理学新陈代谢总论与生物氧化课件

第六章第六章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化第一节第一节 新陈代谢总论新陈代谢总论第二节第二节 生物氧化生物氧化 第三节第三节 呼吸链呼吸链第四节第四节 氧化磷酸化氧化磷酸化 第一节第一节 新陈代谢总论新陈代谢总论一一 新陈代谢的概念新陈代谢的概念新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生物小分子合成为生物大分子生物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢二、新陈代谢的共同特点：二、新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。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。诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。对周围环境高度适应。三三、新陈代谢的调节新陈代谢的调节 三个水平调节：三个水平调节：分子水平分子水平-酶浓度和数量的调节酶浓度和数量的调节 （包括基因水平上的调节）（包括基因水平上的调节）细胞水平细胞水平-细胞区域化调节细胞区域化调节整体水平整体水平-激素和神经的调节激素和神经的调节四、生物体内能量代谢的基本规律四、生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（恒温恒压）用以作功的能量。在没有作自由能：生物体（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。功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。G=H-TS对于对于 aA+bB cC+dDG=-RTlnK K=CcDd/AaBbG在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化H体系焓的变化；体系焓的变化；T体系的绝对温度；体系的绝对温度；S-体系的体系的熵熵变。变。自由能用于生物化学反应的规定自由能用于生物化学反应的规定 物物理理化化学学中中的的标标准准自自由由能能（G）为为25、一一个个大大气气压压，参参与与反反应应的的物物质质浓浓度度均均为为1mol/L1mol/L时时能能量量的的变变化化。但但是是在在生生物物体体系系中中，其其氧氧化化还还原原反反应应经经常常有有 H+参参加加，如如果果按按物物理理化化学学的的标标准准自自由由能能计计算算，则则这这个个标标准准条条件件的的pH值值为为 0 0 ，显显然然，不不符符合合生生物物体体系系反反应应条条件件。生生物物体体系系中中，其其标标准准自自由由能能是是指指pH7.0时时的的自自由由能能，用用G表表示示，自由能的变化用自由能的变化用 G 表示。表示。概概 念念：水解自由能在水解自由能在20.92 kJ/mol（5千卡千卡/mol）以上的化合物。）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为高能化合物中被水解的基团称为“高能基团高能基团”，被水解的键称为，被水解的键称为“高能键高能键”用用“”表示表示 以磷酸作为高能基团的高能化合物称为以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合高能磷酸化合物”五、五、高能化合物PEPPPi1 磷氧键磷氧键型，其高能键是由磷和型，其高能键是由磷和氧原子构成即氧原子构成即“OP”如：如：磷酸烯醇式丙酮酸（磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦）、焦磷酸（磷酸（PPi）等。）等。高能化合物类型高能化合物类型：2 氮磷键氮磷键型，高能键是由氮型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸和磷构成，如磷酸肌酸3 硫酯键型，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A常见磷酸化合物标准水解自由能常见磷酸化合物标准水解自由能ATPAMPADP ATP的结构特性的结构特性结构结构水解自由能水解自由能：每个高能键的水解自由每个高能键的水解自由能为能为 30.5kJ/mol或或7.3kcar/mol第二节 生物氧化一、生物能流：化学能太阳 光能呼吸作用能量通货损 失：热、熵光合作用CO2+H2O 有机物有机物化学能渗透能电能机械能热能二、二、生物氧化生物氧化 1.概念概念：有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程葡萄糖葡萄糖 6 CO2+6 H2O+能量能量（2870.22 kJ/mol）2.内容内容：碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP 3.方式方式：（1）加氧加氧：ATP（2）脱氢脱氢:加水脱氢加水脱氢:Fe2+Fe3+e（3）脱电子脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸琥珀酸脱氢酶 延胡索酸直接脱氢直接脱氢：4.生物氧化的特点生物氧化的特点 体内氧化 体外氧化1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。