生物化学10-11-12代谢总论能量代谢与生物氧化.ppt
第八章 代谢总论与生物氧化,教学目的和要求：.生物氧化的特点.掌握呼吸链的类型和组成；.弄清呼吸链中电子的传递途径；.理解磷酸偶联作用与ATP的生成。,第一节 代谢总论,一、代谢的概念 活体细胞中所有化学变化的总称，包括物质和能量代谢。二、代谢的研究方法 1、活体内、外实验；2、同位素示踪；3、代谢途径的阻断。三、生物体内能量代谢的基本规律(能量定恒定律)四、高能化合物与ATP的作用（自学）1.高能化合物 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中。,根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：磷氧键型,酰基磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,氮磷键型,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,2.ATP的作用（自学）机械能（运动）分解代谢 ATP 化学能（合成作用）渗透能（分泌、吸收、离子泵 电能（生物电）代谢底物 ADP 热能（维持体温）光能（生物发光）,第二节 生物氧化一、生物氧化概念 有机物在生物体内的氧化包括物质分解和产能,呼吸作用,O2,CO2+H2O,细胞呼吸（微生物）,真核生物的生物氧化在线粒体膜上进行;原核生物的生物氧化在细胞膜上进行。故生物氧化也叫细胞氧化或细胞呼吸。,二、线粒体的膜相结构,三、生物氧化的特点 1.生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，中性pH和常温）。2.氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的 发生。3.水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4.在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。,5.生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6.生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。,生物氧化的本质是电子的得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体在生物体内，它有三种方式：加氧氧化电子转移,四、生物氧化的本质,O2,苯丙氨酸 酪氨酸,脱氢氧化,乳酸脱氢酶,五.生物氧化中CO2的生成 是糖类、脂类、蛋白质等有机物转变成含羧基的化合物进行脱羧反应所致。六.生物氧化中H2O的生成呼吸传递链 底物上的H经脱H反应后，再经呼吸链（电子传递链）的传递，最终传给活化的氧而生成水。1、呼吸链的概念 代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给活化的氧分子，而生成 水的全部体系。也叫电子传递体系或电子传递 链。,线粒体呼吸链,2.呼吸链的类型,3.典型线粒体的呼吸链的组成 由许多个组分组成，参加呼吸链的氧化还原酶有烟酰胺脱氢酶类、黄素脱氢酶类、铁硫蛋白类、细胞色素类、辅酶Q类等。即：烟酰胺脱H酶类：辅酶为NAD+或NADP+黄素脱H酶类：FAD、FMN组成 FeS类：以Fe的价变来传递电子 CoQ 类：为中间传递体，不能从底物上接受H Cyto 类:Cytob、CytoC1、CytoC、Cytoaa3,（1）组成:,（2）排列,NADH：还原型辅它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。,是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用,铁硫蛋白（简写为Fe-S）,NADH Q还原酶（复合物I）特点：最少含有16个多肽亚基。其活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白；作用：是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。既是一种脱氢酶，又是还原酶。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶 NADH+Q+H+=NAD+QH2,NADH泛醌还原酶,（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。,泛醌,特点：是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。作用：是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cyt.c 还原酶 QH2+2 cyt.c(Fe3+)=Q+2 cyt.c(Fe2+)+2H+,泛醌细胞色素c还原酶（复合物III）,特点：含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同类型：线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。作用：通过Fe3+Fe2+的互变传递电子。,*细胞色素（cyto）,是一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。通过 Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。,细胞色素c（cyt.c）,位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合物，由12个多肽亚基组成。活性部分主要包括cytoa和a3。,细胞色素c氧化酶（复合物IV）,cytoa和a3组成一个复合体，除了含有铁卟啉外，还含有铜原子。cytoa a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中，分子中的铜离子可以发生 Cu+Cu2+的互变，将cyt.c所携带的电子传递给O2。