[理学]第六章-新陈代谢总论与生物氧化PPT课件

第六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三节呼吸链第四节氧化磷酸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（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aA+bB←→cC+dDΔG°=-RTlnKK=[C]c[D]d/[A]a[B]b△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-----体系的熵变。自由能用于生物化学反应的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 物理化学中的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 自由能（G）为25℃、一个大气压，参与反应的物质浓度均为1mol/L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。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常见磷酸化合物标准水解自由能ATPAMPADPATP的结构特性结构水解自由能：每个高能键的水解自由能为30.5kJ/mol或7.3kcar/mol第二节生物氧化一、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……二、生物氧化1.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葡萄糖——6CO2+6H2O+能量（2870.22kJ/mol）2.内容：碳成为二氧化碳，氢成为水，能量以热的形式释放或贮存于ATP3.方式：（1）加氧：ATP（2）脱氢:①加水脱氢: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：4.生物氧化的特点体内氧化体外氧化1）物质氧化方式：加氧、脱氢、失电子2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。相同点不同点1）反应条件：温和剧烈2）反应过程：分步反应一步反应能量逐步释放能量突然释放3）产物生成：间接生成直接生成4）能量形式：热能、ATP热能、光能体内氧化体外氧化生物氧化的特点：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。5.CO2生成方式糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2（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苹果酸丙酮酸苹果酸酶苹果酸丙酮酸苹果酸酶CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶（α-脱羧）代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。6.H2O的生成方式AH2AH2O1/2O2酶一酶体系H2O1/2O2AH2A酶1……酶2酶3酶n多酶体系三、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2.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。（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）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：4.加氧酶：加双氧酶和加单氧酶一、概念：线粒体内膜上的电子传递系统。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.a3二、组分：第三节呼吸链1.NADH脱氢酶：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-硫蛋白形成复合体内膜外内2.琥珀酸脱氢酶（FAD）：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，无质子泵功能内膜外内3.Fe-S蛋白：含有等量的铁和硫，二者形成配位键，铁还和肽链的半胱氨酸形成配位键。有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。但只有一个铁可以接受和放出电子SFe—S(半胱)SSS(半胱)S—Fe(半胱)S—FeFe—S(半胱)肽SSSSSS肽FeFe4.CoQ：是醌式化合物，脂溶性,由多个异戊二烯连接形成较长的疏水侧链，可接受一对质子和一对电子，是呼吸链上唯一的非蛋白电子载体，在膜中比较自由。氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。其反应如下：Fe2+Fe3++e－（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Cytc5.细胞色素（Cyt）类:共有5种，分别为Cytb、Cytc1Cytc、Cyta.a3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－其中的铁离子可接受电子和释放电子内膜外内（4）Cyta·a3：主要催化细胞色素C到细胞色素a·a3的电子传递：这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。该复合体又称为细胞色素c氧化酶、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2H+内膜外内前三者都属于细胞色素还原酶NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2-0.32–0.300～0.1+0.07+0.22+0.25+0.29+0.816琥珀酸→FAD→CoQ→b→c1→c→aa3→O2+0.06三、工作机理：1.呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位：2.