代谢总论和生物氧化.ppt

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1、代谢总论与生物氧化,第一节 新陈代谢的有关概念,新陈代谢(metabolism)又称为代谢，是指生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变化的总称。生物体的一切生理现象，如生长、发育、繁殖、呼吸等等，都是代谢反应的结果。新陈代谢是生命最基本的特征，一旦代谢停止，生命也就结束了。,新陈代谢,合成代谢（同化作用）,分解代谢（异化作用）,能量代谢,物质代谢,生长旺盛时：合成代谢分解代谢成长的生物：合成代谢分解代谢衰老或饥饿：合成代谢分解代谢,能量代谢 研究光能或化学能在细胞中向生物能(ATP)转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。,物质代谢 糖、脂、蛋白质及核酸等类物质在

2、细胞内发生酶促转化的途径及调控机理，包括细胞自身旧分子的分解和新分子的合成。,合成代谢 合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等。,分解代谢 分解代谢是代谢作用的分解过程，是有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、CO2和NH3等）的过程。,代谢作用中的能量关系,分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和还原的电子载体（NADH、NADPH、FADH2），其余的作为热量散失。合成代谢需要获得能量，通常需要ATP分子磷酸酯键的转移和还原型辅酶（NADH、NADPH和FADH2）供应还原力。,代谢途径 细胞中由相关酶类组成的完成特

3、定代谢功能的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。,S,A,B,D,C,P,e1,e2,e3,e4,e5,代谢作用的特点,代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序性。代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所催化。代谢作用具有高度灵敏的自我调节。整体水平上，主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节；细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现；分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现。,生物的营养类型,自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源的不同，生物可分为两大类型：自养生物(Autotrophs)

4、：可利用大气中的CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。,第二节 中间代谢的实验研究方法,1.研究材料：单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体2.研究水平：体内研究（in vivo）：用生物体、组织器官或微 生物群体研究。体外研究（in vitro）：用组织切片、匀浆、提取 液等研究。,核糖体，微粒体，高尔基体,线粒体，溶酶体等,细胞核，未破碎细胞,组织匀浆,600g10min,15,000g5min,100,000g60min,1.代谢平衡实验

5、通过体内实验研究代谢物摄入和产物排出的平衡关系。例如测定呼吸商可判断体内能量来源。,研究代谢途径的方法,R.O.,=,产CO2量（L）,耗O2量（L）,糖、脂、蛋白质等营养物质在体内氧化分解需要消耗O2，放出CO2，CO2与O2的体积比称为呼吸商。,R.O.,糖类,1,脂肪,0.7,蛋白质,0.8,正常代谢,三大营养物质,能量来源,饥饿状态,脂肪、蛋白质,糖尿病人,0.7,脂肪,2.代谢障碍实验 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析。若造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于探讨代谢途径历程。,造成微生物营养缺陷型 使用抗代谢物 使用专一性抑制剂抑制酶活,

6、3.代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。,同位素示踪法：常用稳定同位素：2H、15N、13C、18O常用放射性同位素：3H、32P、14C,4.测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。,糖代谢途径的特征性酶：EMP途径：醛缩酶 HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA循环：柠檬酸合成酶,第三节 生物氧化 Biological Oxidation,一、概念 物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放

7、能量、最终生成二氧化碳和水的过程。,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化反应的一般规律。物质在体内、体外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2、H2O）和释放的能量均相同。,二、生物氧化的特点,生物氧化与体外氧化的相同点：,生物氧化与体外氧化的不同点：,生物氧化中CO2的生成方式：有机酸脱羧,单纯脱羧,-单纯脱羧,-单纯脱羧,氧化脱羧,-氧化脱羧,-氧化脱羧,生物氧化中物质氧化的方式：,加氧,RCHO+1/2O2 RCOOH,脱氢,RCH2OH RCHO,-2H,加水脱氢,CH3CHO CH3COOH,+H2O,-2H,失电子,Fe2+Fe3+,-e,三、生物氧化的一般过程,糖

8、原,三酰甘油,蛋白质,乙酰CoA,TAC,CO2,2H,呼吸链,H2O,ADP+Pi,ATP,线粒体的结构：,（一）呼吸链（respiratory chain)概念：（1）代谢脱下的成对氢原子（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；（2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶递氢体 传递电子的酶和辅酶递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，统称电 子传递体，该链又称电子传递链。,四、生成ATP的氧化体系,呼吸链中的组成:,复合体复合体 复合体 复合体复合体,酶名称NADH-CoQ还原酶琥珀酸-C

9、oQ还原酶CoQ-CytC 还原酶CytC 氧化酶,辅基 FMN，Fe-S FAD，Fe-S 铁卜啉，Fe-S 铁卜啉，Cu,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,（1）复合物 NADH-CoQ 还原酶,结合铁硫蛋白的,辅基为FMN的黄素蛋白，42条肽链，850kD.结合NADH,并将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.,NAD+与NADP+的结构：,NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶INADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶II,R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+,H+e,FMN,（1）复合物 NADH-Q 还原酶,Fe-S辅基的铁硫簇含有等量的铁原

