第六章新陳代謝總論和生物氧化

1、Charpter 6 metabolism outline and biologic oxidation,一 Metabolism outline,（一） definition,新陳代謝,,anabolism（同化作用）,catabolism（異化作用）,,生物小分子合成為生物大分子,需要能量,,釋放能量,生物大分子分解為生物小分子,,能量代謝,,物質(zhì)代謝,Common characteristics of metab

2、olism reactions：,1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。,2. 諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。,3. 對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。,（二） research methonds,1. 活體內(nèi)(in vivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(in vitro),2. 同位素示蹤 isotopic tracing,3. 代謝途徑阻斷 blocking up,（三） thermodynamic law,Free energy：生物體（或恒溫恒壓）用以作

3、功的能量。在沒有作功條件時(shí)，自由能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軉适А?熵entropy：混亂度或無序性，是一種無用的能。,ΔG = ΔH - TΔS,對于 A +B ←→ C +D,ΔG°= -2.303RTlgK K=[C][D]/[A][B],（四） 高能化合物energy-rich compound,高能化合物,,磷酸化合物phosphate,非磷酸化合物,,磷氧型,磷氮型,,硫酯鍵化合物,甲硫鍵化合物,,烯醇

4、磷酸化合物,?；姿峄衔?焦磷酸化合物,,二、高能化合物energy-rich compound,磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時(shí)能夠釋放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（?G?’< -21 kJ / mol）的化合物稱為高能化合物。,1,磷氧鍵型（—O~P),(1)?；鵤cyl 磷酸化合物,3-磷酸甘油酸磷酸,乙酰磷酸,10.1

5、千卡/摩爾,11.8千卡/摩爾,氨甲酰磷酸,?；佘账?氨?；佘账?（2）焦磷酸化合物pyrophosphate,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩爾,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸PEP,14.8千卡/摩爾,2, 氮磷鍵型(N~P),磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩爾,7.7千卡/摩爾,這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。,3,硫酯鍵型(C~S),?；o酶A,4, 甲硫鍵型（H3C~S）,S-腺苷甲

6、硫氨酸,ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。,§2、biologic reaction,一、types,1．脫氫dehydrogenization氧化反應(yīng),（1）直接脫氫在生物氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。,烷基脂肪酸fatty acid 脫氫,琥珀酸succinate 脫氫,醇alcohol脫氫,乳酸脫氫酶lactate dehydroge

7、nase,（2）water as reatant,酶催化的醛氧化成酸的反應(yīng)即屬于這一類。,2 oxygen as reactant,加氧酶催化的加氧反應(yīng)和氧化酶催化的生成水的反應(yīng)。 (1), 加氧酶催化氧分子直接加入到有機(jī)分子中。 例如， 甲烷單加氧酶 CH4 + NADH + O2 ?? CH3-OH + NAD+ + H2O (2),氧化酶催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)

8、，反應(yīng)產(chǎn)物為水。各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化的。,3．生成二氧化碳的氧化反應(yīng),（1）直接脫羧作用 羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（2）氧化脫羧作用 有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧,直接脫羧,（α-脫羧）,（Β-脫羧）,氧化脫羧,：在脫羧過程中伴隨著氧化（脫氫）。,二、Characterist

9、ics of BO,1，inside living cell, mild environment。2，protons and electrons are carried and transported to oxygen to produce water,3，energy release step by step and are available。4，ATP are produced,§ 3 mitochondr

10、ia and ATP generation,一、respiratory chain,線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應(yīng)的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當(dāng)受氫體是氧時(shí)，稱為呼吸鏈。,呼吸鏈（電子傳遞鏈electron transport chain）,根據(jù)接受氫的初受體不同，典型的呼吸鏈有兩種：NADH呼

11、吸鏈和FADH2呼吸鏈。,呼吸鏈中傳遞體的順序,MH2,,NADH,-0.32,,FMN,-0.30,,CoQ,+0.10,,b,+0.07,,c1,+0.22,,c,+0.25,,aa3,+0.29,,O2,+0.816,FAD,-0.18,,魚藤酮安密妥,抑制劑：,,抗霉素A,,氰化物，CO，疊氮化合物,FADH2,,NADH?Q reductase complex I,催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。既是脫氫酶，又是還原酶

12、。 含有輔基FMN和鐵硫蛋白。該酶的作用是先與NADH結(jié)合并將NADH上的H 和電子轉(zhuǎn)移給FMN，形成還原型FMNH。還原型FMNH進(jìn)一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。,Components of respiratory chain,Coenzyme Q,電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。又稱泛醌，是脂溶性醌類quinone在呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。,succinate-Q reductase complex II,催化琥珀酸的脫氫氧化

13、和Q的還原。琥珀酸將兩個(gè)高能電子傳遞給Q，再通過QH2-cyt.c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。 活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白iron-sulfur protein。,cytochrome complex III,催化還原型QH2的氧化和細(xì)胞色素c（cyt.c）的還原。 QH2-cyt.c 還原酶 QH2 + 2 cyt.c (Fe3+) ==== Q +

14、 2 cyt.c (Fe2+) + 2H+主要包括細(xì)胞色素b 和c1，鐵硫蛋白（2Fe-2S）。,cytochrome,細(xì)胞色素是一類含有血紅素輔基(heme)的電子傳遞蛋白質(zhì)的總稱. 線粒體呼吸鏈中主要含有細(xì)胞色素a, b, c 和c1 還原型細(xì)胞色素具有明顯的可見光譜吸收。 細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ ? Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的。,細(xì)胞色素c（cyt.c）,電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，了

