学定律2.1热力学第一定律2.2热力学第二定律①熵:是指混乱或无序性，是一种无用的能。②自由能和标准自由能自由能（G）：生物体恒温恒压下用以做功的能。标准自由能（G0）：指在1mol/L、1个btmk（101.325Pa），25℃（298K），pH=7的条件下，反应的自由能。③生物体内化学反应的自由能变化自由能变化（△G）=总热能变化△H（焓）－T△S（总体熵的改变）④能量学在生物化学应用中的某些规定Ⅰ、反应自由能变化与物质浓度的关系反应：A＋BC＋D则△G=△G0＋RTln[C][D]/[A][B]根据自由能变化（△G）判断反应的方向与趋势当△G﹤0时，表示反应有自由能释放，放能反应，能自发进行。当△G﹥0时，表示反应无自由能释放，吸能反应，反应不能自发进行。当△G=0时，表示反应无自由能变化，反应处于平衡状态。Ⅱ、标准自由能变化与平衡常数的关系当反应处于平衡状态时，△G=0，K=[C][D]/[A][B]△G0=－RTlnK=－2.303RTlgKⅢ、一个反应系统的自由能只取决于产物与反应物的自由能之差，而与反应历程无关。●偶联化学反应ΔGo′变化的可加性•在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：A=B+CΔG°′=+20.92KJ/molB=DΔG°′=-33.47KJ/mol则A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是常见的。（四）高能化合物与ATP的作用•高能化合物：生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能的化合物称为高能化合物。•高能磷酸化合物：含有自由能特多的磷酸化合物水解时，可发出30-67kJ/moL,表示：～P或～P磷氧键型（—O-P)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-1,3-二磷酸甘油酸O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）ADP（二磷酸腺苷）磷氧键型（—O-P)OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧键型（—O-P)磷氮键型（如胍基磷酸化合物）OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2肌酸磷酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。RCOSCoA硫酯键型3-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸酰基辅酶ACOO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸甲硫键型高能化合物的类型最重要的高能化合物—ATPATP的特点在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•moL-1ADP3-+H2O＝AMP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ•moL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-=Mg2+ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的传递和利用都以ATP为中心。ATP在能量转运中地位和作用★ATP是细胞内的“能量通货”★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油二生物氧化有机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。二、生物氧化生物氧化中物质的氧化方式•脱氢•失电子•加氧（一）生物氧化与体外氧化的比较1、相同点(1)终产物都是CO2和H2O；(2)总能量变化相同；(3)耗氧量相同。(1)在细胞内温和的环境中发生的，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)水的生成方式是代谢物脱下的H与O结合产生的。2、不同点：(4)CO2的生成方式是有机酸脱羧产生的。（3）当有机物被氧化成CO2和H2O时，释放的能量怎样转化成ATP—能量如何产生？•底物水平磷酸化•氧化磷酸化生物氧化的内容（1）细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2—CO2如何形成？•脱羧反应（2）在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O—H2O如何形成？•电子传递链(1)直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）丙酮酸HOOCCH2CCOOH丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（β-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(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O苹果酸CH3CCOOH+CO2苹果酸酶（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。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。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Cytb,c1,c,a，a32e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶•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为呼吸链(respiratorychain)，也称电子传递体系或电子传递链(electrontransferchain)。•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，故常将这种形式的氧化过程称为呼吸链。1.呼吸链ATP合成酶•呼吸链发生的场所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。2.呼吸链的组成呼吸链由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。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。（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类－－以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢体。在烟(尼克)酰胺脱氢酶的作用下，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。辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。还原氧化4（2）黄素脱氢酶类－－以FMN或FAD为辅基的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。FMNH2或FADH2可进一步将电子转移给辅酶Q。还原型还原型氧化型生物体内存在形式１５４３２７６９８10（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，如：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]（4）辅酶Q类为一种脂溶性醌类化合物,又名泛醌,简写为CoQ或Q。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。Q(氧化型)半醌式中间体QH•QH2还原型它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体;是呼吸链中唯一的和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），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它们的辅基结构略有不同:•血红素A－Cyta，a3•血红素－Cytb，•血红素C－Cytc1，c血红素A血红素C血红素B典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b→c1→c→aa3→O2a和a3组成一个复合体，无法分开，除含铁卟啉外，还有铜原子。a与a3之间的2个铜离子，起电子传递作用：Cu+Cu2+的互变,将Cytc所携电子传递给O2。仅Cytaa3可直接以O2为电子受体，故aa3又称细胞色素c氧化酶。3.呼吸链中传递体的顺序a.测定各电子传递体标准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)。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.1b+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Eº′：低高电子迁移方向：低电位高电位∆Gº′：逐步降低放能NADHFMNQCytbCytc1Cytcaa3(Fe-S)(Fe-S)O2FADH2(Fe-S)电子传递链各组份的排列顺序