相同点不同点1）反应条件：温和 剧烈2）反应过程：分步反应 一步反应 能量逐步释放 能量突然释放3）产物生成：间接生成 直接生成4）能量形式：热能、ATP 热能、光能 体内氧化 体外氧化生物氧化的特点生物氧化的特点：生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为分解为COCO2 2和和H H2 2O O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellular respiration)cellular respiration)1)1)逐步氧化，有序可控；逐步氧化，有序可控；2)2)条件温和，多步酶促反应条件温和，多步酶促反应;3)3)能量逐步释放并以能量逐步释放并以ATPATP的方式贮存。的方式贮存。4 4）分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。）分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。5.CO2生成方式糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2（1）直接脱羧（2）氧化脱羧:R-CH(NH2)-COOH RCH2-NH2+CO2 氨基酸 氨基酸脱羧酶 胺 苹果酸 丙酮酸苹果酸酶苹果酸 丙酮酸苹果酸酶 CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（-脱羧）代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。6.H2O的生成方式AH2AH2O1/2O2酶一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1酶2酶3酶n多酶体系三、三、氧化酶类氧化酶类：1.电电子子转转移移酶酶 如如：细细胞胞色色素素类类，这这是是一一类类催催化化氧氧化化还还原原反反应应的的酶酶，其其辅辅基基是是血血红红素素，作作用用部部位位是是血血红红素素中中的的铁铁离离子子，接受电子和释放电子催化反应接受电子和释放电子催化反应2.氧化酶氧化酶：（1）一一般般氧氧化化酶酶：单单独独使使底底物物脱脱氢氢，并并把把氢氢交交给给氧氧的的酶酶类类，如如一酶体系中的多酚氧化酶。一酶体系中的多酚氧化酶。（2）黄黄素素氧氧化化酶酶：接接受受底底物物的的氢氢，并并把把它它交交给给氧氧分分子子而而生生成成过过氧氧化化氢氢的的酶酶。辅辅基基通通常常是是FAD。如如黄黄嘌嘌呤呤氧化酶氧化酶（3）末末端端氧氧化化酶酶：处处于于一一系系列列氧氧化化还还原原酶酶末末端端，直直接接将将递递体体的的电电子子交交给给氧氧生生成成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶3.脱脱氢氢酶酶：催催化化底底物物脱脱氢氢，脱脱下下的的氢氢交交给给递递氢氢体体的的酶酶。辅辅基基通通常常FAD或或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：如：琥珀酸脱氢酶：4.加加氧氧酶酶：加加双双氧氧酶酶和和加加单氧酶单氧酶一、一、概念概念：线粒体内膜上的电子传递系统。：线粒体内膜上的电子传递系统。类别：类别：NADH呼吸链呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1、Cyt c、Cyta.a3 FADH2呼吸链呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1、Cytc、Cyta.a3二、二、组分：组分：第三节 呼吸链1.NADH脱脱氢氢酶酶：辅辅基基为为FMN，是是一一个个跨跨膜膜蛋蛋白白，其其活活性性中中心心在在膜膜的的内内侧侧，可可催催化化NADH脱脱氢氢，并并具具有有质质子子泵泵功功能，其与铁能，其与铁-硫蛋白形成复合体硫蛋白形成复合体内膜外内2.琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶（FAD）：与铁硫蛋白）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能化为延胡索酸，无质子泵功能内膜外内3.Fe-S蛋蛋白白：含含有有等等量量的的铁铁和和硫硫，二二者者形形成成配配位位键键，铁铁还还和和肽肽链链的的半半胱胱氨氨酸酸形形成成配配位键。有位键。有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子SFe S(半胱)SSS(半胱)S Fe(半胱)S FeFe S(半胱)肽SSSSSS肽FeFe4.CoQ：是醌式化合物，脂溶性：是醌式化合物，脂溶性,由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，可由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的非蛋白电子载体，在膜中比较自接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的非蛋白电子载体，在膜中比较自由。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。其反应如下：由。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。其反应如下：Fe2+Fe3+e（1）Cytb：Cytb是是膜膜的的嵌嵌入入蛋蛋白白，可可接受接受CoQ的电子，且具有质子泵功能的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜膜的的嵌嵌入入蛋蛋白白，与与Cytb组组成成一一个个复复合合体体，它它可可接接受受b的的电电子子，并并把它传给把它传给Cytc 5.细胞色素（细胞色素（Cyt）类）类:共有共有5种种，分别为，分别为Cyt b、Cyt c1 Cytc、Cyta.a3所有的细胞色所有的细胞色素类都是素类都是蛋白质，都含有辅基蛋白质，都含有辅基血红素，如血红素，如Cytc的辅基与蛋的辅基与蛋白质的结合。