新陳代謝概述與生物能學(xué)

1、第七章 代謝總論與生物氧化學(xué)習(xí)導(dǎo)航第一節(jié) 代謝總論第二節(jié) 生物氧化第一節(jié) 代謝總論一、有關(guān)概念二、新陳代謝的特點(diǎn)與調(diào)節(jié)一、有關(guān)概念1.新陳代謝(簡稱代謝 ) 營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學(xué)變化的總稱。 實(shí)質(zhì)：錯(cuò)綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)相互配合，彼此協(xié)調(diào)，對(duì)周圍環(huán)境高度適應(yīng)而成的一個(gè)有規(guī)律的總過程。新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（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 同一種物質(zhì)，分解代謝和合成代謝途徑一般是不同。 使代謝增加了靈活性和應(yīng)變能力。 其過程是高度協(xié)調(diào)、高度整合。能量代謝2.代謝過程：消化吸收、中間代謝及代謝產(chǎn)物的排泄。

2、(底物、中間產(chǎn)物(代謝物 )和最終產(chǎn)物)3.主要代謝途徑 具有共同規(guī)律的途徑，在生物界具有相當(dāng)普遍性。4.新陳代謝的功能 獲得營養(yǎng)；轉(zhuǎn)變?yōu)樵唤M成大分子；形成或分解生物分子；提供所需能量。二、新陳代謝的特點(diǎn)與調(diào)節(jié)1、特點(diǎn)2、新陳代謝的調(diào)節(jié)在溫和條件下進(jìn)行(由酶催化)；步驟繁多、彼此協(xié)調(diào)，逐步進(jìn)行，有嚴(yán)格順序性；各代謝途徑相互交接 ，形成物質(zhì)與能量的網(wǎng)絡(luò)化交流系統(tǒng)。精密的調(diào)控機(jī)制保證機(jī)體最經(jīng)濟(jì)地利用物質(zhì)和能量。各代謝途徑之間存在許多重復(fù)出現(xiàn)的基元(通用活化載體).1、特點(diǎn)2、新陳代謝的調(diào)節(jié) 分子水平、細(xì)胞水平和整體水平?；虮磉_(dá)的調(diào)控。 主要有三個(gè)環(huán)節(jié)： 酶量的調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)錄水平） 酶活性的調(diào)節(jié)（

3、變構(gòu)、共價(jià)） 反應(yīng)底物的調(diào)節(jié)第二節(jié) 生物氧化一、概念二、特點(diǎn)與方式三、高能化合物四、呼吸鏈五、氧化磷酸化糖 脂肪 蛋白質(zhì) CO2和H2O O2能量ADP+PiATP熱能一、生物氧化的概念 糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化。其實(shí)質(zhì)是需氧細(xì)胞在呼吸代謝過程中所進(jìn)行的一系列氧化還原反應(yīng)過程。二、 生物氧化的特點(diǎn)和方式 特點(diǎn) 生物氧化過程中CO2的生成 生物氧化過程中H2O的生成 有機(jī)物在體內(nèi)氧化的一般過程生物氧化的特點(diǎn)在活的細(xì)胞中（pH接近中性、體溫條件下）;有機(jī)物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行;其途徑迂回曲折，有條不紊;

4、 氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機(jī)體所需。CO2的生成 方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脫氫酶系NAD+ NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RH2O的生成 代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。CH3CH2OHCH3CHONAD+ NADH+H+

5、 乙醇脫氫酶例：12 O2NAD+電子傳遞鏈 H2O2eO=2H+糖原 三酯酰甘油 蛋白質(zhì) 葡萄糖 脂肪酸+甘油 氨基酸 乙酰CoA TCA 2H 呼吸鏈 H2O ADP+Pi ATP CO2 生物氧化的一般過程三、高能化合物1、高能化合物的類型 2、ATP的形成與特殊作用 生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。高能化合物類型ATP的特點(diǎn) 在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩爾）。腺嘌呤核糖 O P O P

6、O P O-OOOO-O-O-+Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1ATP的形成與作用ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸機(jī)械能-運(yùn)動(dòng)化學(xué)能-合成滲透能-分泌吸收電能-生物電熱能-體溫光能-生物發(fā)光ATP是生物系統(tǒng)能量交換的中心熒火蟲ATP的特殊作用一般情況下，ATP將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移給肌酸生成磷酸肌酸將能量貯存起來。磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。磷酸肌酸與ATP的轉(zhuǎn)換磷酸肌酸、磷酸精氨酸（無脊椎動(dòng)物肌肉中）貯能作用ATP的生成和利用ATP AD

7、P 肌酸 磷酸肌酸 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 P P 機(jī)械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)) 化學(xué)能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)生物體內(nèi)能量的儲(chǔ)存和利用都以ATP為中心。體內(nèi)有些合成反應(yīng)不直接利用ATP供能，而是由ATP將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)給UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作為能量的直接來源參與合成反應(yīng)。如UTP用于糖原的合成，CTP用于磷脂合成，GTP用于蛋白質(zhì)合成等。 核苷二磷酸激酶的作用ATP + UDP ADP + UTPATP + CDP ADP + CTPATP + GDP ADP + GTP腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP四

