代谢总论与生物氧化

代谢总论与氧代谢本章重点及难点重点：掌握新陈代谢、呼吸链、生物氧化的概念，高能磷酸化合物的概念及ATP的作用；掌握呼吸链电子传递体的组成及排列方式难点：与能量代谢有关的一些概念；呼吸链的组成成分、排列顺序；氧化磷酸化的机理。第一节新陈代谢总论一、新陈代谢的概念新陈代谢合成代谢（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概念：生物与外界环境进行物质和能量交换的全过程。新陈代谢的共同特点：1.由酶催化，反应条件温和。2.反应顺序严格，彼此协调。3.对环境高度适应性。新陈代谢是在不断的合成和分解中完成遗传信息的储存、传递和表达过程。中间代谢：细胞与周围环境进行物质和能量交换的过程。细胞生物体二、新陈代谢的研究方法1.活体内(invivo)与活体外(invitro)实验法2.同位素示踪法3.代谢途径阻断法4.遗传缺欠症方法5.气体测量法6.核磁共振波谱法（NMR）研究方法涉及代谢途径1、体系的概念、性质、状态–Def：研究中涉及到的所有物质的总称。–Kind：开放系统、隔离系统、封闭系统–Nature：压力、温度、体积、组成、比热、表面张力–Status：和体系的性质有关2、热力学定律–第一：孤立体系中的能量可以变换形式但是总能量不变。–第二：热只能从高温部分向低温部分传导，即过程的方向性。–熵：体系能量分散程度的状态函数，即混乱度。–ΔG=ΔH-TΔS三、生物体内能量代谢的基本规律自由能：生物体（或恒温恒压下）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=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]3.化学反应自由能的计算a.利用化学反应平衡常数计算基本公式：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)ΔG°′=-RTlnKeq例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化b.利用标准氧化还原电位（E°）计算（限于氧化还原反应）基本公式：ΔG°′=－nFΔE°′(ΔE°′=E+°′-E-°′)例：计算NADH氧化反应的ΔG°′计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ/molΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ/mol未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反应的G是多少？例题：例题：计算下列反应式ΔG°′NADH+H++½O2====NAD++H2O正极反应：1/2O2+2H++2eH2OE+°′0.82负极反应：NAD++H++2eNADHE-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′-2×96485×[0.82-(-0.32)]-220KJ·mol-1物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化，亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。一、生物氧化的概念第二节生物氧化糖原三酯酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATCA2H呼吸链H2OADP+PiATPCO2*生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。二、生物氧化的特点是在细胞内温和的有水环境中（体温，pH接近中性），经一系列酶促反应逐步缓慢进行，能量逐步释放，以ATP形式储存和转运，有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。物质的氧化方式是脱氢反应，脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O；二氧化碳（CO2）是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物（有机酸）直接脱羧或氧化脱羧产生。*生物氧化与体外氧化之不同点生物氧化体外氧化在高温、高压以及干燥的条件下进行，是剧烈的自由基反应，能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。◆场所：真核细胞在线粒体内膜，原核细胞在质膜上进行。三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位1、自由能（Gibbs，G）的概念：是指在一个反应体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。恒温恒压条件下自由能变化公式为ΔG=ΔH－TΔS意义：1)用其判断一个反应是否能发生；2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能；3）生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”，水解时可释放大于21KJ/mol的能量，常用符号表示。第二节、高能化合物生物体内的放能反应与吸能反应偶联，最基本的形式是通过高能化合物实现的。1、高能化合物的概念：指含有高能键，在标准条件下（pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。2、高能化合物的类型：根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意：并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。高能磷酸键水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键，常表示为P。高能磷酸化合物含有高能磷酸键的化合物1）磷氧键型：如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等2）磷氮键型：如磷酸肌酸等3）硫酯键型：如脂酰CoA等4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。一、ATPO-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP（三磷酸腺苷）O-POO-OPOO-O-焦磷酸ATP是一种高能磷酸化合物，在细胞中，它与ADP的相互转化实现贮能和放能，从而保证细胞各项生命活动的能量供应。生成ATP的途径主要有两条：一条是植物体内含有叶绿体的细胞，在光合作用的光反应阶段生成ATP；另一条是所有活细胞都能通过细胞呼吸生成ATP。