第七章新陈代谢总论与生物氧化

第七章新陈代谢总论与生物氧化一.新陈代谢总论二.生物氧化一.新陈代谢总论（一）新陈代谢的概念:营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢,简称为代谢(metabolism)。生物体内酶催化的化学反应是连续的,前一种酶的作用产物往往成为后一种酶的作用底物。这种在代谢过程中连续转变的酶促产物统称为代谢中间产物(metabolicintermediates),或简称代谢物(metabolites)。代谢通过一系列连续的反应,无论是外界引入的或是体内形成的有机分子,最后都转变成代谢的最终产物。新陈代谢途径中的个别环节,个别步骤称为中间代谢(intermediarymetabolism)。新陈代谢的功能1.从周围环境中获得营养物质;2.将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件(buildingblocks),即大分子的组成前体;3.将结构元件装配成自身的大分子,例如蛋白质、核酸、脂类以及其它组分;4.形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子;5.提供生命活动所需的一切能量。分解代谢(catabolism):有机营养物质(外界环境获得或自身储存),通过一系列反应步骤转变较小的较简单的物质的过程称为分解代谢与分解代谢相伴随的是将蕴藏在有机大分子中的能量逐步释放出来。分解代谢所经过的反应途径称之为分解代谢途径(catabolicpathways)。合成代谢(anabolism):又称生物合成(biosynthesis),是生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程。由小分子建造成大分子是使分子结构变得更为复杂,这个过程都是需要提供能量的。新陈代谢合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）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新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。2.诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3.对周围环境高度适应。（二）新陈代谢的研究方法1.活体内(invivo)与活体外实验(invitro)2.同位素示踪3.代谢途径阻断4.核磁共振波谱法5.利用遗传缺欠症研究代谢途径6.气体测量法（三）生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。熵：混乱度或无序性，是一种无用的能。ΔG(自由能变化)=ΔH(总热能变化)–TΔS(总体熵的改变)ΔG＜0时,体系的反应能自发进行(为放能反应);ΔG＞0时,反应不能自发进行,当给体系补充自由能时,才能推动反应进行(为吸能反应);ΔG=0时,表明体系处于平衡状态。对于任何一个化学反应:A+B←→C+D其自由能变化ΔG遵循下式:ΔG=ΔG°+RTln[C][D]/[A][B]ΔG°表示标准自由能(25℃、一个大气压、底物浓度1mol/L)R:为气体常数(8.315J/mol一度)T:绝对温度(摄氏温度+273.15)ΔG°表示生物体内标准自由能(25℃、一个大气压、底物浓度1mol/L、pH接近7)ˊˊˊ当反应处于平衡,即ΔG=0时ΔG°=-RTln[C][D]/[A][B]其中K=[C][D]/[A][B]ΔG°=-RTlnK=-2.303RTlgK在生物体内ΔG°=-RTlnK=-2.303RTlgK对于生物化学反应AB当K1时,ΔG°(ΔG°)1反应趋向于生成B的方向当K1时,ΔG°(ΔG°)1反应趋向于生成A的方向一个反应系统的ΔG只取决于产物与反应物的自由能之差,而与反应过程无关。ˊˊˊ（四）高能化合物与ATP的作用1.概念高能化合物:在化学反应中,某些化合物含较多的自由能持,水解反应或基团转移反应时,可放出大量的自由能,这类化合物称为高能化合物。高能化合物一般对酸、碱和热不稳定。高能磷酸化合物:机体内存在着各种磷酸化合物,它们所含的自由能多少不等,含自由能持多的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。高能磷酸化合物常用~P或~○来表示。P2.高能化合物的类型: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3.机体内能量的存在形式及ATP的作用(1)ATP的作用:见教材P145图7-1ATP的生理功能ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂ATP+H2OADP+PiADP+PiATP(2)机体内能量的存在形式:ADP+PiATPATP+NDP(UDP、CDP、GDP)NTP+ADPATP+肌酸磷酸肌酸(机体能量储存形式)+ADP肌酸磷酸激酶ΔG°=-30.51KJ/molΔG°=30.51KJ/mol二、生物氧化生物氧化:生物体内一切代谢物进行的氧化作用。(有机物在生物体细胞内的氧化称为生物氧化)（一）生物氧化的特点1.在体温、近于中性的含水环境中由酶催化。2.能量逐步释放，部分存于ATP。3.分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。氧化还原反应的本质是电子转移。失电子者为还原剂,得电子者为氧化剂。在生物体内,电子转移主要有以下形式:⑴直接进行电子转移Fe2++Cu2+Fe3++Cu+⑵氢原子的转移AH2+BA+BH2⑶有机还原剂直接加氧RH+O2+2H++2eROH+H2O（二）生物氧化过程中CO2的生成生物体内CO2的生成来源于有机物转变为含羧基化合物的脱羧作用。直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）HOOCCH2CCOOHαβ丙酮酸羧化酶CH3CCOOH+CO2OO（Β-脱羧）氧化脱羧：在脱羧过程中伴随着氧化（脱氢）。HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+O（三）生物氧化过程中H2O的生成代谢物脱下的氢经生物氧化作用和吸入的氧结合生成水。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。MH2M递氢体递氢体H2NAD+、NADP+、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1.