第四章新陳代謝與生物氧化

————動態(tài)部分第四章新陳代謝與生物氧化第一節(jié)新陳代謝一、新陳代謝的概念二、新陳代謝的研討方法三、生物體內(nèi)能量代謝的根本規(guī)律四、高能化合物與ATP的作用1、合成與分解的關(guān)系①合成為分解預(yù)備了物質(zhì)前提，外部物質(zhì)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部物質(zhì)②分解為合成提供了必需的能量內(nèi)部物質(zhì)轉(zhuǎn)化為外部物質(zhì)普通泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)展物質(zhì)交換和能量交換的過程。

生物小分子合成生物大分子合成代謝〔同化〕耗能新陳代謝能量代謝

產(chǎn)能分解代謝〔異化〕生物大分子分解為生物小分子物質(zhì)代謝一、新陳代謝的概念①生物體經(jīng)過新陳代謝獲得能量②經(jīng)過新陳代謝建造和修復(fù)生物體③經(jīng)過新陳代謝完成遺傳信息的儲存、傳送和表達(dá)的過程。2、生物體新陳代謝的作用①不同生物的代謝大同小異大同各類生物的物質(zhì)的代謝途徑非常類似小異也有偏向低等的厭氧生物尚沒有開展出好氧代謝途徑，而高等生物包括好氧細(xì)菌都開展出了更為高效的好氧代謝，但同時保管了厭氧代謝途徑。為什么具有許多一樣之處呢？共同的祖先！3、新陳代謝的特點②反響步驟繁多，具有嚴(yán)厲的順序性；③與環(huán)境相順應(yīng)，自動調(diào)理；在整體程度進(jìn)展調(diào)理在細(xì)胞程度進(jìn)展調(diào)理經(jīng)過酶活性調(diào)理來進(jìn)展調(diào)理。①營養(yǎng)物質(zhì)的攝取與吸收利用光能的生物〔植物、微生物〕食草動物