白质的结合。Fe2+Fe3+e其中的铁离子可接受电子和释放电子其中的铁离子可接受电子和释放电子内膜外内（4）Cytaa3：主要催化细胞色素：主要催化细胞色素C到到细胞色素细胞色素aa3 的电子传递：这是两个细的电子传递：这是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有有Cu离子。在膜的外部，离子。在膜的外部，Cyta接受接受Cytc的电子，经过的电子，经过Cu传给传给a3，a3 的活性中心的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。能。该复合体又称为细胞色素该复合体又称为细胞色素c氧化酶、氧化酶、呼吸链末端氧化酶。呼吸链末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上：是膜上唯一的外周蛋白唯一的外周蛋白，处于，处于膜的外侧，可接受膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给的电子，并传给Cyta a3。Cytc2e-内膜外内2H+内膜外内前三者都属于细胞色素还原酶前三者都属于细胞色素还原酶NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2-0.32 0.30 00.1+0.07 +0.22 +0.25 +0.29 +0.816 琥珀酸 FAD CoQ b c1 c aa3 O2 +0.06三、三、工作机理工作机理：1.呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：2.工作机理工作机理：氧化还原反应氧化还原反应:电子转移反应电子转移反应化学电池化学电池：Zn=Zn2+2e-Cu2+2e-=Cu氧化还原电势氧化还原电势:还原剂失电子；氧化剂得电子倾向还原剂失电子；氧化剂得电子倾向Green solution Green solution of Znof Zn2+2+ions ionsCuCu生物体内的氧化还原反应原理与化学电池相同生物体内的氧化还原反应原理与化学电池相同内外IIIIIIIVc内膜QNADH琥珀酸1/2O2四、四、存在状态存在状态 四个复合体四个复合体：复合体复合体I：NADH脱氢酶、铁硫蛋白脱氢酶、铁硫蛋白 复合体复合体II：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白 复合体复合体III：细胞色素：细胞色素b、c1 复合体复合体IV：细胞色素氧化酶：细胞色素氧化酶 两个游离载体两个游离载体：辅酶：辅酶Q、细胞色素、细胞色素c（1 1）复复合合体体：NADHNADH一一泛泛醌醌还还原原酶酶：该该复复合合体体将将电电子子从从NADHNADH经经FMNFMN及铁硫蛋白传给泛醌。及铁硫蛋白传给泛醌。（2 2）复复合合体体：琥琥珀珀酸酸一一泛泛醌醌还还原原酶酶：该该复复合合体体将将电电子子从从琥琥珀珀酸酸经经 FAD FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。及铁硫蛋白传递给泛醌。（3 3）复复合合体体：泛泛醌醌一一细细胞胞色色素素C C还还原原酶酶：该该复复合合体体将将电电子子从从泛泛醌醌经经CytbCytb、CytcCytc1 1传给传给CytcCytc。（4 4）复合体）复合体：细胞色素：细胞色素C C氧化酶：该复合体将电子从氧化酶：该复合体将电子从CytcCytc经经Cyt Cyt aaaa3 3传递给氧。传递给氧。外外IIIIIIIVc内内膜膜Q鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素STOPSTOPSTOPSTOP抗霉素ACN、N3 CO、H2SNADH复合体复合体I Q 复合体复合体III Cytc 复合体复合体IV O2STOPSTOP五、电子传递抑制剂：第四节 氧化磷酸化 一、概念:伴随生物氧化放能反应由ADP与Pi合成ATP的过程。二、类型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能 磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程。丙酮酸激酶氧化磷酸化：是指呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，即将电子传递过程中产生的自由能用于ATP合成又称为偶联磷酸化。NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP三、偶联部位:1.电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2 每消耗1原子氧同时消耗几分子无机磷酸，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP 底物NADH琥珀酸CoQ 细胞色素c P/O 3 2 2 12.P/O：NADH FMN CoQ Cyt b Cyt c1 Cyt c Cyt a.a3 O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸FADII 呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。根据氧化根据氧化-还原电位与自由能变化关系式，计算出在还原电位与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有氧化过程中，有三个反应的三个反应的 G -30.5 kJ/mol。