能量代谢与生物能的利用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,生物化学,主编 张洪渊 万海清,第八章 能量代谢与生物能的利用,第一节 概 述,Introduction,物质在生物体内进行的氧化称为,生物氧化,，主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量，最终生成,CO,2,和,H,2,O,的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。,糖,脂肪,蛋白质,CO,2,和H,2,O,O,2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,一、,生物氧化的概念,*,生物氧化,与,体外氧化之相同点,:,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。,物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（,CO,2,，,H,2,O,）,和释放能量均相同。,二、生物氧化的特点,不同点,体内氧化 体外氧化,（,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,一、生物氧化中,CO,2,生成的方式,1.,单纯脱羧,:,NH,2,R,CH,COO,H,R,CH,2,NH,2,+,CO,2,氨基酸脱羧酶,代谢过程产生的有机酸不经过氧化过程，在特异性脱羧酶作用下，直接从分子中脱去羧基的过程。,2.,氧化脱羧,:,氧化脱羧作用：代谢过程产生的有机酸在酶系统的作用下，脱羧和氧化（脱氢）同时发生。,糖原,三酯酰甘油,蛋白质,葡萄糖,脂肪酸,+,甘油,氨基酸,乙酰,CoA,TCA,2H,呼吸链,H,2,O,ADP+Pi,ATP,CO,2,* 生物氧化的一般过程,2,、生物氧化中的物质氧化方式,氧化,失电子,脱氢,加氧,还原,得电子,加氢,脱氧,电子受体,/,氢受体,电子供体,/,氢供体,氧化剂：,还原剂：,氢供体,电子供体,还原剂,氢受体,电子供体,氧化剂,3,、参与生物氧化的酶,（,1,）脱氢酶,(,dehydrogenase,),辅因子类型,FMN/FAD,NAD/NADP,(,琥珀酸脱氢酶,),需氧黄酶,不需氧黄酶,(,氨基酸脱氢酶,),不需氧脱氢酶,(NADH,脱氢酶,),代谢物,2H,氧化的代谢物,FMNH2/FADH2 O2,FMN/FAD H2O2,需氧黄酶,代谢物,2H,氧化的代谢物,FMNH2/FADH2,传递体,H2O,FMN/FAD,传递体,2H O2,不需氧黄酶,代谢物,2H,氧化的代谢物,NADH2/NADPH2,传递体,H2O,NAD/NADP,传递体,2H O2,(2),氧化酶,(,oxidase,),代谢物,2H,氧化的代谢物,2Cu,/2Fe,2,O2,2Cu,2,/2Fe,3,O,2-,H2O,2e,2e,2H,+,传递体,2H,氧化的传递体,(3),加氧酶,(,oxygenase,),苯丙氨酸,酪氨酸,苯丙氨酸单加氧酶,(4),传递体,(carrier),黄素蛋白,辅酶,Q,递氢体,细胞色素,铁硫蛋白,递电子体,第二节 呼吸链,定义,在生物氧化过程中，从代谢物脱下的成对氢原子（,2H,）,通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶按照一定顺序组成的连锁传递体系称为,电子传递链,(electron transfer chain),。,呼吸链：,代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。,组成：供氢体、传递体、受氢体,递氢体和电子传递体（,2H,2H,+,+ 2e,），,存在于线粒体内膜上,。,一、呼吸链的定义,二、,呼吸链的组成,1,、以,NAD/NADP,为辅酶的脱氢酶,2,、黄素酶（,FMN/FAD),3,、铁硫蛋白,4,、辅酶,Q,5,、细胞色素,四个蛋白复合体：复合体,I,IV,两个可灵活移动的成分：泛醌（,Q,）,和 细胞色素,C,R=H: NAD,+,R=H,2,PO,3,: NADP,+,以烟酰胺核苷酸为辅酶的脱氢酶,呼吸链中包括,5,类电子载体：,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,（辅酶,，,Co,）,尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,（辅酶,，,Co,）,尼克酰胺,腺苷,尼克酰胺苷,主要作为一类不需氧脱氢酶的辅酶。,电子和氢离子一起被接受，还原型,Co,将氢移到,FAD,（黄素）脱氢酶上。