食腐動物〔微生物〕食肉動物〔輪回〕4、新陳代謝的過程普通指物質(zhì)在細(xì)胞中的合成和分解過程將攝取的營養(yǎng)物質(zhì)和細(xì)胞中原有的物質(zhì)〔構(gòu)造物質(zhì)或功能物質(zhì)〕分解為機(jī)體所需的構(gòu)造元件或分解供能；將構(gòu)造元件裝配成大分子〔構(gòu)造物質(zhì)、功能物質(zhì)〕；在物質(zhì)代謝的同時進(jìn)展能量代謝③排泄②中間代謝主要涉及目前曾經(jīng)清楚的細(xì)胞內(nèi)四大物質(zhì)的合成與分解。代謝的本質(zhì)是物質(zhì)在酶的作用下分解或合成，所以代謝的研討內(nèi)容也即分為兩個方面：參與的酶物質(zhì)的變化過程經(jīng)過巧妙的實驗設(shè)計、嚴(yán)密的邏輯推斷與反復(fù)性的驗證。二、代謝的研討方法活體內(nèi)(invivo)與活體外(invitro)實驗法同位素示蹤法3.代謝途徑阻斷法4.遺傳缺欠癥方法氣體丈量法核磁共振波譜法〔NMR〕1、活體內(nèi)與活體外實驗純化合物排泄物的化學(xué)分析典型案例脂肪酸的β氧化整體方法〔invivo)Knoop的標(biāo)志化合物實驗脂肪酸的β氧化脂肪酸末端甲基接上苯基偶數(shù)碳FA苯乙酰-N-甘氨酸〔苯乙尿酸〕奇數(shù)碳FA苯甲酰-N-甘氨酸〔馬尿酸〕各類組織細(xì)胞各種破碎方法碎片置于試管中向該試管中參與純化合物〔如葡萄糖〕分析各類代謝中間產(chǎn)物及酶，邏輯推斷。離體法(invitro)利用含放射性同位素的物質(zhì)，測試其在不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)移γβ高能化合物ATP2、同位素示蹤法CH3C14OOH呼出C14O2糞便含C14例：穩(wěn)定性同位素：指原子量不同，不進(jìn)展衰變，無射線輻射的同位素。放射性同位素：指原子量不同，有射線輻射的同位素。利用抗代謝藥或酶的抑制劑代謝途徑受阻導(dǎo)致代謝中間產(chǎn)物的積累碘乙酸——3-磷酸甘油醛脫氫酶氟化鈉——烯醇化酶利用遺傳缺陷癥研討代謝途徑3.代謝途徑阻斷法三、生物體內(nèi)能量代謝的根本規(guī)律熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，熱力學(xué)第二定律指出，熱的傳導(dǎo)自高溫流向低溫。機(jī)體內(nèi)的化學(xué)反響朝著到達(dá)其平衡點的方向進(jìn)展。ΔG=ΔH-TΔS〔ΔH是總熱量的變化，ΔS是總熵的改動，T是體系的絕對溫度〕。1.服從熱力學(xué)原理。2.吉布斯自在能GΔG＜0，反響可以自發(fā)進(jìn)展。ΔG＞0，反響不能自發(fā)進(jìn)展，吸收能量才推進(jìn)反響進(jìn)展。ΔG＝0，體系處在平衡形狀。規(guī)范自在能變化用ΔG?！硎尽?5℃，1個大氣壓，pH為7，反響物和產(chǎn)物濃度為1mol/L時所測得，單位是kJ/mol〕?！睷為氣體常數(shù)，lnK為平衡常數(shù)的自然對數(shù)。K＞1，ΔG。＇為負(fù)值，反響趨于生成物的方向進(jìn)展；K＜1，ΔG。＇為正值。〕3．ΔG。＇和化學(xué)平衡的關(guān)系A(chǔ)+BC+De-脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳送〔氧化〕蛋白質(zhì)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間產(chǎn)物〔如丙酮酸、乙酰CoA等〕共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳送鏈傳送生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分經(jīng)過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成根本構(gòu)造單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階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鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物普通將水解時可以釋放21kJ/mol〔5kCal/mol)以上自在能〔G′<-21kJ/mol〕的化合物稱為高能化合物。四、高能化合物與ATP的作用ATP的特殊作用ATP作用：是能量的攜帶者或傳送者，而非儲存者，是能量貨幣ATP是生物細(xì)胞內(nèi)能量代謝的偶聯(lián)劑ATP＋H2O→ADP＋Pi其ΔG0′=-30.51kJ／mo1；當(dāng)ADP＋Pi→ATP時，也需吸收30.51kJ／mol的自在能磷酸肌酸〔脊椎動物〕和磷酸精氨酸〔無脊椎動物〕是能量的儲存方式能量源自:能源物質(zhì)的分解〔糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)〕分解代謝氧化產(chǎn)能ADP機(jī)械能〔運動〕化學(xué)能〔合成反響〕浸透能〔分泌、吸收〕電能〔生物電〕熱能〔體溫維持〕光能〔生物發(fā)光〕UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能ATP第二節(jié)生物氧化一、生物氧化的概念、特點和部位二、生物氧化的酶類和體系三、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：有機(jī)物質(zhì)在生物體細(xì)胞內(nèi)氧化分解產(chǎn)生二氧化碳、水，并釋放出大量能量的過程稱為生物氧化〔biologicaloxidation〕。又稱細(xì)胞呼吸或組織呼吸。一、生物氧化的概念、特點和部位2.特點：生物氧化和有機(jī)物質(zhì)體外熄滅在化學(xué)本質(zhì)上是一樣的，遵照氧化復(fù)原反響的普通規(guī)律，所耗的氧量、最終產(chǎn)物和釋放的能量均一樣。①酶促氧化過程、反響條件溫暖②氧化與復(fù)原相偶聯(lián)③質(zhì)子和電子由載體傳送到氧生成水④分步進(jìn)展：有利于提高能量利用率⑤氧化磷酸化3.部位：在真核生物細(xì)胞內(nèi)，生物氧化都是在線粒體內(nèi)進(jìn)展，原核生物那么在細(xì)胞膜上進(jìn)展。二、生物氧化的酶類和體系1.酶類：重要的為氧化酶和脫氫酶兩類，脫氫酶尤為重要。2.體系：有不需傳送體和需傳送體的兩種體系。①不需傳送體其特點:不伴磷酸化，不生成ATP，主要與體內(nèi)代謝物、藥物和毒物生物轉(zhuǎn)化有關(guān)。②需傳送體的最典型的是呼吸鏈。生物氧化中CO2的生成是代謝中有機(jī)酸的脫羧反響所致。三、生物氧化中CO2的生成直接脫羧氧化脫羧按脫羧基的位置α-脫羧β-脫羧請判別以下脫羧反響的類型四、生物氧化中水的生成脫氫酶氧化酶復(fù)原型氧化型一個或多個傳送體M.2HMH2O1/2O2〔一〕呼吸鏈的概念和類型1.定義：代謝物上的氫原子被脫氫酶激活零落后，經(jīng)過一系列的傳送體，最后與激活的氧結(jié)合生成水的全部體系，此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，所以將此傳送鏈稱為呼吸鏈〔respiratorychain〕或電子傳送鏈〔electrontransferchain〕。線粒體呼吸鏈根據(jù)代謝物上脫下的氫的初始受體不同，在具有線粒體的生物中，典型的呼吸鏈有2種:●NADH呼吸鏈：絕大部分分解代謝的脫氫氧化反響通過此呼吸鏈完成●FADH2呼吸鏈：只能催化某些代謝物脫氫,不能使NADH或NADPH脫氫2、呼吸鏈種類NADH2呼吸鏈FADH2呼吸鏈〔二〕呼吸鏈的組成組成呼吸鏈的成分已發(fā)現(xiàn)20余種，分為5大類。分別為：煙酰胺脫氫酶類、黃素脫氫酶類、鐵硫蛋白類、輔酶Q類、細(xì)胞色素類。

