第7章 新陈代谢总论和生物氧化-1

第二篇代谢第七章新陈代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论二、生物氧化新陈代谢的概念新陈代谢的研究方法生物体内能量代谢的基本规律高能化合物与ATP的作用生物氧化的特点生物氧化中CO2的生成生物氧化中水的生成氧化磷酸化作用一、新陈代谢总论1.1新陈代谢的概念: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。这是生物最基本的特征，也是生命存在的前提。生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢分解代谢(异化作用)Catabolism合成代谢(同化作用)Anabolism新陈代谢Metabolism1.2新陈代谢的研究方法1.活体内(用生物整体或整体器官研究,invivo)与活体外实验(用器官组织切片、匀浆或体外培养的细胞、细胞器研究,invitro)2.使用酶的抑制剂(可使代谢途径受到阻断，结果造成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中间代谢物提供可能)3.同位素示踪法(稳定同位素2H、15N和放射性同位素32P、125I)4.核磁共振波谱法(13C谱、31P谱、15N谱)1.3生物体内能量代谢的基本规律生物体内能量代谢同样服从热力学定律,最重要的热力学函数是自由能(ΔG)。[][]ln[][]oCDGGRTABA+BC+Dk在生物体系内，pH接近7，水的活度规定为1.0，用G0'代替G0,则:G0'＝–2.303RTlgk当反应处于平衡时，G0＝–2.303RTlgk一个反应系统的G0只取决于产物与反应物的自由能之差,而与反应历程无关。自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。例如﹕AB+CG0'＝+20.92kJ/molBDG0'＝-33.47kJ/molAC+DG0'＝-12.55kJ/mol在标准状况下,A→B+C不能自发进行，B→D容易进行，因自由能变化是可加的，则A→C+D可自发进行。这样，一个热力学上不能进行的反应，可由与它偶联的、热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。1.4高能化合物与ATP的作用(1)高能化合物生物体内有许多化合物，随水解或基团转移反应可释放出大量的自由能,这类化合物称为高能化合物。磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物高能化合物RCOSCoA如：ATP→ADP+PipH7.0，25℃条件，G0‘=－30.5kJ·mol-1高能化合物释放的能量除一部分以热的形式散失于周围环境中之外，其余部分大多直接生成ATP，以高能磷酸键的形式存在。高能磷酸化合物﹕含自由能较多的磷酸化合物。水解时释放出自由能超过30～67kJ·mol-1，常用～P或～来表示。P(2)ATP在能量转运中的地位和作用ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物，作为细胞的主要供能物质参与体内的许多代谢反应。无论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ATP为中心。焦磷酸O-POO-OPOO-O-OPOO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2OPOO-O-POO-ATP磷酯键酸酐键ATP的“共同中间体”作用ATP水解时的标准自由能变化位于多种物质水解时标准自由能变化的中间位置，它能从具有更高能量的化合物中接受高能磷酸键，也能将～Pi转移给水解时标准自由能变化较小的化合物，从而将分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起，它本身是代谢的共同中间体。前体物质组织成分合成代谢底物产物ADP+PiATP分解代谢PPi+AMP(3)ATP能量的转移体内还有一些反应需要UTP(多糖合成)、CTP(磷脂合成)或GTP(蛋白质合成)作供能物质。作为供能物质所需要的UTP、CTP和GTP可经下述反应再生：NDP+ATP→NTP+ADP(N:U,C,或G)dNTP由dNDP的生成过程也需要ATP供能：dNDP+ATP→dNTP+ADP(4)其它贮能物质：磷酸肌酸在肌肉、神经组织，磷酸肌酸是主要的贮能物质，但是它含有的能量需转化成ATP后再利用。2.1概述2.2生物氧化中CO2的生成2.3生物氧化中H2O的生成2.3.1呼吸链2.3.2呼吸链的组成2.3.3呼吸链中传递体的顺序2.4氧化磷酸化2.4.1ATP的生成2.4.2胞浆中NADH的氧化磷酸化2.4.3氧化磷酸化中ATP的合成部位2.4.4氧化磷酸化的偶联机制二、生物氧化(Biologicaloxidation)2.1概述•一切生物都靠能量维持生存，生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。•有机分子在机体内氧化分解成H2O和CO2，并释放出能量的过程称为生物氧化。•生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化-还原反应，所以又称为呼吸作用或细胞呼吸(cellularrespiration)。生物氧化的特点：1.在生物体内,电子转移主要有以下三种形式:(1)直接的电子转移:Fe2++Cu2+＝Fe3++Cu+(2)氢原子的转移(H=H++e):AH2+B＝A+BH2(3)有机还原剂直接加O2:RH+O2+2H++2e→ROH+H2O•在活细胞内、体温、近于中性的含水环境中由酶催化下进行。•生物氧化是逐步氧化、逐步释放能量。释放的能量一般都先贮存在ATP中,然后再通过ATP的转移作用，将能量释放。•真核生物的生物氧化在线粒体内进行，不含线粒体的原核生物则在细胞膜上进行。生物氧化主要包括三方面的内容:1、细胞如何在酶的催化下，把代谢物分子的C→CO2？