代谢总论和生物氧化1

代谢总论与生物氧化第七章第一节新陈代谢的有关概念新陈代谢(metabolism)又称为代谢，是指生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变化的总称。生物体的一切生理现象，如生长、发育、繁殖、呼吸等等，都是代谢反应的结果。新陈代谢是生命最基本的特征，一旦代谢停止，生命也就结束了。新陈代谢合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）能量代谢物质代谢生长旺盛时：合成代谢分解代谢成长的生物：合成代谢分解代谢衰老或饥饿：合成代谢分解代谢能量代谢研究光能或化学能在细胞中向生物能(ATP)转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。物质代谢糖、脂、蛋白质及核酸等类物质在细胞内发生酶促转化的途径及调控机理，包括细胞自身旧分子的分解和新分子的合成。合成代谢合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等。分解代谢分解代谢是代谢作用的分解过程，是有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、CO2和NH3等）的过程。代谢作用中的能量关系分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和还原的电子载体（NADH、NADPH、FADH2），其余的作为热量散失。合成代谢需要获得能量，通常需要ATP分子磷酸酯键的转移和还原型辅酶（NADH、NADPH和FADH2）供应还原力。代谢途径细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。SABDCPe1e2e3e4e5代谢作用的特点代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序性。代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所催化。代谢作用具有高度灵敏的自我调节。整体水平上，主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节；细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现；分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现。生物的营养类型自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源的不同，生物可分为两大类型：自养生物(Autotrophs)：可利用大气中的CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。第二节中间代谢的实验研究方法1.研究材料：单细胞生物，多细胞生物，病毒与噬菌体2.研究水平：体内研究（invivo）：用生物体、组织器官或微生物群体研究。体外研究（invitro）：用组织切片、匀浆、提取液等研究。核糖体，微粒体，高尔基体线粒体，溶酶体等细胞核，未破碎细胞组织匀浆600g×10min15,000g×5min100,000g×60min1.代谢平衡实验通过体内实验研究代谢物摄入和产物排出的平衡关系。例如测定呼吸商可判断体内能量来源。研究代谢途径的方法R.O.=产CO2量（L）耗O2量（L）糖、脂、蛋白质等营养物质在体内氧化分解需要消耗O2，放出CO2，CO2与O2的体积比称为呼吸商。R.O.糖类1脂肪0.7蛋白质0.8正常代谢0.85-0.95三大营养物质能量来源饥饿状态0.7-0.8脂肪、蛋白质糖尿病人0.7脂肪2.代谢障碍实验正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析。若造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于探讨代谢途径历程。造成微生物营养缺陷型使用抗代谢物使用专一性抑制剂抑制酶活3.代谢物标记追踪实验将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。同位素示踪法：常用稳定同位素：2H、15N、13C、18O常用放射性同位素：3H、32P、14C4.测定特征性酶每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。糖代谢途径的特征性酶：EMP途径：醛缩酶HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶TCA循环：柠檬酸合成酶第三节生物氧化BiologicalOxidation一、概念物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。•生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化反应的一般规律。•物质在体内、体外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2、H2O）和释放的能量均相同。二、生物氧化的特点生物氧化与体外氧化的相同点：生物氧化与体外氧化的不同点：生物氧化体外氧化反应温度37℃高温反应环境近中性干燥催化剂酶无能量释放的速度缓慢快速能量释放的形式主要以生成ATP等高能化合物的形式释放热产生CO2与H2O的方式进行广泛的加水脱氢反应，间接得氧，脱下的氢与氧结合成水；有机酸脱羧产生CO2。氧直接与碳、氢结合，生成CO2与H2O。生物氧化中CO2的生成方式：有机酸脱羧※单纯脱羧α-单纯脱羧β-单纯脱羧※氧化脱羧α-氧化脱羧β-氧化脱羧HOOCCH2-CH-COOHH3C-C-COOH+CO2O=OH苹果酸酶NADP+NADPH+H+苹果酸丙酮酸COOHR-CH-NH2R-CH2-NH2+CO2氨基酸脱羧酶α-氨基酸胺HOOCCH2-C-COOHO=H3C-C-COOH+CO2O=丙酮酸羧化酶草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸丙酮酸H3C-C-COOH+HSCoAO=H3C-C-SCoA+CO2O=NAD+NADH+H+丙酮酸脱氢酶系丙酮酸乙酰CoA生物氧化中物质氧化的方式：•加氧RCHO+1/2O2RCOOH•脱氢RCH2OHRCHO-2H•加水脱氢CH3CHOCH3COOHCH3CHOHOH+H2O-2H•失电子Fe2+Fe3+-e三、生物氧化的一般过程糖原三酰甘油蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸乙酰CoATACCO22H呼吸链H2OADP+PiATP线粒体的结构：（一）呼吸链（respiratorychain)概念：（1）代谢脱下的成对氢原子（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；（2）酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜；传递氢的酶和辅酶——递氢体传递电子的酶和辅酶——递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，统称电子传递体，该链又称电子传递链。