低能程度高氧化復(fù)原勢高能程度低氧化復(fù)原勢Cyt.bCyt.c1Cyt.cCyt.aCyt.a3 2H+FAD輔酶Q輔酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+1/2O2H2OATPATP典型的呼吸鏈電子的傳送方向是：NADH 2→O2電子傳送伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。1．輔酶Ⅰ和輔酶Ⅱ它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。2、黃素酶黃素酶的種類很多，輔基有2種，即FMN和FAD。FAD是琥珀酸脫氫酶的輔基，都是以核黃素為中心構(gòu)成的，其異咯嗪環(huán)上的第1位及第5位兩個氮原子能可逆地進(jìn)展加氫和脫氫反響，為遞氫體。FMNH2或FADH2可進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給輔酶Q。NNNCCONHOCH3CH3R51NNNCCONHOCH3CH3HHR+2H-2H鐵硫蛋白(Fe-S)分子中含非卟啉Fe與對酸不穩(wěn)定的S，其作用是借鐵的變價互變進(jìn)展電子傳送:

Fe3++eFe2+

因鐵硫蛋白的活性部分：含有2個活潑的硫和2個鐵原子，故稱鐵硫中心。3、鐵硫蛋白〔簡寫為Fe-S〕鐵硫蛋白在生物界廣泛存在，在線粒體內(nèi)膜上常與黃素酶或細(xì)胞色素結(jié)合成復(fù)合物而存在。在從NADH到氧的呼吸鏈中，有多個不同的鐵硫中心，有的在NADH脫氫酶中，有的與細(xì)胞色素b及c1有關(guān)。鐵硫蛋白有幾種不同的類型,可概括為3類:●FeS●2Fe–2S●4Fe–4S[FeS]只含1個鐵原子[2Fe–2S][4Fe–4S]它是電子傳送鏈中獨一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。4、輔酶-Q〔CoQ〕5、細(xì)胞色素細(xì)胞色素主要是經(jīng)過Fe3++eFe2+的互變起傳送電子的作用。線粒體電子傳送鏈至少含有5種細(xì)胞色素：a，a3，b，c，c1它們的輔基構(gòu)造略有不同:血紅素A－Cyta，a3血紅素B－Cytb，血紅蛋白，肌紅蛋白血紅素C－Cytc1，c血紅素A血紅素C血紅素B細(xì)胞色素在電子傳送鏈中的順序b－－c1－－c－－a－－a3O2Fe-S2Cu測定各電子傳送體氧化復(fù)原電位的數(shù)值－－按氧化復(fù)原電位由低到高順序陳列；確定呼吸鏈中各傳送體順序的方法根據(jù)：b.利用電子傳送抑制劑確定其順序；c.經(jīng)過電子傳送體體外重組實驗加以驗證；d.根據(jù)從線粒體中分別到的傳送體復(fù)合體排序(4種)。(三〕呼吸鏈中傳送體的順序從NADH到分子氧每一電子傳送體得電子的傾向逐漸增大電子傳送抑制劑:能阻斷呼吸鏈中某部位電子傳送物。各組分Eo′：低高電子遷移方向：低電位高電位?Go′：逐漸降低放能MH2NADH-0.32FMN-0.30CoQ+0.04b+0.07c1+0.22c+0.25aa3+0.29O2+0.816FAD-0.18魚藤酮安密妥抑制劑：抗霉素A氰化物，CO,疊氮化合物呼吸鏈中各傳送體順序