15、解最透徹的細(xì)胞色素蛋白質(zhì)。在復(fù)合體Ⅲ（細(xì)胞色素還原酶）和復(fù)合體Ⅳ（細(xì)胞色素氧化酶）之間傳遞電子。通過Fe3+ ? Fe2+ 的互變起電子傳遞中間體作用。,cyt.c oxidase complex IV,位于線粒體呼吸鏈末端主要包括cyt.a和a3。,cyt.a和a3組成一個(gè)復(fù)合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。cyt.aa3可以直接以O(shè)2為電子受體。通過電子傳遞將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。,二、 ? E0’ &

16、amp; ?G?’,生物氧化中，氧化與還原偶聯(lián)。 呼吸鏈中，推動(dòng)電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+ / NADH + H+ 和1/2 O2 / H2O兩個(gè)半反應(yīng)之間存在很大的電勢差。(1) ½ O2 + 2 H+ + 2 e- ? H2O E0’ = +0.82 V(2) NAD+ + H+ + 2 e- ? NADH E0’ = -0.322 V 將 (1) 減去

17、(2)，即得 (3) 式：½ O2 + NADH + 2H+ ? H2O + NAD+ E0’ = +1.14 V?G?’ =-nF? E0’ =-2 ? 96500? 1.14 = -220 kJ / mol,三、electron transport & ATP generation,NADH或琥珀酸(兩條呼吸鏈）所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。高能電子傳遞過程的釋

18、能反應(yīng)與ADP和磷酸合成ATP的需能反應(yīng)相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機(jī)制。,1、ATP synthase complex,線粒體內(nèi)膜的表面規(guī)則地排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復(fù)合體，是ATP合成的場所。,ATP酶，含有5種不同的亞基（按3?、3?、1?、1? 和1? 的比例結(jié)合）。是能量轉(zhuǎn)換的通道。與線粒體電子傳遞系統(tǒng)直接連接,2 、oxidative phosphorylation,生物氧化的釋能反應(yīng)與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)合成AT

19、P的過程，稱為氧化磷酸化。根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關(guān)系式，計(jì)算出在NADH氧化過程中（第一條呼吸鏈）， 有三個(gè)反應(yīng)的?G?’ 的絕對值大于30.5 kJ/mol。 FMNH2 ? Q ?G?’ -55.6kJ/mol cyt.b ? cyt.c1 -34.7 kJ/mol cyt.aa3 ? O2 -102.1kJ/mo

20、L 這三個(gè)反應(yīng)分別與ADP的磷酸化反應(yīng)偶聯(lián)，產(chǎn)生3個(gè)ATP。這些反應(yīng)稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸 ? O2只產(chǎn)生2個(gè)ATP（第二條呼吸鏈）.,types of ATP generation,ADP + Pi + 能量 → ATP,AMP + PPi + 能量 →ATP,（1）底物水平磷酸化 substrate level phosphorylation,ATP的形成直接由一個(gè)代謝中間產(chǎn)物上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到ADP分子上的作用。,

21、,推動(dòng)以上反應(yīng)進(jìn)行的兩種方式：,（2）氧化磷酸化,伴隨電子從底物到氧的傳遞，ADP被磷酸化形成ATP的過程。,NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2,3ADP,,3ATP,P/O比值：在氧化磷酸化中，在一定時(shí)間內(nèi)所消耗的氧（以克原子計(jì)）與所產(chǎn)生的ATP數(shù)目的比值。,NADH的P/O=3,FADH2的P/O=2,FADH2,,此外，ATP的形成方式還有光合磷酸化，通過光激發(fā)導(dǎo)致電子傳遞與磷酸化相偶聯(lián)合成ATP的過程,3、

22、coupling mechanism,化學(xué)滲透假說chemical osmosis theory要點(diǎn)1）線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；2） 在電子傳遞鏈中，電子由高能狀態(tài)傳遞到低能狀態(tài)時(shí)釋放出來的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)（膜對H+是不通透的）。這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度 (?pH) 和電位梯度（??）；,3） 在膜內(nèi)外勢能差的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道（ATP酶），跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子

23、跨膜過程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP。,Uncoupling and inhibition 有些物質(zhì)使電子傳遞和ATP形成的這兩個(gè)過程分離，失去它們的緊密聯(lián)系，叫解偶聯(lián)劑（uncouplers）。解偶聯(lián)劑只抑制ATP的形成過程，不抑制電子傳遞過程 如2，4－二硝基苯酚（DNP）、是常見的解偶聯(lián)劑。 解偶聯(lián)劑破壞質(zhì)子跨膜梯度，使電子傳遞釋放的能量不再以ATP的形式貯存起

24、來，而代之以熱的形式釋放出去。電子傳遞失去正常的控制，造成過分地利用氧和燃料底物 氧化磷酸化抑制劑如寡霉素抑制ATP 的形成，也影響電子傳遞。,Oxidation of NADH generated in cytosol,,,Incomplete reduce of oxygen,氧由細(xì)胞色素氧化酶徹底還原需要4個(gè)電子。如果氧發(fā)生不完全還原，就形成氧的自由基 一個(gè)電子使氧還原形成超氧陰離子 O2-. 兩個(gè)