7.3千卡/摩尔ATP的生成和利用ATPADP肌酸磷酸肌酸氧化磷酸化底物水平磷酸化~P~P机械能(肌肉收缩)渗透能(物质主动转运)化学能(合成代谢)电能(生物电)热能(维持体温)生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。机械能--运动化学能--合成渗透能--分泌吸收电能--生物电热能--体温光能--生物发光ATP是生物系统能量交换的中心荧火虫ATP的特殊作用ATP作用：是能量的携带者或传递者，而非贮存者，是能量货币；同时也是磷酸化酶的辅酶。OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH210.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔ATP可以将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP，生成UTP、CTP、GTP，作为能量的直接来源参与合成反应。如：UTP用于糖原的合成；CTP用于磷脂合成；GTP用于蛋白质合成等。二、磷氧键型（—O~P)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物1,3-磷酸甘油酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔三、酰基磷酸化合物H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸RCOOPOOO-A酰基腺苷酸RCHCOOPOOO-AN+H3氨酰基腺苷酸四、烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔硫酯键型OSOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NNOPOO-3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸RCOSCoA酰基辅酶A甲硫键型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸定义在生物氧化过程中，从代谢物脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递，最终与氧结合生成水，这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratorychain)又称电子传递链(electrontransferchain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后，经一系列电子传递体，最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。组成：递氢体和电子传递体（2H2H++2e），存在于线粒体内膜上一、呼吸链的定义第三节呼吸链与氧化磷酸化外膜内膜线粒体基质丙酮酸脂肪酸氨基酸辅酶Q嵴NADH-Q还原酶琥珀酸-Q还原酶细胞色素c氧化酶QH2-细胞色素c二、呼吸链的组成呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex，由相应酶和传递体共同组成)和两种单独成分。*Q(泛醌)和细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。线粒体呼吸链复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-Q还原酶琥珀酸--细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-琥珀酸-Q还原酶QH2-细胞色素C细胞色素c氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu多肽链数3941013ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置①烟酰胺核苷酸类：主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+，大多脱氢酶以NAD+为辅酶。电子和氢离子一起被接受，还原型CoⅠ将氢移到NADH（黄素）脱氢酶上。呼吸链中包括5类电子载体：NAD+和NADP+的结构R=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。②黄素脱氢酶类黄素脱氢酶（NADH脱氢酶）是黄素蛋白，其辅基FMN（FAD）接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•。③铁硫蛋白类NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合，组合成铁-硫中心（iron-sulfurcenter)。借铁的变价（Fe3+→Fe2+）接受电子并转给辅酶Q。铁-硫中心：存在于微生物、动物组织中，在NADH呼吸链中有多个不同的铁-硫中心。NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统（酶，FMN，铁-硫中心）。铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+Fe3++e反应传递电子。Ⓢ表示无机硫铁硫蛋白④辅酶Q类又称泛醌（ubiquinone，CoQ)，是脂溶性化合物，可接受多种脱氢酶脱下的氢和电子转变为泛醇（CoQH2）。所以处在呼吸链的中心地位。它与蛋白质结合不紧，可在黄素脱氢酶类与细胞色素类之间起载体作用。泛醇将电子传给细胞色素bc1复合体，H+释出。泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。⑤细胞色素类（cytochromes)一类以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质。广泛分布于生物细胞，由于呈现颜色，故称细胞色素。作用：靠铁的变价传递电子由CoQ传到氧。a、cytbc1复合体：含ctyb、ctyc1及铁-硫蛋白。b、cyt氧化酶：含ctya和ctya3。除含铁还含铜（Cu2+→Cu+）c、cytc：在ctybc1复合体和cty氧化酶间传递电子。细胞色素细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。传递体作用尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）递氢体尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）递氢体黄素蛋白（辅基为FAD和FMN）递氢体铁硫蛋白（Fe-S）单电子传递体辅酶Q递氢体细胞色素类单电子传递体1.NADH氧化呼吸链NADH→复合体Ⅰ→Q→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2糖、脂、蛋白质等有机物在氧化分解过程中脱下的氢，大部分经此呼