陈代谢总论课件

第七章第七章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化蛋白质蛋白质核酸核酸多糖多糖脂类脂类氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸单糖单糖甘油甘油脂肪酸脂肪酸葡萄糖葡萄糖甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A三羧酸循环三羧酸循环CO2电子传递体还原型电子传递体还原型(NADH, FADH2)电子传递体氧化型电子传递体氧化型(NAD+, FAD)糖糖酵酵解解糖糖异异生生NH3氧化磷酸化氧化磷酸化和电子传递和电子传递ADPATPO2H2O光能光能分解途径分解途径合成途径合成途径电子流电子流e-第七章第七章 新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论一、新陈代谢总论 新陈代谢的概念新陈代谢的概念 新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法 生物体内能量代谢的基本规律生物体内能量代谢的基本规律 高能化合物与高能化合物与ATP的作用的作用二、生物氧化二、生物氧化 特点特点 二氧化碳的生成二氧化碳的生成 水的生成水的生成 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用新陈代谢总论新陈代谢总论概念概念 新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程与能量交换的全过程 新陈代谢包括合成代谢新陈代谢包括合成代谢( (同化作用同化作用) )和分解和分解代谢代谢( (异化作用异化作用), ), 前者是吸能反应前者是吸能反应, , 后者后者是放能反应是放能反应 生物体内的绝大多数反应是在温和的条件生物体内的绝大多数反应是在温和的条件下下, , 由酶所催化进行的由酶所催化进行的 新陈代谢过程包括营养物质的消化吸收、新陈代谢过程包括营养物质的消化吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段合成代谢与分解代谢的关系合成代谢与分解代谢的关系 分解代谢与合成代谢是相互联系、相互依分解代谢与合成代谢是相互联系、相互依存和相互制约的存和相互制约的 分解代谢不是合成代谢的简单逆过程，反分解代谢不是合成代谢的简单逆过程，反之亦然，往往不是所用的酶不同，就是反之亦然，往往不是所用的酶不同，就是反应的场所不同，例如脂肪酸合成是在细胞应的场所不同，例如脂肪酸合成是在细胞质中进行的，而脂肪酸分解是在线粒体中质中进行的，而脂肪酸分解是在线粒体中进行的进行的研究方法研究方法-活体内与活体外实验活体内与活体外实验活体内活体内(in vivo)(in vivo)：在正常的生理条件下用在正常的生理条件下用完整的生物体完整的生物体实验，结果比较接近生物体实验，结果比较接近生物体的实际，如的实际，如对对脂肪酸的脂肪酸的- -氧化的研究氧化的研究活体外活体外(in vitro)(in vitro)实验：实验：从生物体分离出从生物体分离出来的组织切片，或体外培养的细胞、细胞来的组织切片，或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物研究代谢过程器及细胞抽提物研究代谢过程，如对糖酵，如对糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等过程的研解、三羧酸循环、氧化磷酸化等过程的研究究生物化学研究中常用放射性同位素生物化学研究中常用放射性同位素元素元素平均原子量平均原子量同位素同位素射线形射线形式式半衰期半衰期HCNaPSI1.0112.122.9930.9732.06126.903H14C24Na32P35S131I, , 12.1a5700a15h14.3d87.1d8d研究方法研究方法-同位素示踪同位素示踪NNNNNH2OOHOHHHHPOOOO-NNNNNH2OOHOHHHHPOOO-P*-OOO-P* = 