生物能學(xué)和生物氧化課件

第6章代謝總論及生物能6.1新陳代謝的概念及研究方法6.2高能磷酸化合物6.3生物氧化16.1新陳代謝的概念及研究方法一、新陳代謝概念、實質(zhì)及功能

(代謝Metabolism)

新陳代謝:營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化總稱為新陳代謝。包括：分解、合成、能量轉(zhuǎn)化等。實質(zhì)：錯綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)相互配合，彼此協(xié)調(diào)，對周圍轉(zhuǎn)環(huán)境高度適應(yīng)而成的一個有規(guī)律的總過程。2一、新陳代謝概念、實質(zhì)及功能代謝的功能：從環(huán)境中獲得營養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子形成或分解生物特殊功能所需的生物分子提供生命所需的一切能量3類型新陳代謝合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝生物小分子合成為生物大分子需要能量同一種物質(zhì)，分解代謝和合成代謝選擇不同的途徑，使代謝增加了靈活性和應(yīng)變能力。同一種物質(zhì)的兩種過程并非都是在細胞的相同部位進行。兩用代謝途徑。5二、新陳代謝的特點與調(diào)節(jié)6Ametabolicmap,ByD.E.Nicholson,UniversityofLeeds,U.K.72.新陳代謝的調(diào)節(jié)分子水平（反應(yīng)物、產(chǎn)物）細胞水平（反應(yīng)的定位,代謝途徑分隔控制）整體水平（激素和神經(jīng)調(diào)節(jié)，合理分工安排）基因表達的調(diào)控9三、新陳代謝的研究方法（一）體內(nèi)、體外研究方法1、體內(nèi)研究是指生物體在正常生理條件下，在神經(jīng)、體液等調(diào)節(jié)機制下研究代謝過程，比較接近生物體的實際情況。體內(nèi)試驗為物質(zhì)中間代謝過程的明確提供了重要的依據(jù)。例如，脂肪酸的β-氧化學(xué)說就是通過體內(nèi)試驗提出的。2、體外研究離體器官；組織切片；組織勻漿為細胞、細胞器、及細胞抽提物來研究。例如：TCA、鳥苷酸循環(huán)等。10（二）同位素示蹤法11通過研究與某個不正常的酶有關(guān)系的基因的突變也可以提供有價值的信息，某些突變是致死的，不能傳給下一代，而有些突變是后代容忍的。對這些突變的生物體的研究有助于鑒別出代謝途徑中的酶和中間代謝物。（四）利用基因突變研究代謝13（五）NMR法(NuclearMagneticResonance：核磁共振）146.2生物能及高能化合物（一）生物能概念：是一種能夠被生物細胞直接利用的特殊能量形式?；瘜W(xué)本質(zhì)：是存儲于ATP分子焦磷酸鍵中的化學(xué)能。一般將水解時能夠釋放20.9kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物稱為高能化合物。高能鍵：在分子中用“~”表示（二）高能化合物

15(1)磷氧鍵型（-O~P)?；姿峄衔顲－O～P－O-OOHC－OHCH2－O－P－O-O-O1,3－二磷酸甘油酸O-磷酸稀醇式化合物焦磷酸化合物磷酸稀醇式丙酮酸無機焦磷酸17(2)氮磷鍵型(-N~P)胍基磷酸化合物HN～P－O-OO-C＝NHN－CH3CH2－COO-磷酸肌酸HN～P－O-OO-C＝NHNH(CH2)3HC－NH3+COO-磷酸精氨酸18(3)硫酯鍵型(-C~S或-O~S)HOHCH2OHHHHNH2NHNNCHN9-O－S～O－P－OOOO-O-腺苷-5’-磷酰硫酸R－C～SCoAO酰基輔酶A19（1）ATPADP＋PiATP瞬時自由能供體，不是能量存儲形式。ATP、ADP和Pi在細胞內(nèi)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，ATP、ADP循環(huán)速率非?？?。21ATP的特殊作用ATP末端磷酸基團水解可以釋放能量，通過酶和其它生物化學(xué)反應(yīng)相偶聯(lián)，使多數(shù)不能自發(fā)進行的反應(yīng)得以順利進行。ATP與其它高能磷酸酯類化合物的相互轉(zhuǎn)換補充，成為細胞需能活動的自由能供體庫。幾乎所有的生物需能反應(yīng)都由ATP釋放能量來驅(qū)動。ATP在能量代謝過程中起著“共同中間體作用”，是能量的中轉(zhuǎn)站或偶聯(lián)者。能量代謝實質(zhì)：ATP的形成與裂解。22ATP與需能生化反應(yīng)的偶聯(lián)ATP水解釋放的能量，可推動一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，使之能夠順利進行。ATPADP+PiA+BC+D酶G>0

