代謝總論和生物氧化

1、代謝總論與生物氧化,第七章,第一節(jié) 新陳代謝的有關(guān)概念,新陳代謝(metabolism) 又稱為代謝，是指生物體與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過程，也是活細(xì)胞內(nèi)所有化學(xué)變化的總稱。 生物體的一切生理現(xiàn)象，如生長、發(fā)育、繁殖、呼吸等等，都是代謝反應(yīng)的結(jié)果。新陳代謝是生命最基本的特征，一旦代謝停止，生命也就結(jié)束了。,新陳代謝,合成代謝 （同化作用）,分解代謝 （異化作用）,能量代謝,物質(zhì)代謝,生長旺盛時： 合成代謝分解代謝 成長的生物： 合成代謝分解代謝 衰老或饑餓： 合成代謝分解代謝,能量代謝 研究光能或化學(xué)能在細(xì)胞中向生物能(ATP)轉(zhuǎn)化的原理和過程，以及生命活動對能量的利用。,物質(zhì)代謝 糖、

2、脂、蛋白質(zhì)及核酸等類物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生酶促轉(zhuǎn)化的途徑及調(diào)控機(jī)理，包括細(xì)胞自身舊分子的分解和新分子的合成。,合成代謝 合成代謝也稱生物合成，小、簡單的前體物質(zhì)形成更大、更復(fù)雜的分子，如脂、多糖、蛋白質(zhì)和核酸等。,分解代謝 分解代謝是代謝作用的分解過程，是有機(jī)物（糖、脂和蛋白質(zhì)）被轉(zhuǎn)化為更小、更簡單的終產(chǎn)物（如乳酸、CO2和NH3等）的過程。,代謝作用中的能量關(guān)系,分解代謝釋放能量，部分被轉(zhuǎn)化為ATP和還原的電子載體（NADH、NADPH、FADH2），其余的作為熱量散失。 合成代謝需要獲得能量，通常需要ATP分子磷酸酯鍵的轉(zhuǎn)移和還原型輔酶（NADH、NADPH和FADH2）供應(yīng)還原力。,代謝途徑

3、細(xì)胞中由相關(guān)酶類組成的完成特定代謝功能的連續(xù)反應(yīng)體系。細(xì)胞中具有某種代謝途徑也就是指具有其酶系。,S,A,B,D,C,P,e1,e2,e3,e4,e5,代謝作用的特點,代謝過程所包含的化學(xué)反應(yīng)通常不是一步完成，由一系列的中間代謝過程所組成，反應(yīng)數(shù)目雖多，但有極強的順序性。 代謝作用需要溫和的條件，絕大多數(shù)反應(yīng)都由酶所催化。 代謝作用具有高度靈敏的自我調(diào)節(jié)。 整體水平上，主要靠激素或激素伴同神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行的綜 合調(diào)節(jié)； 細(xì)胞水平上，主要通過胞內(nèi)酶布局的區(qū)域化而實現(xiàn)； 分子水平上，主要通過酶的反饋抑制和基因表達(dá)的調(diào)控 等實現(xiàn)。,生物的營養(yǎng)類型,自然界中的生物根據(jù)其所利用的碳源和能源的不同，生物可分為

4、兩大類型： 自養(yǎng)生物(Autotrophs)：可利用大氣中的CO2作為唯一碳源構(gòu)建所有含碳分子，如光合細(xì)菌和高等植物。 異養(yǎng)生物(Heterotrophs)：不能利用大氣中的CO2，必須從環(huán)境中獲得相對復(fù)雜的有機(jī)碳分子如葡萄糖，如高等動物和多數(shù)微生物。,第二節(jié) 中間代謝的實驗研究方法,1. 研究材料： 單細(xì)胞生物，多細(xì)胞生物，病毒與噬菌體 2. 研究水平： 體內(nèi)研究（in vivo）：用生物體、組織器官或微 生物群體研究。 體外研究（in vitro）：用組織切片、勻漿、提取 液等研究。,核糖體，微粒體，高爾基體,線粒體，溶酶體等,細(xì)胞核，未破碎細(xì)胞,組織勻漿,600g10min,15,000