10、子和硫原子,Fe2S2,Fe4S4,Fe4S4,作用：Fe2+Fe3+e 单电子传递,泛醌（ubiquinone）亦称辅酶Q（Coenzyme Q,CoQ）人体中：CoQ10A、结构 1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子 载体（无蛋白）,NADH+H+,NAD+,FMN,FMNH2,Fe3+,Fe2+,Q,QH2,NADH,FMN,Fe-S,Q,复合体传递电子的过程：,NADH+H+,NAD+,2e-,FMN,2H+,Fe-S,N-2,Q,QH2,2H+,（2）复合物 琥珀酸-泛醌还原酶,即琥珀酸脱氢酶.至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁

11、硫蛋白及细胞色素b560.其作用是催化电子从琥珀酸转至CoQ，但不转移质子。,细胞色素cytochrome,CytA、结构：一类含铁卟啉辅基的色素蛋白B、分类:Cyta:Cytaa3 Cytb:Cytb562、Cytb566、Cytb560 Cytc:Cytc、c1C、区别：铁卟啉辅基侧链不同铁卟啉辅基与酶蛋白 连接方式不同,细胞色素c,CytFe3+e CytFe2+,（3）复合物 CoQ-cytc还原酶,即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对

12、电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。,b566b562Fe-Sc1,QH2,Cytc,Cytc呈水溶性与线粒体内膜外表面结合不紧密易与线粒体内膜分离,复合体传递电子的过程,Cytc1,Fe-S,bL,bH,Cytc,QH2,Q,QH2的第一次氧化,QH2的第二次氧化,Q,Q,2H+,Cytc1,Fe-S,bL,bH,Cytc,QH2,Q,Q,2H+,QH2,2H+,e-,e-,e-,e-,（4）复合物 Cytc 氧化酶,每个单体由至少13条不同的肽链组成，分为三个亚单位：I包含两个细胞色素（a、a3）和一个铜蛋白(CuB);包含两个铜离子(CuA)构成的双核中心，其结构与2Fe-2S相

13、似;的功能尚不了解。Cu2+e Cu+,CuA a a3 CuB,Cyt c,O2,NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2,琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2,NADH氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,总反应,或,进一步:,呼吸链中电子传递体的排列顺序的确定：,利用脱氧胆酸处理线粒体内膜，分离出呼吸链的4种复合物、辅酶Q、细胞色素C及ATP合酶。根据标准氧还电位E0的高低排列根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测利用阻断剂研究分析四种复合物的电子传递再造实验,三、氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）,概念：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸

14、化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式。,反应 ADP+Pi ATP+H2O 为什么需要偶联?,ATP是比ADP与Pi能量更高的化合物。由ADP与Pi反应生成ATP是非自发过程，需要获得能量才能进行。,ADP+Pi,ATP+H2O,30.5kJ/mol,能量升高,反应能级图,呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化？,什么是P/O比？其值有何意义？,-物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数（或ADP mol数），或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.,ATP合成酶,氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联学说、构象偶联学说及化学渗透

15、学说。目前公认度较大的是化学渗透学说。,呼吸链的氧化与ADP的磷酸化是怎样偶联的？,19611978,化学渗透学说：电子传递过程中，电子传递链起到质子泵的作用，将H+从线粒体内膜基质泵至线粒体内外膜间隙侧，造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度，形成了膜电位，这是推动ATP合成的原动力。当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质子流进入ATP合成酶通道流回基质侧，释放的自由能带动ATP合成酶运转，合成ATP。,影响氧化磷酸化的因素,(1)、抑制剂呼吸链抑制剂 阻断呼吸链的电子传递。解偶联剂破坏内膜两侧的电化学梯度，使氧化与磷酸化的偶联脱离。如：解偶联蛋白、2,4-二硝基苯酚。氧化磷酸化抑制剂如寡霉素，

16、在合酶中抑制质子回流，从而抑制的磷酸化。,呼吸链抑制剂的阻断位点,鱼藤酮粉蝶霉素安密妥,抗霉素,CO、CN-、N3-及,ADP+Pi,ATP+H2O,解偶联蛋白,解偶联作用机制,热,寡霉素的抑制作用,阻止质子从F0质子通道回流。,(2)ADP的调节作用(3)甲状腺激素(4)线粒体DNA突变,五、生物氧化的生物学意义,代谢物,分解氧化,CO2 H2O,能,热能（散发）,化学能（储能）,ATP,ADP,Pi,C,CP,+,能,机械能（肌肉收缩）化学能（合成代谢）渗透能（吸收分泌）电能（神经传导生物电）热能（维持体温）等,ATP的生成和利用,高能键转移,ATP+,UDPCDPGDP,ADP+,UTP（糖原合成）CTP（磷脂合成）GTP（蛋白质合成）,磷酸肌酸的生成,H2N+C-NH2 H3C-N CH2 COO-,H2N+H O C-NP-OHH3C-N OH CH2 COO-,肌酸激酶,肌酸,磷酸肌酸（CP）,ATP,ADP,肌肉和脑组织中能量的贮存形式,