第五章 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。,G = H - TS,对于 A +B C +D,G= -2.303RTlgK K=CD/AB,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 HT 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：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： CO2NADPH(ATP)CH2O 2) 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G 就等于该化合物的 标准自由能生成。见表20-2,3) 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+C G = + 5kcal / mol (+20.92 kj / mol) B-D G = - 8 kcal / mol (-33.47 kj / mol) A-C + D G = - 3 kcal /mol (- 12,55 kj / 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pH7.0时的自由能，用G 表示 ，自由能的变化用 G 表示 2) 氧化还原电位：生物体系中为 pH7.0 时的电位（E ） 3) 自由能与氧化还原电位的关系：G = -n FE 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20.92 kJ/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,1 磷氧键型，其高能键是由磷和氧原子构成即“OP ”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,ATP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.,ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+ 负电荷集中，共振杂化，H+ 浓度低,2. 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,生物能流：,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,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 6 CO2 + 6 H2O + 能量 （2870.22 kJ/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,第二节 生物氧化与氧化磷酸化 (Biological oxidation and oxidative phosparylation),2 脱氢氧化 加水脱氢:,Fe2+ Fe3+ e,（3）脱电子：,HOOC-CH2-CH2-COOH HOOC-CH=CH-COOH+2H+2 e 琥珀酸 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸,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（cellular respiration) 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:,（-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,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。,MH2,M,递氢体,递氢体H2,NAD+、NADP+、FMN、FAD、COQ,还原型,氧化型,Cyt递电子体 b, c1, c, aa3,2H+,2e, O2,O2-,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,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。,（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：,4. 加氧酶：加双氧酶和加单氧酶,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、Cyt b、 Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3 FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、 Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3 呼吸链主要由蛋白质复合体组成分为四部分： NADHQ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,NADNADHQ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,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：,（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Cytc,4. 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,其中的铁离子可接受电子和释放电子,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aa3 的电子传递： aa3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。,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：,复合酶III,复合酶I,复合酶IV,复合酶II,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,NADHFP2（内膜内侧）Qbc1caa3O2 NADHFP3（内膜外侧）Qbc1caa3O2 NADHFP4（外膜）b5caa3O2,五、植物中的呼吸支路,NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2,六、电子传递抑制剂：,抑制部位 1. 抑制NADH Q 还原酶内的电子传递 抑制部位 2. 抑制CoQ c1 的所在传递 抑制部位 3. 抑制细胞色素氧化酶中电子的传递,氧化磷酸化,一、概念:伴随生物氧化的放能反应并由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。,氧化磷酸化：与呼吸链电子传递相偶联合成ATP的过程 , 又叫偶联磷酸化 。,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ATP