FMNH2 Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -55.6kJ/mol -34.7kJ/mol -102.1kJ/moL 这三个反应分别与这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生的磷酰化反应偶联，产生3个个ATP。四、氧化磷酸化机理:1.氧化磷酸化的细胞结构基础线粒体（mitochondria）外 膜（outer membrane）内 膜（inner membrane）嵴（sterility）线粒体内膜的表面有一层规则线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称地间格排列着的球状颗粒，称为为ATP酶复合体，是酶复合体，是ATP合成合成的场所。的场所。2.ATP合合成成酶酶(ATP synthase）)F1-F0因子：结构膜bd g ebbd g eF1F0F1：3、3b、g、d、e 5种共9个亚基b亚基b为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底g亚基突出与F0结合F1：催化：催化ATP合成合成F0：穿膜质子通道：穿膜质子通道ATPADP+Pigbbb内膜bd g ebADP+PiATP2H+F1-F0的工作机理的工作机理IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F01/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度2H+化学渗透学说机理化学渗透学说机理 （1）化学偶联假说（Chemical coupling hypothesis)（2）构象偶联假说(conformational coupling hypothesis)（3）化学渗透学说（Chemical osmotic theory）（Mitchell 1961）3.氧化磷酸化机理化化 学学 渗渗 透透 学学 说说 要要 点点1.线粒体的内膜是完整的封闭系统。2.电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。3.内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.4.质子经F1F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。解偶联(uncoupling)使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、2.4-二硝基苯酚、双香豆素等 典型的解偶联剂 2，4 二硝基苯酚作用机理。外内内膜五、氧化磷酸化的解偶联剂(uncoupler)和抑制剂氧化磷酸化抑制剂(oxidative phosphorylation inhibitor)：直接作用于F1F0复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理是堵塞了质子通道。内膜bd g ebb内膜d g e2H+2H+2H+2H+2H+寡六、六、胞液中胞液中NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化胞浆中胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。氧化磷酸化。转运机制转运机制主要有：主要有：磷酸甘油穿梭系统磷酸甘油穿梭系统(glycerophosphate shuttle)苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭系统天冬氨酸穿梭系统(malate-asparate shuttle)Qb c1 c a.a3内膜外膜细胞质III1.磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶O2磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸二羟丙酮-磷酸甘油酶 II 嵌入蛋白功能：将磷酸甘油的电子传给CoQ，而使外源NADH 的电子进入呼吸链。外源NADH的电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH可以产生2个ATP。酶 I：可溶性酶，存在于细胞质中-磷酸甘油磷酸二羟丙酮FADFADH2呼吸链C2内膜外膜C12.苹果酸-天冬氨酸穿梭 该系统由两种苹果酸脱氢酶（，存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶（，存在于细胞质和线粒体）和C1、C2两个载体组成外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，NADH可以产生3个ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸谷氨酸-天冬氨酸天冬氨酸 转运体转运体苹果酸苹果酸-酮 戊二酸戊二酸转运体运体 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸-酮戊二酸戊二酸 谷氨酸谷氨酸 苹果酸苹果酸 脱氢酶脱氢酶 谷草转谷草转 氨酶氨酶 胞液胞液 线线粒粒体体内内膜膜 基质基质 呼吸链呼吸链 天冬氨酸天冬氨酸 2.苹果酸苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（肝、心肌）天冬氨酸穿梭系统（肝、心肌）结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢聆听不足之处请大家批评指导Please Criticize And Guide The Shortcomings演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日