第六章新陳代謝總論與生物氧化

1、第第 六六 章章新陳代謝總論和生物氧化新陳代謝總論和生物氧化INTRODUCTION OF METABOLISM AND BIOLOGICAL OXIDATION第一節(jié)第一節(jié) 代謝總論代謝總論 一、新陳代謝的概念一、新陳代謝的概念 小分子小分子 大分子大分子合成代謝（同化作用）合成代謝（同化作用） 需要能量需要能量 釋放能量釋放能量分解代謝（異化作用）分解代謝（異化作用） 大分子大分子 小分子小分子新新陳陳代代謝謝能量代謝能量代謝物質代謝物質代謝 （二）新陳代謝的特點（二）新陳代謝的特點 1. 代謝過程一環(huán)扣一環(huán)，有條不紊。代謝過程一環(huán)扣一環(huán)，有條不紊。 2. 溫和條件下進行，有酶參加。溫和條

2、件下進行，有酶參加。 3. 具有靈敏的自動調節(jié)。具有靈敏的自動調節(jié)。 新陳代謝過程的幾個階段：新陳代謝過程的幾個階段： 食物的消化和吸收食物的消化和吸收 中間代謝中間代謝 廢物的排泄廢物的排泄第二節(jié)第二節(jié) 生物氧化生物氧化電子傳遞和氧化磷酸化電子傳遞和氧化磷酸化生物氧化（生物氧化（biological oxidation）：）：又稱組織呼吸或細胞呼吸。又稱組織呼吸或細胞呼吸。 體外燃燒（氧化）體外燃燒（氧化） 生物氧化生物氧化相同點：相同點：加氧、脫氫、失電子，放能和終產物相同加氧、脫氫、失電子，放能和終產物相同不同點：不同點：（方式）（方式）高溫、高壓、高溫、高壓、干燥環(huán)境干燥環(huán)境體溫、體溫

3、、pH中性中性有酶催化有酶催化驟然放能，以驟然放能，以熱、光形式一熱、光形式一次釋放次釋放逐步放能，逐步放能，部分以部分以ATP貯存貯存 生物氧化部位：線粒體內膜（細菌在質膜上）生物氧化部位：線粒體內膜（細菌在質膜上） （1）生物氧化的特點）生物氧化的特點（2）生物氧化中）生物氧化中CO2的生成的生成 有機物轉變成含有機物轉變成含羧基羧基的中間化合物，然后的中間化合物，然后在酶催化下在酶催化下脫羧脫羧而生成而生成CO2。 第三節(jié)第三節(jié) 線粒體的結構和功能線粒體的結構和功能 兩層膜：兩層膜： 外膜外膜 平滑有彈性，通透性強。平滑有彈性，通透性強。 內膜內膜 有嵴，內膜包圍基質，分布各電子傳有嵴，

4、內膜包圍基質，分布各電子傳遞蛋白。遞蛋白。鼠肝線粒體長鼠肝線粒體長2m，寬，寬1 m。第四節(jié)第四節(jié) 電子傳遞鏈電子傳遞鏈 電子傳遞鏈（電子傳遞鏈（electron transport chain）又稱又稱呼吸鏈呼吸鏈（respiratory chain)。 定義：定義： Electron Transport Chain is a series of complexes consisting of electron carriers located in the inner mitochondrial membrane in Eukaryotic cells. 真核生物：位于線粒體內膜上真核生物

5、：位于線粒體內膜上 原核生物：位于細胞膜上。原核生物：位于細胞膜上。 一、電子傳遞鏈及組成一、電子傳遞鏈及組成 各傳遞體按一定順序排列在線粒體內各傳遞體按一定順序排列在線粒體內膜上。膜上。 包括：遞氫體、遞電子體包括：遞氫體、遞電子體 兩者都起傳遞電子的作用：兩者都起傳遞電子的作用： 2H 2H+ + 2e （一）煙酰胺脫氫酶類（一）煙酰胺脫氫酶類 200多種，輔酶：多種，輔酶：NAD+或或NADP+ 催化反應：催化反應： MH2 + NAD(P)+ M + NAD(P)H + H+ 轉氫酶轉氫酶可將可將NADPH上的氫轉到上的氫轉到NAD+上：上： NADPH + NAD+ NADP+ +

6、NADH （二）黃素脫氫酶類（二）黃素脫氫酶類 以以FMN或或FAD為輔基，一種黃素蛋白為輔基，一種黃素蛋白（flavoprotein）。催化反應：）。催化反應： MH2 + E-FMN M + E-FMNH2 常見的有：常見的有： NADH脫氫酶（脫氫酶（FMN） 琥珀酸脫氫酶（琥珀酸脫氫酶（FAD） 脂酰脂酰CoA脫氫酶（脫氫酶（FAD） 一種傳遞電子的蛋白質。含有一種傳遞電子的蛋白質。含有非血紅素非血紅素鐵原子和硫原子鐵原子和硫原子， 兩者等量，組成兩者等量，組成鐵硫鐵硫中心中心。 （三）鐵硫蛋白類（三）鐵硫蛋白類（iron-sulfur protein, Fe-S) 主要以主要以 2F