低能程度高氧化復(fù)原勢高能程度低氧化復(fù)原勢Cyt.bCyt.c1Cyt.cCyt.aCyt.a3 2H+FAD輔酶Q輔酶QH2ATPNADH2NADFADH2Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+Fe3+Fe2+Fe2+Fe3+Fe3+Fe2+1/2O2H2OATPATP電子的傳送方向是：NADH 2→O2電子傳送伴隨ADP磷酸化成ATP全過程，故又稱為氧化呼吸鏈。在生物氧化過程中，氧化放能反響經(jīng)常有吸能的磷酸化反響偶聯(lián)發(fā)生。偶聯(lián)反響將氧化釋放的一部分自在能用于無機(jī)磷參與的高能磷酸鍵生成反響。這種氧化放能反響與磷酸化吸能反響的偶聯(lián)，稱為氧化磷酸化作用。根據(jù)生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為底物程度磷酸化及電子傳送體系磷酸化。五、氧化磷酸化作用——伴隨著放能的氧化作用而進(jìn)展的磷酸化ADP+Pi+能量→ATPAMP+PPi+能量→ATP〔一〕ATP的生成氧化磷酸化底物程度磷酸化電子傳送體系磷酸化1.底物程度磷酸化－－底物被氧化時伴隨著分子內(nèi)部能量的重新分布,構(gòu)成了某些高能磷酸化合物的中間產(chǎn)物,經(jīng)過酶的作用使磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP上構(gòu)成ATP的作用。X~+ADP→ATP+XP●是捕獲能量的一種方式;●和氧的存在與否無關(guān)。特點:底物程度磷酸化反響舉例COO-C-O~PCH2磷酸烯醇式丙酮酸COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADPATP2.電子傳送體系磷酸化當(dāng)電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳送體系〔呼吸鏈〕傳送給氧構(gòu)成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP，這一全過程稱為電子傳送體系磷酸化?！?〕概念1電子傳送體系磷酸化：ADPATP底物產(chǎn)物FADFADH2NADNADHH2O能量●需求氧分子的參與?！裾婧松镅趸姿峄^程在線粒體內(nèi)膜進(jìn)展,原核生物在細(xì)胞質(zhì)膜上進(jìn)展。特點：NADHFMN輔酶Qbc1caa3O2FAD-0.18電勢：-0.32-0.30+0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816P~3ADPP~P~3ATP產(chǎn)能的三個部位〔2〕P/O比和由ADP生成ATP的數(shù)目P/O比：物質(zhì)氧化時，每耗費1mol氧原子所耗費的無機(jī)磷酸的mol數(shù)〔或ADPmol數(shù)〕，即生成ATP的mol數(shù)。NADH呼吸鏈：P/O比值≈3FADH2呼吸鏈：P/O比值≈2故推斷從NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸鏈中，可分別合成3個、2個ATP。〔3〕呼吸鏈電子傳送過程中的自在能變化1例細(xì)胞色素b△G’=-2×96.49×(0.82-0.07)=-2×96.49×0.75=-144.735KJ/mol每合成1molATP△G’=30.52KJ復(fù)合體I:NADH→CoQ,E0’=0.360V,G0’=-69.5kJ/mol復(fù)合體III:CoQ→Cytc,E0’=0.190V,G0’=-36.7kJ/mol復(fù)合體IV:Cytaa3→O2,E0’=0.580V,G0’=-112kJ/mol復(fù)合體II:FADH2→CoQ,E0’=0.085V,G0’=-16.4kJ/mol可見，當(dāng)一對電子相繼經(jīng)過復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ時，每一步都釋放出足以合成一分子ATP的自在能；但當(dāng)一對電子經(jīng)過復(fù)合體Ⅱ時，釋放的能量缺乏以合成ATP,其作用僅僅是將電子由FADH2注入電子傳送鏈?！镒罱难杏戧U明：復(fù)合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ不能直接合成ATP，但能螯合經(jīng)過電子傳送所產(chǎn)生的自在能，從而將質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵出至膜間隙，構(gòu)成跨膜的質(zhì)子梯度?！布矗弘娮愚D(zhuǎn)移所釋放的能量能有效地儲存在一種質(zhì)子梯度中〕跨膜質(zhì)子梯度所蘊含的自在能是推進(jìn)ATP合成的驅(qū)動力。在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)糖酵解產(chǎn)生的NADH,不能透過線粒體內(nèi)膜進(jìn)入呼吸鏈以便進(jìn)展有氧氧化。只能經(jīng)過兩種精妙的“穿越〞系統(tǒng)處理NADH的再氧化問題：