,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,+5,+3,黄素酶,R,磷酸根：,FMN R,腺嘌呤二核苷酸：,FAD,核糖醇,黄素单核苷酸,黄素腺嘌呤二核苷酸,黄素脱氢酶是黄素蛋白，其辅,基,FMN,（,FAD,）,接受,2,个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。,铁硫蛋白,含有非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子，通过铁的变价,（,Fe,3,+,Fe,2,+,）传递电子。,通常与其他递氢体和递电子体结合成复合物，因此又叫做铁,-,硫中心,。,辅酶,Q,又称泛,醌（,ubiquinone,，,CoQ,),，,是脂溶性醌类化合物，由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链。,CoQ,10,泛醌处在呼吸链的中心地位：可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（,CoQH,2,）。,它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。,细胞色素（,cytochromes,),是一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。,电子传递体：通过铁的变价传递电子，由,CoQ,传到氧。,cytbc,1,复合体：含,ctyb,、,ctyc,1,及铁,-,硫蛋白。,cytc,：在,ctybc,1,复合体和,cty,氧化酶间传递电子。,细胞色素氧化酶：含,ctya,和,ctya,3,。,除含铁还含铜（,Cu,2,+, Cu,+,）,直接以氧分子为电子受体,传递体 作用,NADH,脱氢酶 递氢体、递电子体,NADPH,脱氢酶 递氢体 、递电子体,黄素蛋白（辅基为,FAD,和,FMN,）,递氢体 、递电子体,铁硫蛋白（,Fe-S,）,单电子传递体,辅酶,Q,递氢体 、递电子体,细胞色素 单电子传递体,3,、呼吸链的排列顺序,：（氧还电位）,物质的氧还电位越低，越容易失去电子，,传给氧还电位高的物质,呼吸链的排列顺序：严格的顺序和方向性,低氧还电位,高氧还电位,电子传递方向：,低氧还电位高氧还电位,（释放能量）,NADH,氧化呼吸链,:,主要的呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链（,FADH,2,氧化呼吸链）,体内两条重要的呼吸链,1,、,NADH,氧化呼吸链,2,、琥珀酸氧化呼吸链,琥珀酸,延胡索酸,一、 化学反应中的自由能,自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号,G,表示。,在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。,自由能的变化：,G = G,产物, G,反应物,= H,_,TS,G,代表体系的自由能变化，,H,代表体系的焓变化，,T,代表体系的绝对温度，,S,代表体系的熵变化。,第三节 生物氧化过程中能量的转移与利用,G,是判断一个过程能否自发进行的根据,G0,，,反应不能自发进行，必须供给能量。,G=0,，,反应处于平衡状态。,G0,仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。,当,G,为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。,2,、氧化还原电位与自由能的变化,氧化还原电位：,用来相对表示各种化合物对电子的亲和力,1,、氧化还原反应自发进行的条件：自由能降低，氧化还原电位升高,2,、生物氧化过程中，释放能量,线粒体内膜上的酶与辅酶组成的复合体,复合物,酶名称,辅酶,NAD,+,-,CoQ,还原酶（,NADH,脱氢酶）,FMN,、铁硫蛋白、,CoQ,琥珀酸,-,CoQ,还原酶（琥珀酸脱氢酶）,FAD,、铁硫蛋白,CoQH2-,细胞色素,C,还原酶,铁卟啉、铁硫蛋白,细胞色素,C,氧化酶,铁卟啉、,Cu,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,1/2O,2,+,2H,+,H,2,O,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,（,1,）,NADH-,泛醌还原酶：将电子从,NADH,经,FMN,及铁硫蛋白传给泛醌。,（,2,）琥珀酸,-,泛醌还原酶：将电子从琥珀酸经,FAD,及铁硫蛋白传递给泛醌。,（,3,）泛醌,-,细胞色素,C,还原酶：将电子从泛醌经,Cyt,b,、,Cyt,c1,传给,Cyt,c,。,（,4,）细胞色素,C,氧化酶：将电子从,Cyt,c,经,Cyt,aa3,传递给氧。