7、e-2S 或或4Fe-4S 形式存在。形式存在。Fe-S與蛋白中與蛋白中Cys共價相連。共價相連。作用：通過作用：通過Fe3+ Fe2+ 傳遞電子。傳遞電子。 （四）輔酶（四）輔酶Q（CoQ）類）類 又叫泛醌（又叫泛醌（ubiquinone），脂溶性的含有），脂溶性的含有異戊二烯異戊二烯側鏈的醌類化合物：側鏈的醌類化合物：OOCH3OCH3OCH3(CH2CH C CH2)nHCH3n=6-10 CoQ的作用：遞氫體的作用：遞氫體 CoQ CoQH2+2H- 2H （五）細胞色素類（五）細胞色素類（cytochromes） 一類含鐵卟啉輔基（血紅素）的蛋白質，一類含鐵卟啉輔基（血紅素）的蛋白質

8、，主要是把電子從主要是把電子從CoQ傳至分子氧。傳至分子氧。 1. 細胞色素分類細胞色素分類 線粒體至少含有線粒體至少含有5種細胞色素：種細胞色素： b 、c、c1、 a 、a3 b-heme Also found in Hemoglobin & myoglobinC-hemea-hemeBound to cytochromestightly but noncovalentlyBound to cytochromes tightly and covalently. 對于對于b、c1 、c、a ： Fe形成形成6個配位鍵：個配位鍵：4個與卟啉環(huán)，個與卟啉環(huán)，2個分別個分別與蛋白中的與蛋白

9、中的His和和Met配對。配對。 對于對于a3： Fe形成形成5個配位鍵（不與個配位鍵（不與Met形成），空的形成），空的1個與個與O2配位。配位。 2. 細胞色素的排序細胞色素的排序 bc1caa3O2 3. 遞電子體，以鐵化合價變化傳遞電子。遞電子體，以鐵化合價變化傳遞電子。2Fe3+ + 2e 2Fe2+ a 、a3 組成組成aa3復合體，除含鐵卟啉外，還復合體，除含鐵卟啉外，還含含2個銅離子。個銅離子。 a3 直接被氧氧化，所以直接被氧氧化，所以aa3又稱細胞色素又稱細胞色素c氧化酶。氧化酶。 c 為水溶性、膜外周蛋白，易提取分離。為水溶性、膜外周蛋白，易提取分離。 二、電子傳遞順序及

10、呼吸鏈的組織結構二、電子傳遞順序及呼吸鏈的組織結構 （一）電子傳遞順序（一）電子傳遞順序 氧化氧化-還原反應還原反應 電子從一種物質（還原劑）轉移到另一種物電子從一種物質（還原劑）轉移到另一種物質（氧化劑）的化學反應質（氧化劑）的化學反應 。 氧化氧化-還原電勢還原電勢 還原劑失去電子的傾向或氧化劑獲得電子的還原劑失去電子的傾向或氧化劑獲得電子的傾向。傾向。生物體中某些重要的氧化生物體中某些重要的氧化-還原電勢還原電勢NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.1 b+0.07 c10.22 c0.25aa30.29O20.82FMNH2-0.18E0： 低低高高電子遷移方向：電子遷移方向：

11、 NADHO2 呼吸鏈各傳遞體排列次序呼吸鏈各傳遞體排列次序 呼吸鏈的種類呼吸鏈的種類 分為兩種：分為兩種： NADH呼吸鏈：呼吸鏈： MH2NAD+FMN CoQ b c1 c aa3 O2 FADH2呼吸鏈呼吸鏈： MH2FAD CoQ b c1 c aa3 O2 FADH2 FeS FeS NADHFMNFeSCoQCytbFeSCytcFMNFeSCoQCytbFeSCytc1 1CytcCytaaCytcCytaa3 3OO2 2NADH呼吸鏈呼吸鏈FADH2呼吸鏈呼吸鏈NADH呼吸鏈和呼吸鏈和FADH2呼吸鏈呼吸鏈NADH呼吸鏈電子傳遞和水的生成呼吸鏈電子傳遞和水的生成H2O12O

12、2O2-MH2還原型代還原型代 謝底物謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+ 細胞色素細胞色素b- c- c1 -aa3 Fe S2H+M氧化型代氧化型代 謝底物謝底物FADH2呼吸鏈電子傳遞和水的生成呼吸鏈電子傳遞和水的生成2eH2OFADFADH2琥珀酸琥珀酸 Fe S2Fe2+2Fe3+ 細胞色素細胞色素b- c1 - c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+延胡索酸延胡索酸2e （二）呼吸鏈的組織結構（二）呼吸鏈的組織結構 線粒體分離到的線粒體分離到的4個復合體：個復合體： 膜間隙（外）膜間隙（外）基質（內）基質（內）琥珀酸琥珀酸延胡延胡

