生化-第五章代谢总论与生物氧化

第五章新陈代谢总论与生物氧化第一节新陈代谢总论第二节生物氧化第一节新陈代谢总论一、新陈代谢的概念新陈代谢合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物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。二、新陈代谢的研究方法1.活体内(invivo)与活体外实验(invitro)2.同位素示踪法3.代谢途径阻断法4.遗传缺欠症及动物模型等方法三、生物体内能量代谢的基本规律自由能：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。ΔG=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]四、高能化合物与ATP的作用高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型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在生物体内水解某物质1mol时，能释放超过21kJ/mol（5kCal/mol)以上自由能（G′-21kJ/mol）的化合物称为高能化合物。生物体内只有这些物质才能直接将能量传递给ATP（1）烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物：-61.9kJ/mol(2)酰基磷酸化合物（例）-42.3kJ/mol（3）焦磷酸化合物（例）ATP（三磷酸腺苷）-30.5kJ/mol焦磷酸-28.84kJ/mol磷氮型高能磷酸化合物：-43.1kJ/mol(1)硫酯键型高能化合物（例）非磷酸高能化合物：乙酰辅酶A–31.4kJ/mol(2)甲硫型高能化合物（例）–41.8kJ/molONNNNNH2-HH-OHHO-O-P~O-OOO-P~O-P-O-CH2-O-OOHATP的特殊作用作用：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）是能量的贮存形式肌酸磷酸激酶第二节生物氧化——有机物质在细胞内的氧化作用。又称组织呼吸或细胞呼吸。★在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和H2O，并释放出能量形成ATP。一、生物氧化的特点（一）氧化还原的本质——电子转移电子转移的主要形式：1.直接的电子转移Fe2++Cu2+↔Fe3++Cu+1.在细胞内，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.分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。2.氢原子的转移AH2+B↔A+BH2(H↔H++e)3.有机还原剂直接加氧RH+O2+2H++2e↔ROH+H2O（二）生物氧化的特点(1)直接脱羧(2)氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）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。在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。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。HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+H+O苹果酸CH3CCOOH+CO2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,aa32e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶1、概念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，称呼吸链(respiratorychain)。此体系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。（一）呼吸链ATP合成酶膜间隙琥珀酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜2、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。实际上，生物体中能量获得的本质正是氢的氧化。3、呼吸链的组成（1）烟（尼克）酰胺脱氢酶类－－以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，已知的有200多种该类酶均为不需氧脱氢酶，即不以氧为直接受氢体。在这类酶的作用下，代谢物脱下的氢被其辅酶接受而转变为NADH或NADPH；当有受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。还原氧化（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。NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2H(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，其作用是借铁的化合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，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]（4）辅酶Q类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，又名泛醌，简写为CoQ或Q。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10CoQ分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，故属于递氢体。但它不能从底物接受氢，而是一种中间传递体。Q(氧化型)半醌式中间体QH•QH2还原型CoQ也是呼吸链中唯一一个和蛋白质结合不紧的传递体（辅酶），这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。各种细胞色素的辅基结构略有不同。aa3、b、c1中卟啉Fe与蛋白质非共价结合，c的辅基与蛋白质以硫醚键共价结合。典型的线粒体呼吸链中，细胞色素的顺序是：b→c1→c→aa3→O2。Cyta和a3组成一个复合体，二者无法分开，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cytaa3可以直接以O2为电子受体，所以aa3又称细胞色素c氧化酶。a与a3之间的两个铜离子，起电子传递作用：发生Cu+Cu2+的互变，将Cytc所携带的电子传递给O2。b、c1、c、a－－卟啉Fe与环及蛋白形成6个配位键：4个与Fe，1个与His，1个与蛋白链中Met形成。a3－－卟啉Fe与环及蛋白形成5个配位键（不与Met形成）,空一个配位键与O2，CO，CN等结合，其正常功能是与O2结合。血红素A血红素C血红素B细胞色素的附基NADH呼吸链顺序：NADH-FMN-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2FADH2呼吸链顺序：FADH2-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O2或琥珀酸-FAD-CoQ-Cytb-c1-c-aa3-1/2O24.呼吸链中传递体的顺序FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.18鱼藤酮安密妥抑制剂：抗霉素A氰化物，CO,叠氮化合物a.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；b.利用电子传递抑制剂确定其顺序；（1）确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据：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d.根据从线粒体中分离到的传递体复合物(4种)。c.通过电子传递体体外重组实验加以验证；1）NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，其作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADH+Q+H+NAD++QH2NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。NADHQ还原酶是线粒体内膜上最大的一个蛋白质复合物。最少含有34条多肽链，分别由核和线粒体两个基因组编码。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫中心。FMN的作用是接受脱氢酶脱下的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可通过铁硫中心进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶Fe-S复合物I基质（负）膜间隙（正）基质臂FADMH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816-0.182）琥珀酸-Q还原酶（琥珀酸脱氢酶）琥珀酸是生物代谢过程（三羧酸循环）中产生的中间产物，它在琥珀酸-Q还原酶（复合物II）催化下，将两个高能电子传递给Q。再通过QH2-Cytc还原酶、Cytc和Cytc氧化酶将电子传递到O2。琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上的蛋白复合物,比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶的作用是催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。CoQH2复合物Ⅱ复合物Ⅲ2e膜间隙（正）基质(负)琥珀酸延胡索酸复合物Ⅱ复合物Ⅲ2H+3）泛醌细胞色素c还原酶简写为QH2-Cytc还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（Cytc）的还原。QH2-Cytc还原酶QH2+2Cytc(Fe3+)Q+2Cytc(Fe2+)+2H+QH2-Cytc还原酶由9个多肽亚基组成，活性部分主要包括细胞色素b和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。Cytb4H+Cytc1瑞斯克铁硫蛋白Cytc膜间隙(正)基质(负)复合物IIIbL(562),bH(566)MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.8164）细胞色素c氧化酶简写为Cytc氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括Cyta和a3，两者组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。Cytaa3可以直接以O2为电子受体。Fe2++Cu2+Cu++Fe3+2Cu++1/2O22Cu2++O2-在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变，将Cytc所携带的电子传递给O2。复合物Ⅳ+2H+CytcABC膜间隙（正）基质（负）1(泵出)(底物)4H+4H+复合物Ⅳ膜间隙（外）基质（内）琥珀酸延胡索酸MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2组成：Fo亚基+F1亚基Fo：寡霉素敏感蛋白（oscp），镶嵌在线粒体内膜中的质子通道F1：（33）催化生成ATPATP合成酶基质侧膜间隙侧四、氧化磷酸化(Oxi