工作机理：氧化还原反应:电子转移反应化学电池：Zn=Zn2++2e-Cu2++2e-=Cu氧化还原电势:还原剂失电子；氧化剂得电子倾向GreensolutionofZn2+ionsCu生物体内的氧化还原反应原理与化学电池相同内外IIIIIIIVc内膜QNADH琥珀酸1/2O2四、存在状态四个复合体：复合体I：NADH脱氢酶、铁硫蛋白复合体II：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白复合体III：细胞色素b、c1复合体IV：细胞色素氧化酶两个游离载体：辅酶Q、细胞色素c（1）复合体Ⅰ：NADH一泛醌还原酶：该复合体将电子从NADH经FMN及铁硫蛋白传给泛醌。（2）复合体Ⅱ：琥珀酸一泛醌还原酶：该复合体将电子从琥珀酸经FAD及铁硫蛋白传递给泛醌。（3）复合体Ⅲ：泛醌一细胞色素C还原酶：该复合体将电子从泛醌经Cytb、Cytc1传给Cytc。（4）复合体Ⅳ：细胞色素C氧化酶：该复合体将电子从Cytc经Cytaa3传递给氧。外IIIIIIIVc内膜Q鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素STOPSTOP抗霉素ACN–、N3–CO、H2SNADH→复合体I→Q→复合体III→Cytc→复合体IV→O2STOP五、电子传递抑制剂：第四节氧化磷酸化一、概念:伴随生物氧化放能反应由ADP与Pi合成ATP的过程。二、类型:底物水平磷酸化：高能磷酸化合物在酶的作用下将高能磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程。丙酮酸激酶氧化磷酸化：是指呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，即将电子传递过程中产生的自由能用于ATP合成又称为偶联磷酸化。NADHO2呼吸链能量ADP+PiATP三、偶联部位:1.电位：电位差在0.158伏以上的部位可以偶联产生ATP0.53V0.22V0.32VNADHQbcaO2每消耗1原子氧同时消耗几分子无机磷酸，即每传递1对电子可偶联产生几分子ATP底物NADH琥珀酸CoQ细胞色素cP/O32212.P/O：NADH→FMN→CoQ→Cytb→Cytc1→Cytc→Cyta.a3→O2ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPIIIIIV琥珀酸→FADII呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和原子氧（O）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至原子氧所产生的ATP分子数。根据氧化-还原电位与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G’<-30.5kJ/mol。FMNH2Qcytbcytc1cytaa3O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。四、氧化磷酸化机理:1.氧化磷酸化的细胞结构基础线粒体（mitochondria）外膜（outermembrane）内膜（innermembrane）嵴（sterility）线粒体内膜的表面有一层规则地间格排列着的球状颗粒，称为ATP酶复合体，是ATP合成的场所。2.ATP合成酶(ATPsynthase）)F1-F0因子：结构膜bdgebabaadgeF1F0F1：3a、3b、g、d、e5种共9个亚基亚基为ATP合成部位F0：多个疏水亚基，嵌入膜内，为质子通道和F1的基底g亚基突出与F0结合F1：催化ATP合成F0：穿膜质子通道ATPADP+Pigaaabbb内膜bdgebaADP+PiATP2H+F1-F0的工作机理IIIIIIIVcQ内膜内外FMNbc1aa3F1F01/2O2H2O2H+2H+2H+ADP+PiATPNADH+H+NAD+琥珀酸2H+电子传递泵出质子，内膜的内外侧形成质子的浓度梯度和电位梯度，总称为质子的电化学梯度2H+化学渗透学说机理（1）化学偶联假说（Chemicalcouplinghypothesis)（2）构象偶联假说(conformationalcouplinghypothesis)（3）化学渗透学说（Chemicalosmotictheory）（Mitchell1961）3.氧化磷酸化机理化学渗透学说要点线粒体的内膜是完整的封闭系统。电子传递过程中，释放能量将质子由内膜内侧泵到内膜外侧。内膜两侧形成质子电化学梯度，蕴藏了进行磷酸化的能量。4.质子经F1—F0复合体回到内膜内侧，推动ADP磷酸化形成ATP。作用机理：将内膜外侧的质子转移到内膜的内侧，从而瓦解质子的电化学梯度。解偶联(uncoupling)—使相互偶联的电子传递的放能过程和ATP合成的需能过程分离的现象称为解偶联。能够解偶联的物质叫解偶联剂。解偶联剂有多种物质，如：解偶联蛋白、2.4-二硝基苯酚、双香豆素等典型的解偶联剂2，4—二硝基苯酚作用机理。外内内膜五、氧化磷酸化的解偶联剂(uncoupler)和抑制剂氧化磷酸化抑制剂(oxidativephosphorylationinhibitor)：直接作用于F1—F0复合体，抑制ATP合成的物质。如寡霉素，其作用机理是堵塞了质子通道。内膜bdgebab内膜aadge2H+2H+2H+2H+2H+寡六、胞液中NADH的氧化磷酸化胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有：磷酸甘油穿梭系统(glycerophosphateshuttle)苹果酸-天冬氨酸穿梭系统(malate-asparateshuttle)Q→b→c1→c→a.a3内膜外膜细胞质III1.磷酸甘油穿梭组成：两种磷酸甘油脱氢酶O2磷酸二羟丙酮-磷酸甘油磷酸二羟丙酮-磷酸甘油酶II嵌入蛋白功能：将磷酸甘油的电子传给CoQ，而使外源NADH的电子进入呼吸链。外源NADH的电子被转移到呼吸链，这种系统中，NADH可以产生2个ATP。酶I：可溶性酶，存在于细胞质中-磷酸甘油磷酸二羟丙酮FADFADH2①①②②呼吸链C2内膜外膜C12.苹果酸-天冬氨酸穿梭该系统由两种苹果酸脱氢酶（①，存在于细胞质和线粒体），两种谷草转氨酶（②，存在于细胞质和线粒体）和C1、C2两个载体组成外源NADH被转移到线粒体内，这种系统中，NADH可以产生3个ATP。-酮戊二酸天冬氨酸谷氨酸-酮戊二酸谷氨酸天冬氨酸苹果酸草酰乙酸NADH+H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+NADH+H+NAD+NADH+H+NAD+谷氨酸-天冬氨酸转运体苹果酸-α-酮戊二酸转运体苹果酸草酰乙酸α-酮戊二酸谷氨酸苹果酸脱氢酶谷草转氨酶胞液线粒体内膜基质呼吸链天冬氨酸2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（肝、心肌）