呼吸链（电子传递链）:代谢物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后,经过一系列的传递体,最后传递给被激活的氧分子,而生成水的全部体系称呼吸链。体内主要呼吸链:根据接受氢的初受体不同，体内典型的呼吸链有两种：NADH呼吸链和FADH呼吸链。1、NADH氧化呼吸链【组成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【组成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素【两种呼吸链的差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同(见教材P148图7-2)NADHFP(FMN)UQCytbCytC1CytcCytaa3O2(Fe-S)FP(FAD-Fe-S)SH2SNAD+NADH+HFMNH2FeSFMNFeSCoQCoQH2－Fe-SFe-S2Cyt-Fe2+2Cyt-Fe3+O212－O2-2H2H2H2H+e-22e-H2OCoQCoQH2Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+Cyt-Fe3+Cyt-Fe2+bc1aa3cH2OO2-－1O22e-2e-2e-2e-2e-2e-22H+CH2CH2COOHCOOHFADFe*SCytb2He-2复合物I（NADH-泛醌还原酶）复合物III（泛醌－细胞色素c还原酶）复合物IV（细胞色素c氧化酶）复合物II（琥珀酸脱氢酶）2呼吸链的组成、线粒体呼吸链3.呼吸链的主要成分(1).烟酰胺脱氢酶类(NAD+和NADP+为辅酶的脱氢酶组成成分:酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）、核糖、磷酸与AMP。作用:辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。(2).黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）组成成分:酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（VitB2）、磷酸、AMP组成。作用:进行可逆的脱氢加氢反应。传递机制:异咯嗪的第1、10位N上可加氢主要形式:琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。异咯嗪结构110核糖醇HH铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。组成成分:含等量的铁原子和硫原子（Fe、Fe2S2、Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连。作用:将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。传递机制:单电子传递。(3).铁硫蛋白（iron-sulfurprotein,Fe-S）铁硫蛋白铁硫蛋白(简写为Fe-S)是一种与电子传递有关的蛋白质，它与NADHQ还原酶的其它蛋白质组分结合成复合物形式存在。铁硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+Fe2+变化起传递电子的作用。(4).泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）:它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。OOCH3OCH3OCH3(CH2CHCCH2)nHCH3n=6-10泛醌(辅酶-Q)的功能:Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。(5).NADH泛醌还原酶简写为NADHQ还原酶,即复合物I，它的作用是催化NADH的氧化脱氢以及Q的还原。所以它既是一种脱氢酶，也是一种还原酶。NADHQ还原酶最少含有16个多肽亚基。它的活性部分含有辅基FMN和铁硫蛋白。FMN的作用是接受脱氢酶脱下来的电子和质子，形成还原型FMNH2。还原型FMNH2可以进一步将电子转移给Q。NADHQ还原酶NADH+Q+H+NAD++QH2NADH泛醌还原酶(6).泛醌细胞色素c还原酶(QH2-cyt.c)简写为QH2-cyt.c还原酶,即复合物III,它是线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物，其作用是催化还原型QH2的氧化和细胞色素c（cyt.c）的还原。QH2-cyt.c还原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c还原酶由9个多肽亚基组成。活性部分主要包括细胞色素b（b562、b566）和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。由于QH2是一个双电子载体，而参与上述反应过程的其它组分(如cyt.c)都是单电子传递体，所以，实际反应情况比较复杂。QH2所携带的一个高能电子通过铁硫蛋白，传递给cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一个电子则传递给cyt.b。还原型cyt.b可以将QH还原成QH2。其结果是通过一个循环，QH2将其中的一个电子传递给cyt.c。具体传递过如下:QH22Fe-2SC1C(还原型)第一个分子e-Q·ˉ(氧化型)Q(bL)b566(bH)b562QQ·ˉe-e-e-QH2e-2Fe-2Se-e-C1e-Ce-(还原型)第二个分子Q·ˉ(氧化型)Q(bL)b566(bH)b562Q·ˉQH2e-e-e-第一阶段第二阶段2QH22Q·ˉ2Qˉe-ˉe-ˉe-CCQQ·ˉbˉe-b-e-Q·ˉQH2ˉe-总反应QH2Q2C-e-反应(Q循环)的结果(7).细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a、a3b、c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外---可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用的。细胞色素c（cyt.c）的结构它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt.c通过Fe3+Fe2+的互变起电子传递中间体作用。细胞色素c氧化酶简写为cyt.c氧化