四、生成ATP的氧化体系呼吸链中的组成:复合体复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体Ⅳ酶名称NADH-CoQ还原酶琥珀酸-CoQ还原酶CoQ-CytC还原酶CytC氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卜啉，Fe-S铁卜啉，CuNADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链（1）复合物Ⅰ——NADH-CoQ还原酶结合铁硫蛋白的,辅基为FMN的黄素蛋白，42条肽链，850kD.结合NADH,并将其氧化为NAD+;将电子传递给泛醌,使4H+释放入内外膜间隙.NAD+与NADP+的结构：NNNNNH2OCH2HOHORHHHOPOPOCH2OOHOHHHNHO-O-CNH2OOO+NAD+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,辅酶INADP+:烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,辅酶IIR=H:NAD+;R=H2PO3:NADP+H++e•FMN（1）复合物Ⅰ——NADH-Q还原酶•Fe-S辅基的铁硫簇含有等量的铁原子和硫原子Fe2S2,Fe4S4Fe4S4作用：Fe2+Fe3++e单电子传递•泛醌（ubiquinone）亦称辅酶Q（CoenzymeQ,CoQ）人体中：CoQ10A、结构1.含有很多异戊二烯侧链的醌类化合物2.脂溶性3.是电子传递体中唯一可游离存在的电子载体（无蛋白）NADH+H+NAD+FMNFMNH2Fe3+Fe2+QQH2NADHFMNFe-SQ复合体Ⅰ传递电子的过程：NADH+H+NAD+2e-FMN2H+Fe-SN-2QQH22H+（2）复合物Ⅱ琥珀酸-泛醌还原酶即琥珀酸脱氢酶.至少由4条肽链组成，含有一个FAD，2个铁硫蛋白及细胞色素b560.其作用是催化电子从琥珀酸转至CoQ，但不转移质子。细胞色素cytochrome,CytA、结构：一类含铁卟啉辅基的色素蛋白B、分类:Cyta:Cytaa3Cytb:Cytb562、Cytb566、Cytb560Cytc:Cytc、c1C、区别：①铁卟啉辅基侧链不同②铁卟啉辅基与酶蛋白连接方式不同细胞色素cCytFe3++eCytFe2+甲酰基多聚异戊二烯长链（3）复合物ⅢCoQ-cytc还原酶即细胞色素c还原酶，由至少11条不同肽链组成，以二聚体形式存在，每个单体包含两个细胞色素b（b562、b566）、一个细胞色素c1和一个铁硫蛋白。催化电子从辅酶Q传给细胞色素c，每转移一对电子，同时将4个质子由线粒体基质泵至膜间隙。b566b562Fe-Sc1QH2CytcCytc•呈水溶性•与线粒体内膜外表面结合不紧密•易与线粒体内膜分离复合体Ⅲ传递电子的过程Cytc1Fe-SbLbHCytcQH2QQH2的第一次氧化QH2的第二次氧化QQ2H+Cytc1Fe-SbLbHCytcQH2QQ2H+QH22H+e-e-e-e-（4）复合物ⅣCytc氧化酶每个单体由至少13条不同的肽链组成，分为三个亚单位：I包含两个细胞色素（a、a3）和一个铜蛋白(CuB);Ⅱ包含两个铜离子(CuA)构成的双核中心，其结构与2Fe-2S相似;Ⅲ的功能尚不了解。Cu2++eCu+CuAaa3CuBCytcO2NADHFMN(Fe-S)Qbc1caa3O2琥珀酸FAD(Fe-S)Qbc1caa3O2NADH氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链总反应NADH+H++1/2O2NAD++H2O呼吸链或FADH2+1/2O2呼吸链FAD+H2O进一步:2H+1/2O2呼吸链H2O含在FADH2中或NADH中呼吸链中电子传递体的排列顺序的确定：利用脱氧胆酸处理线粒体内膜，分离出呼吸链的4种复合物、辅酶Q、细胞色素C及ATP合酶。根据标准氧还电位E0’的高低排列根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测利用阻断剂研究分析四种复合物的电子传递再造实验三、氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）概念：呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式。反应ADP+PiATP+H2O为什么需要偶联?ATP是比ADP与Pi能量更高的化合物。由ADP与Pi反应生成ATP是非自发过程，需要获得能量才能进行。ADP+PiATP+H2O30.5kJ/mol能量升高反应能级图呼吸链电子传递过程中，哪些区段放出的能量能实现ADP的磷酸化？什么是P/O比？其值有何意义？---物质氧化时，每消耗1mol氧原子所消耗无机磷的mol数（或ADPmol数），或每消耗1mol氧所生成的ATP的mol数.ATP合成酶氧化磷酸化偶联机制有：化学物质偶联学说、构象偶联学说及化学渗透学说。目前公认度较大的是化学渗透学说。呼吸链的氧化与ADP的磷酸化是怎样偶联的？1961~1978化学渗透学说：电子传递过程中，电子传递链起到质子泵的作用，将H+从线粒体内膜基质泵至线粒体内外膜间隙侧，造成膜间隙与基质侧质子化学浓度梯度，形成了膜电位，这是推动ATP合成的原动力。当存在足够高的跨膜质子梯度时，强大的质子流进入ATP合成酶通道流回基质侧，释放的自由能带动ATP合成酶运转，合成ATP。影响氧化磷酸化的因素(1)、抑制剂呼吸链抑制剂阻断呼吸链的电子传递。解偶联剂破坏内膜两侧的电化学梯度，使氧化与磷酸化的偶联脱离。如：解偶联蛋白、2,4-二硝基苯酚。氧化磷酸化抑制剂如寡霉素，在ＡＴＰ合酶中抑制质子回流，从而抑制ＡＤＰ的磷酸化。呼吸链抑制剂的阻断位点鱼藤酮粉蝶霉素Ａ安密妥抗霉素ＡCO、CN-、N3-及Ｈ２ＳＨ＋Ｈ＋Ｈ＋ADP+PiATP+H2O解偶联蛋白Ｈ＋解偶联作用机制热Ｈ＋寡霉素的抑制作用阻止质子从F0质子通道回流。寡霉素(2)ADP的调节作用(3)甲状腺激素(4)线粒体DNA突变五、生物氧化的生物学意