G<0G<023ATP的利用ATP在能量代謝中的偶聯(lián)作用25磷酸肌酸、磷酸精氨酸的貯能作用HN～P－O-OO-C＝NHN－CH3CH2－COO-磷酸肌酸HN～P－O-OO-C＝NHNH(CH2)3HC－NH3+COO-磷酸精氨酸26代謝中常見的有機反應(yīng)機制基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)親電子基團從一個親核體轉(zhuǎn)移到另一處親核體上，如?；?、磷酸基、葡糖基的轉(zhuǎn)移等。?；衔?X四面體中間產(chǎn)物?；衔?Y胰蛋白酶水解肽鍵就是一個典型例子29代謝中常見的有機反應(yīng)機制磷酰基轉(zhuǎn)移反應(yīng)在代謝中具有特殊意義：活化代謝中間物。30氧化-還原反應(yīng)即電子的得失反應(yīng)，在代謝中非常多，如NAD+形成NADH，F(xiàn)AD形成FADH2。電子受體電子供體代謝中常見的有機反應(yīng)機制電子受體電子供體31代謝中常見的有機反應(yīng)機制多數(shù)生物氧化中，化合物失去2個質(zhì)子和2個電子，這些反應(yīng)統(tǒng)稱為脫氫反應(yīng)，對應(yīng)的酶稱為脫氫酶。烷烴醇基醛基羧酸32代謝中常見的有機反應(yīng)機制消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng)消除反應(yīng)，如C=C的形成；異構(gòu)化反應(yīng)，如醛糖與酮糖的異構(gòu)反應(yīng)；分子重排反應(yīng)，如L-甲基丙二酰單酰輔酶A經(jīng)甲基丙二酰單酰輔酶A變位酶作用變成琥珀酰輔酶A。葡萄糖果糖33代謝中常見的有機反應(yīng)機制碳-碳鍵的形成或斷裂反應(yīng)

這類反應(yīng)主要有羥醛縮合反應(yīng)（糖代謝中）、克萊森酯縮合反應(yīng)（合成檸檬酸反應(yīng)）、-酮酸的氧化脫羧（異檸檬酸脫氫酶催化的脫羧）反應(yīng)。346.3生物氧化

---電子傳遞與氧化磷酸化一、生物氧化的概論二、生物氧化的方式三、生物氧化的產(chǎn)物351、生物氧化概念、類型概念：有機物質(zhì)（糖、脂肪、蛋白質(zhì)等）在生物體內(nèi)被氧化分解成CO2和水，并釋放出能量的過程。細胞氧化、呼吸作用、細胞呼吸、組織呼吸。一、生物氧化概論36三大物質(zhì)氧化分解的三個階段37有機營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)生物氧化分解的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，與體外氧化反應(yīng)一樣，但它有自身的特點：2、生物氧化的共性和特點特點：生物氧化是在活細胞內(nèi)、溫和的生理條件下進行的。生物氧化一般都是在一系列酶、輔酶和中間傳遞體的作用下逐步進行的。38能量主要在氫的氧化過程中逐步釋放，這樣不會因為氧化過程中能量驟然釋放而損害機體，同時使釋放的能量得到有效的利用。

生物氧化釋放的化學(xué)能可轉(zhuǎn)化成高能鍵形式的生物能，通常都先貯存在一些特殊的高能化合物如ATP中，供應(yīng)生化反應(yīng)、生理活動需要。生物氧化有嚴(yán)格的細胞定位。在真核生物細胞內(nèi)，生物氧化都在線粒體內(nèi)進行，在不含線粒體的原核生物細胞內(nèi)，生物氧化則在細胞膜上進行。2、生物氧化的共性和特點39二、生物氧化的方式1.失電子氧化反應(yīng)40

2.加氧氧化反應(yīng)苯丙氨酸酪氨酸413.脫氫氧化反應(yīng)4.加水脫氫氧化反應(yīng)42三、生物氧化的產(chǎn)物有機物+O2H2O+CO2+能量生物氧化43（一）二氧化碳的生成1．氧化脫羧丙酮酸氧化脫羧酶系NAD＋NADH＋H＋332丙酮酸輔酶A乙酰輔酶A2－COOH2＋CO2草酰琥珀酸脫羧酶草酰琥珀酸α－酮戊二酸22．非氧化脫羧44（二）生物氧化中水的生成遞氫體：FMN、FAD、NAD、NADP、輔酶Q；遞電子體：鐵硫蛋白、細胞色素。45二、生物氧化中水的生成脫氫酶氧化酶MH2M遞氫體遞氫體H2

NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoQ遞電子體還原型遞電子體氧化型Fe-S，Cytb,c1,c,aa32H+2e?O2O2-H2OH2O461、呼吸鏈（電子傳遞鏈）在生物氧化過程中，代謝物上的氫被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子，而生成水的全部體系稱呼吸鏈。原核細胞電子傳遞發(fā)生在質(zhì)膜上，真核細胞電子傳遞發(fā)生在線粒體內(nèi)膜上。線粒體圖示472、呼吸鏈的組成呼吸鏈上流動的電子載體：NADHQ還原酶(Ⅰ)琥珀酸-Q還原酶(Ⅱ)細胞色素還原酶(Ⅲ)細胞色素氧化酶(Ⅳ)輔酶Q、細胞色素c

能夠當(dāng)做質(zhì)子泵的復(fù)合體：Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ；含F(xiàn)e-S蛋白的復(fù)合體：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。48三種鐵硫蛋白（非血紅素鐵蛋白）的形式：49（1）復(fù)合物INADHQ還原酶（NADH脫氫酶）電子傳遞

NADHFMNFe-S

輔酶Q50（2）復(fù)合物II琥珀酸-Q還原酶FADH2

鐵硫聚簇

輔酶QFADH2+COQCOQH2+FAD

51（3）復(fù)合物III

（細胞色素還原酶、細胞色素bc1復(fù)合體、bc1）細胞色素：是一類含有血紅素輔基的電子傳遞蛋白的總稱。復(fù)合物III含細胞色素b、細胞色素c1、鐵硫蛋白。催化電子從QH2傳遞到細胞色素c、細胞色素還原酶、血紅素輔基中的鐵原子，在電子傳遞中發(fā)生可逆的2價Fe2+和3價Fe3+的變化催化。52（4）復(fù)合物IV（細胞色素氧化酶）結(jié)構(gòu)：四個氧化還原中心;還原型的細胞色素c血紅素a血紅素a3。血紅素a3-CuB聚簇血紅素a-CuA聚簇533、呼吸鏈電子傳遞成員的排列順序傳遞電子的順序按照它們的氧化還原電勢大小排列呼吸鏈中NAD+/NADH的E0’值最小，而O2/H2O的E0’值最大，電子的傳遞方向是從NADH到O2。MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.10b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FADH2-0.1854根據(jù)接受氫的初受體不同，典型的呼吸鏈有兩條NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈。554.電子傳遞的抑制劑P128能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子傳遞的物質(zhì)稱為電子傳遞抑制劑。（1）ＮADH——?C0Q

魚藤酮，安密妥，殺粉蝶菌素。

（2）QH2

——?c1

抗酶素A。（3）aa3———?O2

氰化物、疊氮化物、一氧化碳等。

56四、氧化磷酸化作用（一）高能磷酸化合物ATP的生成光合磷酸化、底物水平磷酸化、氧化磷酸化。1、光合磷酸化植物葉綠體或者光合細菌的載色體利用光能從ADP和無機磷酸合成ATP的過程。572、底物水平磷酸化底物的磷酸化是指ATP直接由一個代謝中間物上的磷酸基團轉(zhuǎn)移到ADP分子而形成。

58ATP生成部位：P/O比：電子經(jīng)過呼吸鏈的傳遞作用最終與氧結(jié)合生成水，在此過程中所釋放的能量用于ADP磷酸化生成ATP。經(jīng)此過程消耗一個原子的氧所要消耗的無機磷酸的分子數(shù)（即生成ATP的分子數(shù)）為。。。是一對電子通過呼吸鏈到氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHCoQ細胞色素C

?

O2FADH2ATPATPATPNADH2.5ATP0202FADH21.5ATP3、氧化磷酸化作用指直接與電子傳遞相偶聯(lián)由ADP形成ATP的磷酸化作用。59（二）氧化磷酸化作用機制化學(xué)滲透假說化學(xué)滲透假說：電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進入到膜間隙，從而形成了跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度。這個梯度的電化學(xué)電勢就驅(qū)動了ATP的合成。最直接的證據(jù)是純化得到了F1/F0ATP合酶。60ATP合酶系統(tǒng)（Fo/F1ATP酶）作用：在電子傳遞過程中利用跨線粒體內(nèi)膜的質(zhì)子電化學(xué)梯度驅(qū)動ATP的合成。PeterMitchell61三、胞液中的NADH的再氧化肌肉、神經(jīng)組織中的甘油-α-磷酸穿梭作用（1.5ATP）。肝、腎、心等組織的蘋果酸穿梭作用（2.5ATP）。生物意義：使細胞溶膠中的NADH逆濃度梯度轉(zhuǎn)運到線粒體內(nèi)膜進入電子傳遞進行氧化。621、肌肉、神經(jīng)組織中的甘油-3-磷酸穿梭作用NADHNAD二羥