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第一节、新陈代谢总论第二节、生物氧化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二、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。三、新陈代谢的调节三个水平调节：分子水平------酶浓度和数量的调节（包括基因水平上的调节）细胞水平------细胞区域化调节整体水平------激素和神经的调节四、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=ΔH-TΔS对于A+B←→C+DΔG°=-2.303RTlgKK=[C][D]/[A][B]生物体中T2=T1所以热不能作功，能作功的能量是自由能。通常人们可以把能量分为两种。一种是热能，热能做功只能引起温度和压力的变化；另一种是自由能可在恒温恒压下做功。自由能公式为：△G＝△H－T△S△G－－－在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化△H－－体系焓的变化；T－－体系的绝对温度；△S-----体系的墒变。生物能学(Bioenergetics)生物能的性质1.自由能的概念：热机作功公式为：W=QT2–T1T2W：所做的功Q：吸收的热量T1：作功前温度T2：作功后温度自由能可以简单的看成是用于做功的能量在热力学中对自由能有严格的定义，在生化中，生物体用以做功的能量正是体内化学反应释放的自由能，或者说，在生物体内体现自由能变化是一个能量逐步浓缩的过程：光能－－－ATP－－－碳水化合物这个过程用最简洁的热力学语言描述为：“自由能不断增加，熵值不断减小的过程”。2、什么是生物能生物能主要是指生物分子的化学能，也包括一些形式的物理能如：动能、电能、辐射能、热能等。生命活动中的能量形式同自然界能量形式一样，同样遵循热力学第一定律即一种能量形式的产生，必然有另一种能量消失。3.生物能的性质1)生物能的来源；例如光合碳素循环作用（植物的能量生成〕光能－－－电能－－－活跃化学能－－－稳定化学能（ATP、NADPH〕(碳水化合物)活跃化学能转变为稳定化学能的过程：CO2＋NADPH(ATP)－－－CH2O2)标准生成自由能标准生成自由能-----在标准状态下，由稳定单质生成1摩尔纯化合物的ΔG°就等于该化合物的标准自由能生成。见表20-23)偶联反应自由能变化的可加性及其意义例两个相偶联的反应：A-----B+CΔG°=+5kcal/mol(+20.92kj/mol)B-----DΔG°=-8kcal/mol(-33.47kj/mol)A-----C+DΔG°=-3kcal/mol(-12,55kj/mol)偶联反应的自由能是可以加和的加和的结果是A生成C和D的反应可以自发进行。一个热力学上不利的反应,可以由热力学上有利的反应所驱动。4、能量学用于生物化学反应的一些规定1)自由能:物理化学中的标准自由能（G）为25℃、一个大气压，参与反应的物质均为1个mol时能量的变化。但是在生物体系中，其氧化还原反应经常有H+参加，如果按物理化学的标准自由能计算，则这个标准条件的pH值为0，显然，不符合生物体系反应条件。生物体系中，其标准自由能是指pH＝7.0时的自由能，用G°'表示，自由能的变化用ΔG°'表示2)氧化还原电位：生物体系中为pH＝7.0时的电位（ΔE°'）3)自由能与氧化还原电位的关系：ΔG°'=-nFΔE°'n：转移电子数目F：法拉第常数96.4914kJ/mol·V概念：水解自由能在20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上的化合物。高能化合物中被水解的基团称为“高能基团”，被水解的键称为“高能键”用“～”表示以磷酸作为高能基团的高能化合物称为“高能磷酸化合物”五、高能化合物CCOOHCH2O~POHPOOHOPOHOHO~PEPPPi1磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“—O～P—”如：磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、焦磷酸（PPi）等。高能化合物类型：2氮磷键型，高能键是由氮和磷构成，如磷酸肌酸3硫酯键型，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A~RCOSCoANCHNCH3NHCH2COOH~P磷酸化合物ΔG°′(kJ/mol)磷酸化合物ΔG°′(kJ/mol)磷酸烯醇式丙酮酸1,3二磷酸甘油酸磷酸肌酸ATPADP+Pi-61.92-49.37-43.01-30.54ADPAMP+PiAMP腺苷+Pi1—磷酸葡萄糖6—磷酸葡萄糖-30.54-14.22-20.92-13.81常见磷酸化合物标准水解自由能OOHOHHHACH2OPOOPOOO~OPOOO~ATPAMPADPATP的结构特性1.结构水解自由能：每个高能键的水解自由能为30.5kJ/mol或7.3kcar/mol细胞内影响ATP自由能释放的因素ATP水解释放的自由能受到许多因素的的影响,主要包括:1.pH值2.ATP的浓度多数细胞ATP、ADP和无机磷酸的浓度大约在2-10mmol/L之间.ATP4–+H2O——ADP3–+HPO42–+H+负电荷集中，共振杂化，H+浓度低OHPOHOHOOHPOOHOHOHPOHOOHOPOHOHOH2.产生高水解自由能的原因ATP在能量转换中的地位和作用作为能量通货的原因：能量居中，可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体磷酸烯醇式丙酮酸~P~P~P~PATP甘油酸－1,3－2P18161412108642生物能流：化学能太阳光能呼吸作用能量通货损失：热、熵光合作用CO2+H2O有机物化学能渗透能电能机械能热能……ATP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六、、能量代谢与物质代谢的关系异氧生物分解有机营养物质并产生ATP的三个阶段：乙酰辅酶A三羧酸循环脂肪酸多糖蛋白质脂肪单糖甘油氨基酸草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸异柠檬酸?