5、g5min,100,000g60min,1. 代謝平衡實驗 通過體內(nèi)實驗研究代謝物攝入和產(chǎn)物排出的平衡關(guān)系。例如測定呼吸商可判斷體內(nèi)能量來源。,研究代謝途徑的方法,R.O.,=,產(chǎn)CO2量（L）,耗O2量（L）,糖、脂、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)氧化分解需要消 耗O2，放出CO2，CO2與O2的體積比稱為呼吸商。,R.O.,糖類,1,脂肪,0.7,蛋白質(zhì),0.8,正常代謝,0.85-0.95,三大營養(yǎng)物質(zhì),能量來源,饑餓狀態(tài),0.7-0.8,脂肪、蛋白質(zhì),糖尿病人,0.7,脂肪,2. 代謝障礙實驗 正常生物體的中間代謝過程中，中間產(chǎn)物不會過多積累，不容易進(jìn)行分析。若造成代謝障礙，阻斷代謝途徑，則使

6、中間產(chǎn)物積累，便于探討代謝途徑歷程。,造成微生物營養(yǎng)缺陷型 使用抗代謝物 使用專一性抑制劑抑制酶活,3. 代謝物標(biāo)記追蹤實驗 將代謝底物分子適當(dāng)“標(biāo)記”，然后追蹤“標(biāo)記”在細(xì)胞中的去向，就可以了解底物分子在中間代謝中經(jīng)過什么中間產(chǎn)物，生成了什么終產(chǎn)物。這是探索代謝途徑最有效的方法。,同位素示蹤法： 常用穩(wěn)定同位素：2H、15N、13C、18O 常用放射性同位素：3H、32P、14C,4. 測定特征性酶 每條代謝途徑都有其特征性酶，它的存在就表明該代謝途徑存在。,糖代謝途徑的特征性酶： EMP途徑：醛縮酶 HMP途徑：6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶 TCA循環(huán)：檸檬酸合成酶,第三節(jié) 生物氧化 Biolo

7、gical Oxidation,一、概念 物質(zhì)在體內(nèi)的氧化分解過程，主要是糖、脂、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能量、最終生成二氧化碳和水的過程。,生物氧化中物質(zhì)的氧化方式有加氧、脫氫、失電子，遵循氧化反應(yīng)的一般規(guī)律。 物質(zhì)在體內(nèi)、體外氧化時所消耗的氧量、最終產(chǎn)物（CO2、H2O）和釋放的能量均相同。,二、生物氧化的特點,生物氧化與體外氧化的相同點：,生物氧化與體外氧化的不同點：,生物氧化中CO2的生成方式： 有機(jī)酸脫羧, 單純脫羧,-單純脫羧,-單純脫羧, 氧化脫羧,-氧化脫羧,-氧化脫羧,生物氧化中物質(zhì)氧化的方式：,加氧,RCHO + 1/2O2 RCOOH,脫氫,RCH2OH RCHO,-

8、2H,加水脫氫,CH3CHO CH3COOH,+H2O,-2H,失電子,Fe2+ Fe3+,-e,三、生物氧化的一般過程,糖原,三酰甘油,蛋白質(zhì),乙酰CoA,TAC,CO2,2H,呼吸鏈,H2O,ADP+Pi,ATP,線粒體的結(jié)構(gòu)：,（一）呼吸鏈（respiratory chain) 概念： （1）代謝脫下的成對氫原子（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； （2）酶和輔酶按一定順序排列在線粒體內(nèi)膜； 傳遞氫的酶和輔酶遞氫體 傳遞電子的酶和輔酶遞電子體 （3）此過程與細(xì)胞呼吸有關(guān)，此傳遞鏈稱為呼吸鏈。 遞氫體、遞電子體都起傳遞電子的作用，統(tǒng)稱電 子傳遞體，該鏈