,高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，,水解时可释放大于,21KJ/mol,（或,5Kcal/mol,）的能量，常用符号,表示,。,二、,高能化合物,生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。,1,、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下发生水解时可释放大量自由能的化合物。,高能磷酸键,水解时释放的能量大于,21KJ/mol,的磷酸酯键，常表示为,P,。,2,、,高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。,三,、,ATP,生物体内能量的储存和利用都以,ATP,为中心。,是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂,ATP,ADP,肌酸,磷酸,肌酸,氧化磷酸化,底物水平磷酸化,P,P,机械能,(,肌肉收缩,),渗透能,(,物质主动转运,),化学能,(,合成代谢,),电能,(,生物电,),热能,(,维持体温,),一般情况下，,ATP,将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。,磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。,体内所需能量大多由,ATP,直接供给,，有些合成反应不直接利用,ATP,供能，而是由,ATP,将高能磷酸键转给,UDP,、,CDP,和,GDP,，,生成,UTP,、,CTP,、,GTP,，,作为能量的直接来源参与合成反应。,如,UTP,用于糖原的合成，,CTP,用于磷脂合成，,GTP,用于蛋白质合成等。,核苷二磷酸激酶的作用,ATP + UDP ADP + UTP,ATP + CDP ADP + CTP,ATP + GDP ADP + GTP,氧化磷酸化,：,1,）定义：,在生物氧化过程中，底物脱氢,经,呼吸链传递，氧化生成水的同时，所释放的自由能用于偶联,ADP,磷酸化生成,ATP,，,这种通过氧化呼吸链的电子传递与磷酸化合成,ATP,相偶联的作用称为,氧化磷酸化,(oxidative,phosphorylation,),，,又称为,偶联磷酸化。,2),氧化磷酸化偶联部位,氧化磷酸化偶联部位：,复合体,、,、,ATP,形成以电子传递为前提，而呼吸链只有生成,ATP,才能推动电子的传递，此为偶联。,呼吸链上磷酸化位点：,NAD,FMN,；,Cytb,Cytc,；,Cyta,O,2,氧化磷酸化的大小用,P/O,表示,磷氧比（,P/O),是指每消耗,1mol,原子氧时有多少摩尔原子的无机磷被酯化为有机磷，即产生多少摩尔的,ATP,。,可间接测,ATP,生成量：,P/O,比值即一对电子通过呼吸链时生成,ATP,的个数,NADH,呼吸链：,P/O =3,FADH,呼吸链：,P/O = 2,（,kj,/mol,）,52.1 40.5 102.3,NADH,：,3ATP FADH,2,：,2ATP,化学渗透学说,1.,质子泵：线粒体的内膜中电子传递与线粒体释放,H,+,是偶联的。即呼吸链在传递电子过程中释放出来的能量不断地将线粒体基质内的,H,+,逆浓度梯度泵出线粒体内膜，主动运输到膜间隙。,复合物,、,、,H,+,不能自由透过线粒体内膜,线粒体内膜外侧,H,+,浓度增高，基质内,H,+,浓度降低，在线粒体内膜两侧形成一个质子跨膜梯度（浓度差），线粒体内膜外侧带正电荷，内膜内侧带负电荷，这就是跨膜电位差,。,由于线粒体内膜两侧,H,+,浓度不同，内膜两侧还有一个,pH,梯度,pH,，膜外侧,pH,较基质,pH,约低,1.0,单位，,质子动力势：底物氧化过程中释放的自由能就储存于,和,pH,中,3.,线粒体外的,H,+,可以通过线粒体内膜上的,ATP,酶复合体，顺着浓度梯度进入线粒体基质中，这相当于一个特异的质子通道，,H,+,顺浓度梯度方向运动所释放的自由能用于,ATP,的合成。,ATP,酶复合体,位于线粒体内膜,质子通道,ATP,合成酶,ATP,水解酶,F,1,：,3,3,复合体,具有三个,ATP,合成的催化位点（每个,亚基具有一个）,贯穿,复合体（相当于发电机的转子），并与,F,0,接触,帮助,与,F,0,结合,与,F,0,的两个,b,亚基形成固定,复合体的结构（相当于发电机的定子）,F,0,：,ab,2,c,12,复合体,嵌入内膜,12,个,c,亚基组成一个环形结构，具有质子通道，可使质子由膜间隙流回基质。