2、细胞如何将代谢物分子脱下的H2交给O2生成水?3、细胞通过什么方式将氧化过程中释放的能量转变为ATP的高能键?2.2生物氧化中CO2的生成生物体内CO2的生成来源于含羧基的有机化合物的脱羧作用。•直接脱羧•氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化(脱氢)。CH3CCOOHCH3CHO+CO2O丙酮酸脱羧酶(-脱羧)HOOCCH2CCOOHOCH3CCOOHO+CO2丙酮酸羧化酶(-脱羧)苹果酸酶CH3CCOOHO+CO2HOOCCH2CHCOOHNADP+NADPH+H+OHMH2M递氢体H2递氢体NAD+、FMN、FAD、COQ还原型氧化型Cyt递电子体b,c1,c,aa32H+2e½O2O2-H2O脱氢酶氧化酶传递体线粒体2.3生物氧化中H2O的生成•生物氧化中所生成的水是代谢物脱下的氢，经生物氧化作用和吸入的氧结合而成的。•生物体主要以脱氢酶、传递体及氧化酶组成生物氧化体系，以促进水的生成。2.3.1呼吸链(respiratorychain)代谢物上的氢被脱氢酶激活脱下后,经过一系列传递体,最后传递给被激活的氧而生成水的全部体系称呼吸链或电子传递链(electrontransportchain)。在具有线粒体的生物中，呼吸链分布在线粒体内膜上——线粒体呼吸链。典型的呼吸链有两种:1.NADH呼吸链2.FADH2呼吸链(琥珀酸氧化呼吸链)MitochondrionImpermeabletoionsandmostothercompoundsNADH氧化呼吸链MH2：作用物；(Fe-S)：铁硫中心；1.NADH氧化呼吸链体内大多数脱氢酶都是以NAD+为辅酶，在脱氢酶催化下,底物MH2脱下的氢交给NAD+生成NADH+H+；在NADH脱氢酶作用下，NADH+H+将两个氢原子传递给FMN生成FMNH2,再将氢传递至CoQ生成CoQH2，此时两个氢原子解离成2H++2e-,2H+游离于介质中，2e-经Cytb、c1、c、aa3传递，最后将2e-传递给1/2O2，生成O2-,O2-与介质中游离的2H+结合生成水。2.琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接受两个氢原子生成FADH2，然后再将氢传递给CoQ，生成CoQH2，此后的传递和NADH氧化呼吸链相同。ElectronTransportchain(ETC)(respiratorychain)•Theelectrontransportchainintheinnermitochondrialmembranecanbeisolatedinfourproteinscomplexes(I,II,III,IV).•Alipidsolublecoenzyme(Q)andawatersolubleprotein(cytc)shuttlebetweenproteincomplexes.•Electronstransferthroughthechain-fromcomplexesIandIItocomplexIV.ElectrontransportchainMitochondrialComplexes2.3.2呼吸链的组成NADH-泛醌还原酶(NADH脱氢酶)琥珀酸-泛醌还原酶细胞色素c还原酶细胞色素c氧化酶1.蛋白质复合体(酶蛋白和电子载体)2.电子载体(或电子传递体)NADHFMNFeSFADFeSCytbFeSCytc1CytaCyta31/2O2ubiquinoneI复合体II复合体III复合体IV复合体UbiquinoneCytc1、复合物I——NADH泛醌还原酶•简写为NADHQ还原酶,又称NADH脱氢酶。它的作用是先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADH＋H+＋FMN→FMNH2＋NAD+•它的活性部分含有辅基FMN和铁硫聚族——电子载体。•电子传递顺序：NADH→FMN→铁硫聚族→泛醌黄素单核苷酸(FMN)FMN既可以接受2e-形成FMNH2，又可以接受1e-，或由FMNH2给出1e-形成一个稳定的半醌中间产物。NADH+H++FMN→NAD++FMNH2FMNH2+Fe3+→FMNH·+Fe2++H+CCCHCCHCNCCNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHCCCHCCHCNCCHNNHCNHCH3CH3COOCH2HCHCHCH2COHOPO-OO-OHOHe+H+e+H+FMNFMNH2FMNH·110铁硫聚族(Iron-sulfurclusters,Fe-S)Iron-sulfurclusterstransferonlyoneelectron,eveniftheycontaintwoormoreironatoms.E.g.,a4-Fecentermightcyclebetweenredoxstates:Fe+++3,Fe++1(oxidized)+1eFe+++2,Fe++2(reduced)•又称铁硫中心(Iron-sulfurCenters)，含有非卟啉铁和无机硫。•作用是通过铁的变价互变进行电子传递。•铁硫聚族与蛋白质相结合称为铁硫蛋白。在线粒体呼吸链中，有多个铁硫聚族，存在于NADH脱氢酶、琥珀酸-泛醌还原酶及细胞色素c还原酶中。常见的铁硫中心有：①FeS:单个铁原子与4个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。②2Fe-2S:两个铁原子、两个无机硫原子组成，其中每个铁原子还各与两个半胱氨酸残基的巯基硫相结合。③4Fe-4S:由4个铁原子与4个无机硫原子相连，铁与硫相间排列在一个正六面体的8个顶角端；此外4个铁原子还各与一个半胱氨酸残基上的巯基硫相连。2、泛醌(ubiquinone,Q)在呼吸链中是唯一一个不与蛋白质结合的电子载体，可以在膜内自由穿梭，将上游的黄素蛋白类和下游的细胞色素联系起来，在电子传递链中处于中心地位。OOCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH3OHOHCH3OCH3CH3O(CH2CHCCH2)nHCH32e+2H+coenzymeQcoenzymeQH2亦称辅酶Q(coenzymeQ)，为一脂溶性的醌类物质，能溶于线粒体内膜。侧链是由多个异戊二烯(iso