9、又稱電子傳遞鏈。,四、生成ATP的氧化體系,呼吸鏈中的組成:,復(fù)合體 復(fù)合體 復(fù)合體 復(fù)合體 復(fù)合體,酶名稱 NADH-CoQ還原酶 琥珀酸-CoQ還原酶 CoQ-CytC 還原酶 CytC 氧化酶,輔基 FMN，F(xiàn)e-S FAD， Fe-S 鐵卜啉，F(xiàn)e-S 鐵卜啉，Cu,NADH 氧化呼吸鏈,琥珀酸氧化呼吸鏈,（1）復(fù)合物 NADH-CoQ 還原酶,結(jié)合鐵硫蛋白的,輔基為FMN的黃素蛋白，42條肽鏈，850kD. 結(jié)合NADH,并將其氧化為NAD+;將電子傳遞給泛醌,使4H+釋放入內(nèi)外膜間隙.,NAD+與NADP+的結(jié)構(gòu)：,NAD+:煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,輔酶I NADP+:煙酰胺腺嘌呤二

10、核苷酸磷酸,輔酶II,R=H:NAD+; R=H2PO3:NADP+,H+e,FMN,（1）復(fù)合物 NADH-Q 還原酶,Fe-S輔基的鐵硫簇含有等量的鐵原子和硫原子,Fe2S2, Fe4S4,Fe4S4,作用： Fe2+ Fe3+e 單電子傳遞,泛醌（ubiquinone） 亦稱輔酶Q（Coenzyme Q , CoQ） 人體中： CoQ10 A、結(jié)構(gòu) 1.含有很多異戊二烯側(cè)鏈的醌類化合物 2.脂溶性 3.是電子傳遞體中唯一可游離存在的電子 載體（無蛋白）,NADH+H+,NAD+,FMN,FMNH2,Fe3+,Fe2+,Q,QH2,NADH,FMN,Fe-S,Q,復(fù)合體傳遞電子的過程：,N

11、ADH+H+,NAD+,2e-,FMN,2H+,Fe-S,N-2,Q,QH2,2H+,（2）復(fù)合物 琥珀酸-泛醌還原酶,即琥珀酸脫氫酶.至少由4條肽鏈組成，含有一個FAD，2個鐵硫蛋白及細(xì)胞色素b560. 其作用是催化電子從琥珀酸轉(zhuǎn)至CoQ，但不轉(zhuǎn)移質(zhì)子。,細(xì)胞色素cytochrome,Cyt A、結(jié)構(gòu)：一類含鐵卟啉輔基的色素蛋白 B、分類: Cyta: Cytaa3 Cytb: Cytb562 、Cytb566、 Cytb560 Cytc: Cytc 、 c1 C、區(qū)別： 鐵卟啉輔基側(cè)鏈不同 鐵卟啉輔基與酶蛋白 連接方式不同,細(xì)胞色素c,CytFe3+ + e CytFe2+,（3） 復(fù)合物

12、 CoQ-cytc還原酶,即細(xì)胞色素c還原酶，由至少11條不同肽鏈組成，以二聚體形式存在，每個單體包含兩個細(xì)胞色素b（b562、b566）、一個細(xì)胞色素c1和一個鐵硫蛋白。 催化電子從輔酶Q傳給細(xì)胞色素c，每轉(zhuǎn)移一對電子，同時將4個質(zhì)子由線粒體基質(zhì)泵至膜間隙。,b566b562Fe-Sc1,QH2,Cytc,Cytc 呈水溶性 與線粒體內(nèi)膜外表面結(jié)合不緊密 易與線粒體內(nèi)膜分離,復(fù)合體傳遞電子的過程,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+