①甘油-α-磷酸穿越系統(tǒng)②蘋果酸-天冬氨酸穿越系統(tǒng)〔二〕胞液中NADH的氧化磷酸化NADH+H+線粒體內(nèi)膜甘油-α-磷酸穿越作用甘油-α-磷酸FAD二羥丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羥丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O－NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O－①②①胞液甘油-α-磷酸脫氫酶；②線粒體甘油-α-磷酸脫氫酶(黃素蛋白脫氫酶)蘋果酸-天冬氨酸穿越系統(tǒng)酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+蘋果酸蘋果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸鏈COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH轉(zhuǎn)氨酶轉(zhuǎn)氨酶細(xì)胞質(zhì)線粒體①②①細(xì)胞質(zhì)蘋果酸脫氫酶②線粒體蘋果酸脫氫酶線粒體內(nèi)膜〔三〕氧化磷酸化作用的機(jī)理有關(guān)氧化磷酸化機(jī)理的幾種假說化學(xué)偶聯(lián)假說構(gòu)象偶聯(lián)假說化學(xué)浸透假說1.化學(xué)偶聯(lián)假說1953年EdwardSlater最先提出。以為：電子傳送產(chǎn)生一種高能共價中間物,它隨后的裂解釋放能量驅(qū)動ATP合成。但在電子傳送體系磷酸化作用中不斷未找到任何一種活潑的高能中間物。1964年P(guān)aulBoyer最先提出。以為:電子沿呼吸鏈傳送使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生構(gòu)象變化,而構(gòu)成一種高能方式,這種高能方式經(jīng)過將能量提供應(yīng)ATP合成而恢復(fù)其原來的構(gòu)象。但至今未能找到有力的實驗證據(jù)。2.構(gòu)象偶聯(lián)假說a.呼吸鏈催化反響是定向的；b.線粒體內(nèi)膜的電子傳送鏈?zhǔn)且粋€質(zhì)子泵；c.電子由高能形狀傳送到低能形狀時釋放出來的能量，用于驅(qū)動膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)〔內(nèi)膜對H+是不通透的〕，在膜內(nèi)外側(cè)產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度和電位梯度3.化學(xué)浸透假說1961年英國生物化學(xué)家PeterMitchell首先提出,1978年獲諾貝爾化學(xué)獎。膜間隙琥珀酸延胡索酸基質(zhì)化學(xué)勢差內(nèi)堿電勢差內(nèi)負(fù)質(zhì)子驅(qū)動力推進(jìn)ATP合成內(nèi)膜外膜d.在膜內(nèi)外勢能差的驅(qū)動下，膜外高能質(zhì)子沿著一個特殊通道〔ATP合酶組成部分〕，跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動ADP和磷酸合成ATP支持化學(xué)浸透假說的實驗證據(jù)：氧化磷酸化作用的進(jìn)展需求封鎖的線粒體內(nèi)膜存在。線粒體內(nèi)膜對H+OH-K+Cl-都是不通透的。破壞H+濃度梯度的構(gòu)成〔用解偶聯(lián)劑或離子載體抑制劑〕必然破壞氧化磷酸化作用的進(jìn)展。線粒體的電子傳送所構(gòu)成的電子流可以將H+從線粒體內(nèi)膜逐出到線粒體膜間隙。大量直接或間接的實驗證明膜外表可以滯留大量質(zhì)子，并且在一定條件下質(zhì)