32P研究方法研究方法-代谢途径阻断法代谢途径阻断法用用抗代谢物或酶的抑制剂来阻抑中间抗代谢物或酶的抑制剂来阻抑中间代谢的某一环节，观察这些反应被抑代谢的某一环节，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，以推测代谢情制或改变以后的结果，以推测代谢情况况通过通过应用药物引起实验动物代谢异常，应用药物引起实验动物代谢异常，来进行代谢研究，如用根皮苷毒害狗来进行代谢研究，如用根皮苷毒害狗的肾小管，使之不能吸收葡萄糖，用的肾小管，使之不能吸收葡萄糖，用于糖尿病的研究于糖尿病的研究能量代谢的基本规律能量代谢的基本规律 生物体内的能量代谢遵循热力学定律生物体内的能量代谢遵循热力学定律, 包括热力包括热力学第一定律学第一定律(能量守恒定律能量守恒定律)和热力学第二定律和热力学第二定律 在恒温恒压条件在恒温恒压条件(生物体系内生物体系内)下下, 自由能变化自由能变化G、总热能变化总热能变化H、总体熵的改变、总体熵的改变S，三者关系：，三者关系： G = H- TS G0时，反应不能自发进行（时，反应不能自发进行（吸吸能反应）能反应） G=0时，体系处于平衡态时，体系处于平衡态 标准自由能变化标准自由能变化G：25 C, 1 atm, 反应物反应物浓度浓度1mol/L时，反应体系自由能变化；生物体时，反应体系自由能变化；生物体内的标准自由能变化内的标准自由能变化G：pH 7 G = - 2.303RTlgK高能化合物高能化合物 高能化合物高能化合物生物体内随水解反应或基团生物体内随水解反应或基团转移反应可放出大量自由能的化合物，转移反应可放出大量自由能的化合物， 高能化合物一般对酸、碱和热不稳定高能化合物一般对酸、碱和热不稳定 生物体内常见的是高能磷酸化合物，此外生物体内常见的是高能磷酸化合物，此外还包括一些硫酯型、甲硫型等化合物还包括一些硫酯型、甲硫型等化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物（磷氧型磷氧型） 高能磷酸化合物（磷氮型）高能磷酸化合物（磷氮型）高能非磷酸化合物高能非磷酸化合物ATP水解释放的能量水解释放的能量ATPATP的作用（的作用（1 1） 从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮从低等的单细胞生物到高等的人类，能量的释放、贮存和利用都是以存和利用都是以ATPATP为中心的为中心的 ATPATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂，利用是生物细胞内能量代谢的偶联剂，利用ATPATP水解释水解释放的自由能可以驱动各种需能的生命活动放的自由能可以驱动各种需能的生命活动 ATPATP是能量的携带者或传递者，严格说不是能量的贮存是能量的携带者或传递者，严格说不是能量的贮存者者肌酸磷酸激酶肌酸 肌酸磷酸CNHNH2NCH3CH2COOHATP +CNHHNNCH3CH2COOHADP +PATP的作用（的作用（2）分解代谢分解代谢（氧化作用）（氧化作用）机械能（运动）机械能（运动）化学能（合成作用）化学能（合成作用）渗透能（钠泵）渗透能（钠泵）电能（生物电）电能（生物电）热能（体温维持）热能（体温维持）光能（生物发光光能（生物发光）ATPADP蛋白质蛋白质核酸核酸多糖多糖脂类脂类氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸单糖单糖甘油甘油脂肪酸脂肪酸葡萄糖葡萄糖甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶乙酰辅酶A三羧酸循环三羧酸循环CO2电子传递体还原型电子传递体还原型(NADH, FADH2)电子传递体氧化型电子传递体氧化型(NAD+, FAD)糖糖酵酵解解糖糖异异生生NH3氧化磷酸化氧化磷酸化和电子传递和电子传递ADPATPO2H2O光能光能分解途径分解途径合成途径合成途径电子流电子流e-生物氧化形式生物氧化形式 直接进行电子转移直接进行电子转移 氢原子的转移氢原子的转移 有机还原剂直接加氧有机还原剂直接加氧AH2 + BA + BH2RH + O2 + 2H+ + 2eROH + H2OFe2+ + Cu2+Fe3+ + Cu+生物氧化的特点生物氧化的特点 生物氧化发生在温和的条件下，采取逐步生物氧化发生在温和的条件下，采取逐步释放能量的策略，并将释放的能量先贮存释放能量的策略，并将释放的能量先贮存在一些高能化合物如在一些高能化合物如ATPATP中中 多数生物氧化不直接从底物转移电子到氧多数生物氧化不直接从底物转移电子到氧上，而是采取多级传递的方式上，而是采取多级传递的方式 