13、,e-,e-,e-,e-,（4）復(fù)合物 Cytc 氧化酶,每個單體由至少13條不同的肽鏈組成，分為三個亞單位：I包含兩個細(xì)胞色素（a、a3）和一個銅蛋白(CuB);包含兩個銅離子(CuA)構(gòu)成的雙核中心，其結(jié)構(gòu)與2Fe-2S相似; 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氧化呼吸鏈,琥珀酸氧化呼吸鏈,總反應(yīng),或,進(jìn)一步:,呼吸鏈中電子傳遞體的排列順序的確定：,利用脫氧膽酸處理線粒體內(nèi)膜，分離出呼吸鏈的4種復(fù)合物、輔酶Q、細(xì)胞色素C及ATP合酶。

14、根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氧還電位E0的高低排列 根據(jù)電子傳遞體氧化還原態(tài)時的吸收光譜變化進(jìn)行檢測 利用阻斷劑研究分析 四種復(fù)合物的電子傳遞再造實驗,三、氧化磷酸化 （oxidative phosphorylation）,概念： 呼吸鏈中電子的傳遞過程偶聯(lián)ADP磷酸 化，生成ATP的方式，稱為氧化磷酸化； 是體內(nèi)產(chǎn)生ATP的主要方式。,反應(yīng) ADP + Pi ATP + H2O 為什么需要偶聯(lián)?,ATP是比ADP與Pi能量更高的化合物。由ADP與Pi反應(yīng)生成ATP是非自發(fā)過程，需要獲得能量才能進(jìn)行。,ADP + Pi,ATP+H2O,30.5kJ/mol,能量升高,反應(yīng)能級圖,呼吸鏈電子傳遞過程中，哪些區(qū)段放出

15、的能量能實現(xiàn)ADP的磷酸化？,什么是P/O比？其值有何意義？,-物質(zhì)氧化時，每消耗1mol氧原子所消耗無機(jī)磷的mol數(shù)（或ADP mol數(shù)），或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol數(shù).,ATP合成酶,氧化磷酸化偶聯(lián)機(jī)制有：化學(xué)物質(zhì)偶聯(lián)學(xué)說、構(gòu)象偶聯(lián)學(xué)說及化學(xué)滲透學(xué)說。目前公認(rèn)度較大的是化學(xué)滲透學(xué)說。,呼吸鏈的氧化與ADP的磷酸化是怎樣偶聯(lián)的？,19611978,化學(xué)滲透學(xué)說： 電子傳遞過程中，電子傳遞鏈起到質(zhì)子泵的作用，將H+從線粒體內(nèi)膜基質(zhì)泵至線粒體內(nèi)外膜間隙側(cè)，造成膜間隙與基質(zhì)側(cè)質(zhì)子化學(xué)濃度梯度，形成了膜電位，這是推動ATP合成的原動力。 當(dāng)存在足夠高的跨膜質(zhì)子梯度時，強大的質(zhì)子流進(jìn)入A

16、TP合成酶通道流回基質(zhì)側(cè)，釋放的自由能帶動ATP合成酶運轉(zhuǎn)，合成ATP。,影響氧化磷酸化的因素,(1)、抑制劑 呼吸鏈抑制劑 阻斷呼吸鏈的電子傳遞。 解偶聯(lián)劑 破壞內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度，使氧化與磷酸化的偶聯(lián)脫離。如：解偶聯(lián)蛋白、2,4-二硝基苯酚。 氧化磷酸化抑制劑 如寡霉素，在合酶中抑制質(zhì)子回流，從而抑制的磷酸化。,呼吸鏈抑制劑的阻斷位點,魚藤酮 粉蝶霉素 安密妥,抗霉素,CO、CN-、N3-及,ADP+Pi,ATP+H2O,解偶聯(lián)蛋白,解偶聯(lián)作用機(jī)制,熱,寡霉素的抑制作用,阻止質(zhì)子從F0質(zhì)子通道回流。,(2) ADP的調(diào)節(jié)作用 (3) 甲狀腺激素 (4) 線粒體DNA突變,五、生物氧化的生物學(xué)意義,代謝物,分解氧化,CO2 H2O,能,熱能（散發(fā)）,化學(xué)能 （儲能