8、、呼吸鏈定義組成呼吸鏈中傳遞體的排列順序體內(nèi)重要的呼吸鏈定義在生物氧化過程中，從代謝物脫下的成對(duì)氫原子（2H）通過多種酶和輔酶所催化的連鎖反應(yīng)逐步傳遞，最終與氧結(jié)合生成水，這一系列酶和輔酶組成的連鎖傳遞體系稱為呼吸鏈(respiratory chain)又稱電子傳遞鏈(electron transfer chain)。呼吸鏈?zhǔn)谴x物上氫原子被脫氫酶激活脫落后，經(jīng)一系列電子傳遞體，最后傳遞給被激活的氧分子而生成水的過程。組成：遞氫體和電子傳遞體（2H 2H+ + 2e），存在于線粒體內(nèi)膜上 呼吸鏈的定義呼吸鏈的組成煙酰胺脫氫酶類. 黃素蛋白酶類. 鐵-硫蛋白類. 輔酶. 細(xì)胞色素類NADH輔 酶

9、 Q（CoQ）Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等黃素蛋白（F AD）黃素蛋白（FMN）細(xì)胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）煙酰胺脫氫酶類 特點(diǎn)：以NAD+ 或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質(zhì)或胞液中。 傳遞氫機(jī)理: NAD(P) + + 2H+ +2e NAD(P)H + H+黃素蛋白酶類 特點(diǎn)： 以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶） 需氧脫氫酶類（如L氨基酸氧化酶） 加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2鐵硫蛋白 +e 傳遞電子機(jī)理：Fe3

10、+ Fe2+ -e 特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2, Fe4S4 )，構(gòu)成FeS中心，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)分子中的4個(gè)Cys殘基的巰基與蛋白質(zhì)相連結(jié)。CoQ 特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動(dòng)。 +2H 傳遞氫機(jī)理：CoQ CoQH2 2H細(xì)胞色素 傳遞電子機(jī)理： +e +e Fe3+ Fe2+ Cu2+ Cu+ e e 特點(diǎn)：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。 類別: 根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cyt b和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體

11、，a和a3以復(fù)合物物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu ，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。呼吸鏈中傳遞體的排列順序?qū)嶒?yàn)依據(jù)：1）根據(jù)各種組分標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位確定順序，氧化還原電位逐漸增加，該值越大，說明越易構(gòu)成氧化劑處于呼吸鏈的末端，越小，說明越易構(gòu)成還原劑處于呼吸鏈的始端。2）電子親和力增加的順序排列；3）吸收光譜變化，氧化程度逐漸增高；4）利用電子傳遞抑制劑選擇性阻斷； 5）拆開和重組6）還原狀態(tài)呼吸鏈緩慢給氧，根據(jù)各組分氧化還原狀態(tài)確定順序呼吸鏈（電子傳遞鏈）電子親和力遞增的順序ATPFADH2ATPATP1. NADH氧化呼吸鏈NADH 復(fù)合體Q 復(fù)合體Cy

12、t c 復(fù)合體O2糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在氧化分解過程中脫下的氫，大部分經(jīng)此呼吸鏈氧化為水。例如丙酮酸、異檸檬酸、乳酸、酮戊二酸、蘋果酸、谷氨酸等。2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸 復(fù)合體 Q 復(fù)合體Cyt c 復(fù)合體O2一般情況下琥珀酸、a-磷酸甘油氧化脫氫生成FADH2作為這條呼吸鏈的最初供體。體內(nèi)重要的呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈 FADH2氧化呼吸鏈電子傳遞鏈五、氧化磷酸化ATP的生成： 主要由：ADP+pi+能量ATP 少數(shù)情況：AMP+ ppi+能量ATP ATP是生命活動(dòng)的直接供能物質(zhì)，體內(nèi)能量的生成就是ADP經(jīng)磷酸化生成ATP的過程。能量貯存在ATP的高能磷酸鍵中。體內(nèi)磷酸化主要有兩種方式：底物磷酸化和氧化磷酸化。1、底物水平磷酸化 定義：底物水平磷酸化 是指代謝物在氧化分解過程中通過脫氫、脫水等作用使分子內(nèi)部能量重新分配，能量集中產(chǎn)生高能鍵，然后使ADP磷酸化生成ATP的過程。 底物被氧化時(shí)形成高能磷酸化合物的中間物，通過酶的作用使ADP生成ATP。 底物磷酸化形成高能磷酸化合物的能量來自伴隨底物脫氫，分子內(nèi)部能量的重新分布。如：糖酵解過程產(chǎn)生ATP2、氧化磷酸化1）定義：在生物氧化過程中，底物脫氫產(chǎn)生NADH 和FMNH2經(jīng)呼吸鏈傳遞氧化生成水的同時(shí)，所釋放的自由能用于偶聯(lián)ADP磷酸化生成ATP，這種氧化與磷酸化相偶聯(lián)的作用稱為氧化磷酸化 (oxidati