在真核生物细胞内，生物在真核生物细胞内，生物氧化氧化是在线粒体是在线粒体内进行的；在不含线粒体的原核生物如细内进行的；在不含线粒体的原核生物如细菌细胞内，生物氧化则在细胞菌细胞内，生物氧化则在细胞膜膜上进行上进行生物氧化中二氧化碳的生成生物氧化中二氧化碳的生成 生物氧化中生物氧化中COCO2 2的生成是由于糖、脂类、蛋白质等有的生成是由于糖、脂类、蛋白质等有机物转变成含羰基的化合物进行脱羧反应所致机物转变成含羰基的化合物进行脱羧反应所致直直接接脱脱羧羧氧化脱羧氧化脱羧H+ +CCOO-CH2COO-OCCOO-CH3O+ CO2HCNH3COO-RH2CNH2R+ CO2H+ +CH2COO-CHOHCOO-CCOO-CH3O+ CO2 + NADPH + H+ NADP+丙酮酸羧化酶苹果酸酶生物氧化中水的生成生物氧化中水的生成氧化型氧化型还原型还原型一个或多个传递体一个或多个传递体M2HMH2O1/2O2 脱氢酶脱氢酶 氧化酶氧化酶呼吸链呼吸链NADH、FADH2呼吸链呼吸链NAD+NADHFMNH2FMNCoQCoQH22Fe2+2Fe3+1/2O2O2-MH2MFADFADH2CoQCoQH22Fe2+2Fe3+1/2O2O2-Fe-SFe-S2H+2H+H2OH2Ob-c1-c-aa3b-c1-c-aa3细胞色素细胞色素还原型代谢物CHCOO-CHCOO-CH2COO-CH2COO-琥珀酸延胡索酸代谢物上的氢原子被脱氢酶激活后，经过一代谢物上的氢原子被脱氢酶激活后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，系列的传递体，最后传递给被激活的氧分子，而生成水的全部过程称为呼吸链而生成水的全部过程称为呼吸链呼吸链的组成 烟酰胺脱氢酶类烟酰胺脱氢酶类NAD+ + 2H+ + 2e NADH + H+NADP+ + 2H+ + 2e NADH + H+NNRCONH2HHCONH2R+ H+2H-2H呼吸链的组成呼吸链的组成 黄素脱氢酶类黄素脱氢酶类HNNNNCH3CH3OORHNNNHNCH3CH3O-ORHNNNNCH3CH3O-ORHNNHNHNCH3CH3OORH+ e-H+ e-H+H+2 H+ e-2 H+ e-H+ e-H+ e-Oxidized flavin (FMN or FAD) max= 450 nm (yellow) max= 560 nm(blue) max= 490 nm (red)FMNH2or FADH2(colorless)呼吸链的组成呼吸链的组成 铁硫蛋白类（铁硫蛋白类（Fe-S)Fe-S)：活性部分含有两个活泼的：活性部分含有两个活泼的硫和两个铁原子，常与黄素酶或细胞色素结合硫和两个铁原子，常与黄素酶或细胞色素结合而成复合物而成复合物呼吸链的组成 辅酶辅酶Q Q类类OOCH3H3COH3CO(CH2CHCCH3CH2)nHOHOHCH3H3COH3CO(CH2CH CCH3CH2)nH+2H-2HOOHCH3H3COH3CO(CH2CHCCH3CH2)nHH+ + eH+ + e呼吸链的组成呼吸链的组成 细胞色素类细胞色素类-以铁卟啉以铁卟啉为辅基的蛋白质为辅基的蛋白质NFeNNNCHHCHCCHCH3CHCH3SCH3CH2CH2COO-CH2CH2-OOCH3CCH3HCCH3SCH2CHCHNOCH2CHCHNO蛋白质蛋白质血红素血红素细胞色素细胞色素c和和c1呼吸链的组成呼吸链的组成 细胞色素类细胞色素类NFeNNNCHHCHCCHCH3CHCH2CH3CH2CH2COO-CH2CH2-OOCCCH3HCOHCH2CH2CHCCH2HCH33OH血红素血红素A细胞色素细胞色素a和和a3若干物质的氧化还原电位若干物质的氧化还原电位反应系反应系氧化还原电位氧化还原电位(E0)(pH 7.0, 30 C)1/2O2 + 2H+ + 2e H2OFe3+ + e Fe2+细胞色素细胞色素a3Fe2+ + e 细胞色素细胞色素a3Fe2+细胞色素细胞色素aFe2+ + e 细胞色素细胞色素aFe2+细胞色素细胞色素cFe2+ + e 细胞色素细胞色素cFe2+细胞色素细胞色素c1Fe2+ + e 细胞色素细胞色素c1Fe2+辅酶辅酶Q + 2H + 2e 辅酶辅酶QH2细胞色素细胞色素bFe2+ + e 细胞色素细胞色素bFe2+延胡索酸延胡索酸 + 2H + 2e 琥珀酸琥珀酸FMN + 2H+ + 2e FMNH2FAD + 2H+ + 2e FADH2草酰乙酸草酰乙酸 + 2H+ + 2e 苹果酸苹果酸丙酮酸丙酮酸 + 2H+ + 2e 乳酸乳酸甘油酸甘油酸-1, 