,线粒体基质,内膜,膜间隙,质子运输,中间物,X,-,和,IO,-,XO,含有来自,H,+,浓度差的能量：合成,ATP,线粒体基质,内膜,膜间隙,质子通过,F,0,时，引起,c,亚基构成的环旋转，从而带动,亚基旋转，由于,亚基的端部是高度不对称的，它的旋转引起,亚基,3,个催化位点构象的周期性变化（,L,、,T,、,O,），不断将,ADP,和,Pi,加合在一起，形成,ATP,。,构象耦联假说,L,（疏松）,T,（紧密）,T,（紧密）,O,（开放）,O,（开放）,三、影响氧化磷酸化的因素,1,、抑制剂,（,1,）呼吸链抑制剂：抑制氢或电子传递,阿米妥 、异戊巴比妥,鱼藤酮、 粉蝶霉素,A,CO、H,2,S,CN,-,、N,3,-,抗霉素,A,、,二巯基丙醇（,BAL,）,（,2,）解偶联剂：脂溶性，破坏膜的不通透性，抑制磷酸化,H,膜内外电化学梯度,电子传递使,H,跨膜转移,H,经从其它途径回流,能量以热能散失，不能合成,ATP,常见的解偶联剂包括：,2,4,二硝基苯酚,，,解偶联蛋白,。,（,3,）氧化磷酸化抑制剂,寡霉素,与,Fo,单元的亚基结合阻止,H,+,从,Fo,单元回流,抑制,ATP,合成,H,+,电化学梯度异常增高,抑制磷酸化过程,抑制电子传递的氧化过程,（,4,）离子载体抑制剂,缬氨霉素、短杆菌肽与,Na+,、,K+,形成脂溶性复合物，将其从线粒体内跨膜转运到胞浆，消耗电子传递产生的能量,2,、,ADP,ADP,增加，,氧化磷酸化速度加快，,ADP,减少，,氧化磷酸化速度减慢。,3,、甲状腺素 （,T,3,）,T,3,活化,Na,-K,泵,消耗,ATP,ADP,增加,氧化磷酸化速度加快。,底物水平磷酸化,代谢物脱氢氧化过程中分子内部能量重新分配，,形成高能磷酸键，使,ADP,磷酸化生成,ATP,3,磷酸甘油醛,1,3-,二磷酸甘油酸,3-,磷酸甘油酸,NAD,+,NADH+H,+,磷酸甘油醛脱氢酶,ADP,ATP,磷酸甘油酸激酶,线粒体外的氧化,转运载体：运输相应物质通过线粒体膜,线粒体外物质脱氢产生的,NADH,和,NADPH,不能直接透过线粒体膜，需通过穿梭机制进入,二羧酸载体：转运苹果酸、琥珀酸、谷氨酸、,-,酮戊二酸,三羧酸载体：转运柠檬酸、异柠檬酸,丙酮酸载体：转运丙酮酸,ADP-ATP,转运酶：转运,ATP,、,ADP,1,、 异柠檬酸穿梭：,NADPH,H,+,NADP,+,-,酮戊二酸,异柠檬酸,-,酮戊二酸,异柠檬酸,NADH,H,+,NAD,+,呼吸链,胞液,线粒体内膜,基质,NADH,的转运机制：,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,2,、,-,磷酸甘油穿梭：,NADHH,内膜,线粒体内,线粒体外,NAD,磷酸二羟丙酮,-,磷酸甘油,E,FAD,FADH,2,E,磷酸甘油脱氢酶,磷酸甘油脱氢酶,磷酸二羟丙酮,-,磷酸甘油,3,、,苹果酸天冬氨酸穿梭：,苹果酸,苹果酸,草酰乙酸,草酰乙酸,天冬氨酸,天冬氨酸,NADHH,内膜,线粒体内,线粒体外,-,酮戊二酸,NAD,E,1,NAD,NADHH,E,1,E,2,E,2,谷氨酸,-,酮戊二酸,谷氨酸,P,1,P,2,苹果酸脱氢酶,苹果酸脱氢酶,P,3,谷草转氨酶,谷草转氨酶,ATP,、,ADP,和,Pi,的转运,：,第四节,其他生物氧化体系,The Others Oxidation Enzyme Systems,一、需氧脱氢酶和氧化酶,二、过氧化物酶体中的酶类,（一）过氧化氢酶,(catalase),又称触酶，其辅基含,4,个血红素,2H,2,O,2,2H,2,O,+,O,2,过氧化氢酶,（二）过氧化物酶,(,perioxidase,),以血红素为辅基，催化,H,2,O,2,直接氧化酚类或胺类化合物,R +,H,2,O,2,RO +,H,2,O,RH,2,+,H,2,O,2,R + 2,H,2,O,过氧化物酶,过氧化物酶,反应氧族,超氧离子,(O,2,),、,H,2,O,2,、,羟自由基,(,OH),的统称。,三、超氧化物歧化酶,2O,2,+ 2H,+,SOD,H,2,O,2,+ O,2,H,2,O,+,O,2,过氧化氢酶,SOD,：,超氧化物歧化酶,(superoxide dismutase),谷胱甘肽过氧化物酶,H,2,O,2,(,ROOH),H,2,O,(ROH+H,2,O),2G,SH,G,S,S,G,NADP,+,NADPH+H,+,*,此类酶可保护生物膜及血红蛋白免遭损伤,谷胱甘肽还原酶,含硒的谷胱甘肽过氧化物酶,四、微粒体中的酶类,（一）加单氧酶,(monoxygenase),* 催化的反应：,RH + NADPH + H,+,+ O,2,ROH + NADP,+,+ H,2,O,故又称混合功能氧化酶,(,mixed-function,oxidase,),或羟化酶,(,hydroxylase,),。,上述反应需要,细胞色素,P,450,(,Cyt,P,450,),参与。,目 录,（二）加双氧酶,此酶催化氧分子中的,2,个氧原子加到底物中带双键的,2,个碳原子上。,例 如：,(O,2,),色氨酸吡咯酶,