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1、第八章 代谢作用概论,主要内容:重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。,新陈代谢(metabolism)是生命最基本的特征之一,泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质,通过一系列生物反应转变成自身组织成分,即所谓同化作用(assimilation);另一方面,将原有的组成成份经过一系列的生化反应,分解为简单成分重新利用或排出体外,即所谓异化作用(dissimilation),通过上述过程不断地进行自我更新。特点:特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子 大分子合成代谢(
2、同化作用)需要能量 释放能量分解代谢(异化作用)大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O)+O2,(CO2)+H2O,ATP,ADP,(光 能),(电 能),(化 学 能),(化 学 能),(电 能),(化 学 能),脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递(氧化),蛋白质,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物(如丙酮酸、乙酰CoA等),共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢
3、由电子传递链传递生成H2O,释放出大量能量,其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,第一节 代谢的一般过程,一、分解代谢与合成代谢,1、酶抑制剂的应用2、利用遗传缺陷症研究代谢途径3、气体测量法4、同位素示踪法,二、中间代谢,三、微生物代谢与发酵工程(略),一、生物氧化的本质与特点(P302),在活的细胞中(pH 接近中性,体温条件下),有机物的氧化在一系列酶,辅酶和中间传递体参与下进行,其途径迂回曲折,有条不紊,氧化过程中能量逐步释放,其中一部分由一些高能化合物(如 ATP)截获,再供给机体所需.在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体,又能使释放的能量尽可
4、得到有效的利用。,第二节 生物氧化,在无氧条件下,兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体,将燃料分子氧化分解,这称为无氧氧化。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体(如厌氧发酵),有的则以无机物分子作为氢受体(如微生物中的化能自养菌对NO3-、SO42-的利用)。,1.无氧氧化,二、有氧氧化和无氧氧化(P303),2.有氧氧化 生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下,好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为电子受体,可将燃料分子完全氧化分解,这称为有氧氧化。因为有氧氧化燃烧完全,产能多,所以,只要有氧气存在,细胞都优先进行有氧氧化。,三、生物氧化与生物能,(一)氧化还原
5、电势,原电池示意图,E0=E0正极-E0 负极=+0.34 V-(-0.76 V)=+1.10 V,负极反应:Zn=Zn2+2 e E0 Zn2+/Zn=-0.76 V,正极反应:Cu=Cu2+2 e E0 Cu2+/Cu=+0.34 V,1、标准氧化还原电势,Nernst(能斯特)方程,则非标准状态下的可通过能斯特方程进行计算:,R为气体常数,其值为8.314JK-1 mol-1,F为法拉第常数,其值为96.485kJ/(V.mol),T为热力学温度,当T=298K时,2、非标准状态下的氧化还原电势(P305),E,E0,电子受体,电子供体,E,E0,电子受体,电子供体,0.03,(二)自由
6、能的变化(P306),氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下:G=nFE,例题:计算下反应式 G(P306),G=-nFE=-296.4850.123=-23.74kJ/mol,(三)高能键和高能化合物,生化反应中,在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能(21 千焦/摩尔)的化合物称为高能化合物。,1、高能键和高能化合物的概念,2、ATP 在能量代谢中的作用,在 pH=7 环境中,ATP 分子中的三个磷酸基团完全解离成带 4 个负电荷的离子形式(ATP4-),具有较大势能,加之水解产物稳定,因而水解自由能很大(G=-30.5 千焦/摩尔)。,ATP+H2O ADP+PiG-30.5
7、 kJ/摩尔,ADP+H2O AMP+Pi G-33.1 kJ/摩尔,ATP 在能量转运中地位和作用,ATP 是细胞内的 能量通货 ATP 是细胞内磷酸基团转移的中间载体,代谢物,分解氧化,CO2 H2O,能,热能(散发),化学能(储能),ATP,ADP,Pi,C,CP,+,能,机械能(肌肉收缩)化学能(合成代谢)渗透能(吸收分泌)电能(神经传导生物电)热能(维持体温)等,ATP 的生成和利用,四、生物氧化酶类,1、不需氧脱氢酶(表 8-3),2、需氧脱氢酶和氧化酶,第三节 生物氧化体系,一、生物氧化体系的类型,不需传递体的生物氧化体系需传递的生物氧化体系,1、不需传递体体系是最简单的生物氧化
8、体系。从底物脱下来的氢不需传递,直接在酶作用下与分子氧结合。这种酶可分为,(见P310)氧化酶类它是含Cu+或Fe+的金属蛋白,不能从底物上脱氢,只能夺取底物上的电子对(2e),用于激活分子氧(O2),从而促进氧与底物的化合。氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。,(1)氧化酶类催化的反应模式,(2)需氧脱氢酶类催化的反应模式,(一)呼吸链的概念(P311),二、呼吸链,线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体(酶与辅酶)构成的功能单位,也称电子传递链。,(二)呼吸链的组成,四种具有传递电子功能的酶复合体(合成物),*泛醌和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。,复合体,酶名称,复合体,复合