3-二磷酸二磷酸 + 2H+ + 2e 甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸+PiNAD+ + 2H+ + 2e NADHNADP+ + 2H+ + 2e NADPHH+ + e 1/2H2铁氧还蛋白铁氧还蛋白Fe3+ + e 铁氧还蛋白铁氧还蛋白Fe2+乙酸乙酸 + 2H+ + 2e 乙醛乙醛+0.816+0.771+0.39+0.29+0.25+0.22+0.10+0.07+0.031-0.3-0.18-0.102-0.190-0.290-0.320-0.324-0.420-0.39 -0.49-0.60呼吸链中传递体的顺序呼吸链中传递体的顺序氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一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如酸化作用转移至高能磷酸化合物如ATPATP等等中中 氧化磷酸化可分为底物水平磷酸化及电子氧化磷酸化可分为底物水平磷酸化及电子传递体系磷酸化传递体系磷酸化底物水平磷酸化底物水平磷酸化 被氧化的底物上发生磷酸化作用，是捕获能量被氧化的底物上发生磷酸化作用，是捕获能量的一种方式。随后会转移至的一种方式。随后会转移至ADP，生成，生成ATPG = +6.3 kJ/molCCHOCH2OOHHPD-甘油醛-3-磷酸NAD+, Pi-NADH, -H+CCOOCH2OOHHPP甘油酸-1,3-二磷酸甘油醛-3-磷酸脱氢酶G = -18.8 kJ/mol甘油酸-1,3-二磷酸ATPCCOOCH2OOHHPPCCOO-CH2OOHHP+Mg2+ADP甘油酸磷酸激酶甘油酸-3-磷酸电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化 当电子从当电子从NADHNADH或或FADHFADH2 2经过电子传递体系经过电子传递体系（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有（呼吸链）传递给氧形成水时，同时伴有ADPADP磷酸化为磷酸化为ATPATP，其全过程称为电子传递，其全过程称为电子传递体系磷酸化体系磷酸化 电子传递体系磷酸化是生成电子传递体系磷酸化是生成ATPATP的一种主的一种主要方式，是生物体能量转移的主要环节要方式，是生物体能量转移的主要环节电子传递体系磷酸化电子传递体系磷酸化P/OP/O比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数比值是指每消耗一摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数NADHNADH呼吸链的呼吸链的P/OP/O值是值是3 3，FADHFADH2 2呼吸链的呼吸链的P/OP/O值是值是2 2NADHFMNCoQ bc1caa3O2PPP3ADP3ATPE0 -0.32 -0.30 0.1 0.07 0.22 0.25 0.29 0.39 0.82胞液中胞液中NADHNADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸 甘油甘油- - -磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸 甘油甘油- - -磷酸磷酸线线粒粒体体内内膜膜胞液中脱氢酶胞液中脱氢酶线粒体中脱氢酶线粒体中脱氢酶NADHNAD+FADH2FADNADHFMNCoQ bc1caa3O212氧化磷酸化作用机制氧化磷酸化作用机制 英国英国P. MitchellP. Mitchell于于19611961年提出了化学渗年提出了化学渗透学说透学说 化学渗透学说化学渗透学说要点要点：呼吸呼吸链存在于线粒体链存在于线粒体内膜上，当氧化进行时，呼吸链起质子泵内膜上，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外侧，造成作用，质子被泵出线粒体内膜外侧，造成了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，从而了膜内外两侧间跨膜的化学电位差，从而被膜上被膜上ATPATP合成酶所利用，由合成酶所利用，由ADPADP和和PiPi合成合成出出ATPATP呼吸链呼吸链-电子传递复合物电子传递复合物呼吸链呼吸链-质子泵质子泵