,存在部位：线粒体内膜上的蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶的结构简单，由4个不同的多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD和铁硫蛋白。作用：催化琥珀酸的脱氢氧化和Q的还原。,琥珀酸-Q还原酶(复合物II),3.作用(1)接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，(2)传递电子给氧分子，形成氧负离子；（3）使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。（4）电子对在传递过程中逐步氧化放能，驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。,七、能量的生成（即生成ATP）,底物上脱下的氢，经呼吸链的传递，其能量逐渐释放出来，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化生成ATP的方式转移至高能磷酸化合物中。底物水平磷酸化 生成ATP的方式主要有 电子传递体系磷酸化 光合磷酸化 1、底物水平磷酸化 在被氧化的底物上发生磷酸化作用：X P+ADP ATP+X*是红细胞或酵解作用下获取能量的主要方式。2、电子传递体系磷酸化（用P/O来研究）P/O：每消耗1mol 氧原子所需消耗无机磷的mol 数。,底物水平磷酸化是在被氧化的底物上发生磷酸化作用。即底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。电子传递体系磷酸化是指当电子从NADH或FADH2经过电子传递体系(呼吸链)传递给氧形成水时，同时伴有ADP磷酸化为ATP的全过程。通常所说的氧化磷酸化是指电子传递体系磷酸化。,最常用的方法是测定线粒体或其制剂存在时的P/O比值和电化学实验。P/O比值：指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。根据所消耗的无机磷酸摩尔数，可间接测出ATP生成量。实验指出NADH呼吸链的P/O值是3，即每消耗一摩尔氧原子就可形成3摩尔ATP，FADH2呼吸链的P/O值是2，即消耗一摩尔氧原子可形成2摩尔ATP。,(1)ATP产生的数量,ATP产生的部位都是有大的电位差变化的地方，例如，NADH呼吸链生成ATP的三个部位是：E0值在此三个部位有大的“跳动”，都在0.2伏以上。,(2)ATP产生的部位,氧化与磷酸化作用如何耦联尚不够清楚，目前主要有三个学说：化学耦联学说、结构耦联学说与化学渗透学说，化学渗透学说的主要论点呼吸链存在于线粒体内膜之上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵作用，质子被泵出线粒体内膜之外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP与Pi合成ATP。,(3)氧化磷酸化生成ATP的机理,ATP合酶复合体由头部（CF1）和柄部（CF0）组成。其中CF1在膜的表面，CF0伸入膜内，CF1由3、3、）组成，CF0由a、b、b、c12,B.Molecular basis of phosphorylation:ATP synthase,The structure of the ATP synthase,F1 particle is the catalytic subunit;The F0 particle attaches to F1 and is embedded in the inner membrane.,F1:5 subunits in the ratio 3:3:1:1:1,F0:1a：2b：12c,Summary of the major activities during aerobic respiration in a mitochondrion,NADHO2:3ATP/2e;FADH2 O2:2ATP/2e,（4）.线粒体外的氧化磷酸化（胞液中NADH的氧化磷酸化）,首先要穿梭进入线粒体内，再按上法完成氧化磷酸化，其穿梭的方法有两种：a.-磷酸甘油磷酸二羟丙酮 穿梭 胞液中1molNADH经此穿梭进入线粒体后，变成1mol FADH2，经呼吸链后要少生成1molATP。b.苹果酸天冬氨酸穿梭（主要在肝、肾和心脏组织的细胞中）1molNADH经此穿梭后，在线粒体内仍转为 1molNADH。c.异柠檬酸-酮戊二酸穿梭,a.抑制剂 电子传递链：阿的平，阿米妥（戊巴比妥）；抗霉素A；CO、CN、N3 抑制ATP合成：b.解偶联剂（uncouplers）2,4-二硝基苯酚（2,4-dinitrophenol DNP）,(5)氧化磷酸化的抑制剂和解偶联剂,本章小结,生物氧化的概念与作用NADH，FADH2的彻底氧化呼吸链（电子传递链）磷酸化,组成与存在位点，作用机制，抑制剂,底物水平磷酸化，氧化磷酸化，ATP产生底数量与位置，解偶联剂,在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵)，有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。,2.无氧氧化,3.有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体，可将燃料分子完全氧化分解，这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。,四、NADH和FADH2的彻底氧化（末端电子传递链）,1.在生物体内NADH和FADH2的彻底氧化可以产生大量的能量，这一过程是通过呼吸链来完成的。,(1)概念及位置呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链，它是代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧原子，而生成水的全部体系。在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。,2.呼吸链respiratory chain(电子传递链 electron transport chain),