草酰琥珀酸-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰—CoA丙酮酸第一阶段第二阶段第三阶段乙酰辅酶A生物氧化的方式及特点一、生物氧化的概念有机物在生物体内氧化分解成二氧化碳和水并释放和贮存能量的过程如葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP二、生物氧化的方式1加氧氧化RROH1/2O2第二节生物氧化与氧化磷酸化(Biologicaloxidationandoxidativephosparylation)2脱氢氧化①加水脱氢:RCHO+H2ORCHOHOHRCOHO+2H++2e-Fe2+————Fe3++e－（3）脱电子：HOOC-CH2-CH2-COOH————HOOC-CH=CH-COOH+2H++2e－琥珀酸琥珀酸脱氢酶延胡索酸②直接脱氢：三、生物氧化的特点：生物氧化是生物体在热力学允许的条件下的有序、可控的氧化过程，因为生物氧化的场所是细胞，其基本过程是大分子分解为CO2和H2O，并产生能量。生物氧化又称细胞呼吸（cellularrespiration)1)逐步氧化，有序可控；2)条件温和，多步酶促反应;3)能量逐步释放并以ATP的方式贮存。4）分为线粒体氧化体系和非线粒体氧化体系。四、CO2生成方式（1）直接脱羧（2）氧化脱羧:R-CH(NH2)-COOH——————RCH2-NH2+CO2氨基酸氨基酸脱羧酶胺CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶CHCOOHOHCH2COOH+NADP+CCOOHCH3O+CO2+NADPH+H+苹果酸丙酮酸苹果酸酶HOOCCH2CHOHCOOHCH3CCOOH+CO2NADP+NADPH+H+OCH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）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AH2AH2O1/2O2酶一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶体系五、H2O的生成方式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脱氢酶氧化酶六、氧化酶类1.电子转移酶如：细胞色素类，这是一类催化氧化还原反应的酶，其辅基是血红素，作用部位是血红素中的铁离子，接受电子和释放电子催化反应Fe3+Fe2+S1P1S2P22.氧化酶：（1）一般氧化酶：单独使底物脱氢，并把氢交给氧的酶类，如一酶体系中的多酚氧化酶。Cu2+Cu+OHOHOO1/2O2H2O22（3）末端氧化酶：处于一系列氧化还原酶末端，直接将递体的电子交给氧生成水的酶，如上述多酶体系中的最后一个酶（2）黄素氧化酶：接受底物的氢，并把它交给氧分子而生成过氧化氢的酶。辅基通常是FAD。如黄嘌呤氧化酶3.脱氢酶：催化底物脱氢，脱下的氢交给递氢体的酶。辅基通常FAD或FMN。如：琥珀酸脱氢酶：O2H2O2FADFADH2黄嘌呤尿酸4.加氧酶：加双氧酶和加单氧酶QH2FADFADH2琥珀酸延胡索酸QRROH1/2O2一、电子传递链指线粒体内膜上的电子传递系统，即电子从NADH到O2的传递经过的途径类别：NADH呼吸链：NADH脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cytb、Cytc1、Cytc、Cyta.a3呼吸链主要由蛋白质复合体组成分为四部分：NADH－－－－Q还原酶；琥珀酸－－－Q还原酶；细胞色素还原酶；细胞色素氧化酶电子传递和氧化呼吸链NAD－NADH－Q还原酶－Q－细胞色素还原酶－细胞色素C－细胞色素氧化酶－O2琥珀酸－Q还原酶黄素蛋白中的FADH2二、组成呼吸链的成员2.琥珀酸－Q还原酶（复合酶II）：与铁硫蛋白形成复合体，是膜内侧的一个嵌入蛋白，活性中心在膜的内侧，可催化琥珀酸氧化为延胡索酸，无质子泵功能。1.NADH脱氢酶（复合酶I〕：辅基为FMN，是一个跨膜蛋白，其活性中心在膜的内侧，可催化NADH脱氢，并具有质子泵功能，其与铁-硫蛋白形成复合体FMNFMNH2NAD+NADH+H+2e—2H+内膜外内FADFADH22e—2H+琥珀酸延胡索酸内膜外内3.CoQ：是醌式化合物，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的有机分子，在膜中比较自由。其反应如下：OORRRR2H+2e-OHOHRRRR++（1）Cytb：Cytb是膜的嵌入蛋白，可接受CoQ的电子，且具有质子泵功能（2）Cytc1:膜的嵌入蛋白，与Cytb组成一个复合体，它可接受b的电子，并把它传给Cytc4.细胞色素还原酶（复合酶III）所有的细胞色素类都是蛋白质，都含有辅基—血红素，如Cytc的辅基与蛋白质的结合。Fe2+Fe3++e－NMCHCH3SNPMNMCHCH3SFeNMPCysCysHisMetSCH3N其中的铁离子可接受电子和释放电子QH2QCytbCytc12e-2H+内膜外内5.细胞色素氧化酶（复合酶IV）主要催化细胞色素C到细胞色素a·a3的电子传递：a·a3是两个细胞色素的复合体，是一个跨膜蛋白，含有Cu离子。在膜的外部，Cyta接受Cytc的电子，经过Cu传给a3，a3的活性中心在膜的内侧，可以将其电子直接传给氧分子而生成水。该复合体也有质子泵功能。该复合体又称呼吸链末端氧化酶。（3）Cytc：是膜上唯一的外周蛋白，处于膜的外侧，可接受Cytc1的电子，并传给Cyta·a3。Cytc2e-内膜外内aa31/2O2+2H+H2O2e-2H+内膜外内FMNFMNH2NAD+NADH+H+2e—2H+内膜外内FADFADH22e—2H+琥珀酸延胡索酸内膜外内QH2QCytbCytc12e-