9、体,复合体,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,,,Fe,-,S,,,Fe,-,S,铁卟啉,,Fe,-,S,铁卟啉,,Cu,多肽链数,4,11,13,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,,,Fe,-,S,FAD,,,Fe,-,S,铁卟啉,,Fe,-,S,铁卟啉,,Cu,多肽链数,42,4,13,线粒体呼吸链复合体,FMN,Fe-S复合体,FAD,Fe-S,Cytb复合体,Cyt
10、b,Fe-S,Cytc1复合体,Cytaa3,Cu复合体,Cytc,Q,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,呼吸链主要成分和作用,递氢体递电子体,烟酰胺(NAD+,NADP+)黄素蛋白(flavoprotein)(FMN,FAD)铁硫蛋白(Fe-S)泛醌(Ubiquinone)(CoQ)细胞色素类(Cytochrome)(Cyt),烟酰胺核苷酸类(NAD+,NADP+),递氢体,黄素蛋白(flavoprotein)类(FMN,FAD),递氢体,铁硫蛋白,Fe2+,Fe3+电子,传递电子方式:,递电子体,泛醌(CoQ),(Ubiquinone),递氢体,细胞色素(Cytochrome)类,Cytb,Cy
11、tc1,Cytc,Cytaa3,组成呼吸链的细胞色素:,细胞色素氧化酶,Fe2+,Fe3+电子,递电子体,细胞色素 c 辅基,细胞色素系统传递电子的过程,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,1/2 O2,O2-H2O,2 H+,2 e,2 e,2 e,2 e,2 e,b c1 c,Cu2+,aa3,(三)呼吸链主要成分的排列顺序,NADH 氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链(FADH2 氧化呼吸链),体内的两条呼吸链:(P315),1.NADH 氧化呼吸链NADH 复合体 Q 复合体 Cyt c 复合体 O22.琥珀酸氧化呼
12、吸链琥珀酸复合体 Q 复合体 Cyt c 复合体 O2,NADH 氧化呼吸链,FADH2 氧化呼吸链,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2 个电子,NADH,三、细胞质中的 NADH 的氧化,胞液中生成的 NADH 不能自由通透线粒体内膜,必须经过转运机制进入线粒体1、磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭系统(神经组织和骨骼肌)2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用(肝和心肌),磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭机制示意图,2 H,-磷酸甘油穿梭,1.5 ATP,神经组织和骨骼肌,苹果酸天冬氨酸穿梭系统,2 H,苹果酸-天冬氨酸穿梭,2.5 ATP,肝和心肌,第四节 氧化磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自
13、由能用于合成 ATP(即 ADP+Pi ATP),这种氧化放能和 ATP 生成(磷酸化)相偶联的过程称氧化磷酸化(生物体通过磷酸化作用,将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移到 ATP 分子中形成高能磷酸键的过程 P320)。,一、ATP 的生成,类别:底物水平磷酸化 电子传递水平磷酸化,二、电子传递过程中自由能的变化,呼吸链中电子传递时自由能的下降,三、氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体ATP合酶(mitochondrial ATPase)2、能量偶联假说 1953年 Edward Slater 化学偶联假说 1964年 Paul Boyer 构象偶联假说 1961年 Peter Mitc
14、hell 化学渗透假说,3、质子梯度的形成4、ATP合成的机制,1978年获诺贝尔化学奖,1、线粒体 ATP 合酶(P324),氧化磷酸化重建示意图,2,化学渗透假说(chemiosmotic hypothasis),电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙,从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度,这个梯度的电化学势(H+)驱动ATP的合成。,化学渗透假说原理示意图,4 H+,2 H+,2 H+,4 H+,NADH+H+,2 H+,2 H+,2 H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2 个电子,+,_,质子流,线粒体内膜,Boyer和Walker的工作,英国科学家Wal
15、ker通过x光衍射获得高分辩率的牛心线粒体ATP酶晶体的三维结构,证明在ATP酶合成ATP的催化循环中三个亚基的确有不同构象,从而有力地支持了Boyer的假说。,Boyer和Walker共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家Boyer为解释ATP酶作用机理,提出旋转催化假说,认为ATP合成酶亚基有三种不同的构象,一种构象(L)有利于ADP和Pi结合,一种构象(T)可使结合的ADP和Pi合成ATP,第三种构象(O)使合成的ATP容易被释放出来。在ATP合成过程中,三个亚基依次进行上述三种构象的交替变化,所需能量由跨膜H+提供。,ATP 酶作用机理,ATP,有于 ADP 与 Pi 结合的构象,有于 ADP 与 Pi 生成的构象,有利于 ATP 释放的构象,五、磷氧比(P/O),六、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,葡萄糖完全氧化产生的 ATP,总计:30 ATP 或 32 ATP,
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