13、索酸索酸NADH FMN Q Cytb Cytc1 Cytc aa3 (Fe-S) (Fe-S) O2FAD.H2 (Fe-S) Q 和和c聯系各復合體。聯系各復合體。 complexcomplexcomplex complex 1. 復合體復合體（complex ） NADH-Q還原酶或還原酶或NADH脫氫酶，脫氫酶，34條肽鏈，條肽鏈，第一個質子泵（第一個質子泵（proton pump）。）。 輔基：輔基：FMN和和Fe-S 輔酶：輔酶：CoQ 功能：將功能：將NADH上的上的2個個H傳遞給輔酶傳遞給輔酶Q.NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2Co

14、Q2H+2H+NADH-Q還原酶還原酶泵到線粒體內膜外側泵到線粒體內膜外側本步反應可生成本步反應可生成1分子的分子的ATP。Fe-S復合物復合物I I基質（負）基質（負）膜間隙（正）膜間隙（正）基質基質臂臂 2. 復合體復合體（complex ） 又稱琥珀酸又稱琥珀酸 - Q 還原酶，包括琥珀酸脫氫酶。還原酶，包括琥珀酸脫氫酶。含有含有FAD和鐵硫蛋白。和鐵硫蛋白。膜間隙膜間隙（正）（正）基基質質(負負)琥珀琥珀酸酸延胡索延胡索酸酸復合物復合物復合物復合物 延胡索酸延胡索酸琥珀酸琥珀酸FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ 本步反應無本步反應無ATP的生成。的生成。

15、 作用：催化電子從琥珀酸到輔酶作用：催化電子從琥珀酸到輔酶Q。 3. 復合體復合體 （complex ） 又稱細胞色素還原酶、又稱細胞色素還原酶、CoQ-c還原酶、還原酶、bc1復復合體。合體?；钚圆糠郑夯钚圆糠郑?包括包括 b、c1和和2Fe-2S 作用：將電子從作用：將電子從QH2轉移到轉移到c： QH2 cyt.b Fe-S cyt.c1 cyt.c 4H+Cyt c1鐵硫蛋白鐵硫蛋白Cyt c膜間隙膜間隙(正正)基質基質(負負)復合物復合物III 4. 復合體復合體 （complex ） 又稱細胞色素又稱細胞色素 c 氧化酶（氧化酶（cytochrome c oxidase），），也叫

16、末端氧化酶也叫末端氧化酶 活性部分：包括活性部分：包括 a和和a3 除含鐵卟啉外，還含除含鐵卟啉外，還含2個個Cu。Cyt a a3可直可直接以接以O2為電子受體。為電子受體。 ABC膜間隙（正）膜間隙（正）基質基質（負）（負）1(泵出泵出)(底物底物)4H+4H+復合物復合物A transmembrane HA transmembrane H+ + gradient is generated using gradient is generated using energy released from the electron transferring: energy released fro

17、m the electron transferring: the electron motive force is converted to an the electron motive force is converted to an proton motive ton motive force. 10 and 10 and 6 protons are pumped per NADH and per protons are pumped per NADH and per FADHFADH2 2 oxidized via the respiratory chain.oxidi

18、zed via the respiratory chain. 三、電子傳遞的抑制劑三、電子傳遞的抑制劑 概念：概念： 阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質。阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質。 幾種常見抑制劑的阻斷部位：幾種常見抑制劑的阻斷部位： NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸琥珀酸復合物復合物 II復合物復合物 IV復合物復合物 I復合物復合物 III魚藤酮魚藤酮安密妥安密妥抗霉素抗霉素A氰化物氰化物CO抗霉素抗霉素 A的的抑制部位抑制部位 NAD FP Q b c aa3NAD FP Q b c aa3呼吸鏈的比擬圖

19、解呼吸鏈的比擬圖解電子傳遞抑制劑電子傳遞抑制劑第四節(jié)第四節(jié) 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 伴隨著釋放出自由能的氧化作用而進行的磷伴隨著釋放出自由能的氧化作用而進行的磷酸化作用（酸化作用（ADP + Pi ATP），叫做氧化磷酸），叫做氧化磷酸化化（oxidative phosphorylation）。）。 一、幾個問題一、幾個問題 （1）底物水平磷酸化）底物水平磷酸化 底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸底物被氧化的過程中，形成了某些高能磷酸化合物的中間產物，通過酶的作用可使化合物的中間產物，通過酶的作用可使ADP生生成成ATP。 X P + ADP ATP + X 磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸

20、激酶HOHOOCCHCH2OPOOHOH 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ADPATPOHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 (1,3-DPG)PO 3 2-EMP中的第一次底物水平磷酸化中的第一次底物水平磷酸化-O （2）電子傳遞體系的磷酸化）電子傳遞體系的磷酸化 電子傳遞所釋放的能量，在電子傳遞所釋放的能量，在ATP合酶合酶的催化的催化下，使下，使ADP磷酸化成磷酸化成ATP的過程。的過程。 1ATPADP+PiATPADP+Pi實驗證明：實驗證明： 從從NADH到到O2的電子傳遞有的電子傳遞有3個偶聯部位生成個偶聯部位生成ATP 從從FADH2到到O2的電子傳遞有的

21、電子傳遞有2個偶聯部位生成個偶聯部位生成ATP（3）電子傳遞和磷酸化的偶聯部位）電子傳遞和磷酸化的偶聯部位 琥珀酸琥珀酸 FpNADH Fp CoQ Cyt b c1 c aa3 O2ATPADP+Pi （4） P/O比值比值 指物質氧化時，每消耗指物質氧化時，每消耗1mol 氧原子所消氧原子所消耗的無機磷的耗的無機磷的 mol 數（或數（或ADPmol數），數），即生成即生成ATP的的mol數。數。 實驗證明：實驗證明： NADH呼吸鏈：呼吸鏈：P/O 3 FADH2呼吸鏈：呼吸鏈：P/O 2 （5） 電化學公式電化學公式 Go= - n F Eo 這里：這里： Go單位：單位：kJ/mol

22、 n 為電子轉移的數量，一般為電子轉移的數量，一般 n=2 ； F 為為Farady常數，為常數，為96.49 kJ/V （23.062 kcal/V） Eo為兩傳遞體的電位差，單位：為兩傳遞體的電位差，單位：V下列傳遞體傳遞時，其下列傳遞體傳遞時，其 Go變化是：變化是： NADHCoQ Eo= 0.36V Go= -69.5kJ/mol CoQ Cytc Eo= 0.21V Go= -40.5kJ/mol Cytaa3 氧氧 Eo= 0.53V Go = -102.3kJ/molNADH FMN CoQ Cytb Cytc aa3 O2 (Fe-S)FADH2 (Fe-S)123 Go=

23、- 69.5 Go= - 40.5 Go= - 102.3 Go= 2草酰乙酸草酰乙酸琥珀酸琥珀酸延胡索酸延胡索酸 二、氧化磷酸化偶聯機制二、氧化磷酸化偶聯機制 主要有三個學說：主要有三個學說： （1）化學耦聯學說（）化學耦聯學說（chemical coupling hypothesis） （2）構象偶聯假說（）構象偶聯假說（conformation coupling hypothesis） （3）化學滲透假說）化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) （一）化學滲透假說（一）化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 1961年英國生化學家年英國生化

24、學家Peter.Mitchell提出。提出。The Nobel in Chemistry 1978For his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory.P.D.Mitchell內膜內膜F0F1 ATP酶酶e e- -ADP+Pi底物底物H H+ +ATPH H+ +H H+ +H H+ +基質基質膜間隙膜間隙電子傳遞鏈電子傳遞鏈 電子傳遞的自由能電子傳遞的自由能驅動驅動H+從線粒體基從線粒體基質跨過內膜進

25、入到膜質跨過內膜進入到膜間隙，從而形成間隙，從而形成H+跨線粒體內膜的電化跨線粒體內膜的電化學梯度，這個梯度的學梯度，這個梯度的電化學勢電化學勢( H+ )驅驅動動ATP的合成。的合成?；瘜W滲透假說原理示意圖化學滲透假說原理示意圖4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+3H+3H+ ADP+PiATP高高質質子子濃濃度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _質子流質子流線粒體內膜線粒體內膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 其基本要點是：其基本要點是： 電子傳遞體有電子傳遞體有H+泵的作用。泵的作用。 內膜對內膜對H+不通透不通透 形成形成H+跨膜梯度，包

26、含了電子傳遞過程跨膜梯度，包含了電子傳遞過程中所釋放的能量，可在中所釋放的能量，可在ATP合酶的驅使下使合酶的驅使下使ADP和和Pi生成生成ATP。線粒體電子傳遞和線粒體電子傳遞和H+排出的數目和途徑排出的數目和途徑H H2 2O O2 2H H+ +CytcCytcCytcCytcCytcCytcQ QFMNFMNFeSFeSFeSFeSCytcCytc1 1CytbCytbK KCytbCytbr rCytaCytaFeSFeSCytaCyta3 32 2e e- -2 2e e- -NADH+HNADH+H+ +NADNAD+ +O O2 2 +2H+2H+ + H H2 2O O4 4H H+ +4 4H H+ +2 2H H