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本课件系统讲解新陈代谢的研究方法与基本概念,展开生物氧化的方式与酶类,重点剖析呼吸链的组成、电子传递顺序与氧化磷酸化的偶联机理。
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
新陈代谢总论 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
新陈代谢的共同特点:
新陈代谢的研究方法
四、高能化合物与ATP的作用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一般将水解时能够释放21 kJ /mol(5kCal/mol)以上自由能(G′< -21 kJ / mol)的化合物称为高能化合物。
( 烯醇式磷酸化合物(例)磷氧型高能磷酸化合物:-61.9 kJ/mol
( 酰基磷酸化合物(例)-42.3 kJ/mol
( 焦磷酸化合物(例)ATP(三磷酸腺苷)-30.5 kJ/mol焦磷酸-28.84 kJ/mol
磷氮型高能磷酸化合物:-43.1 kJ/mol
( 硫酯键型高能化合物(例)非磷酸高能化合物:乙酰辅酶A –31.4 kJ/mol
( 甲硫型高能化合物(例)–41.8 kJ/mol
ONNNNNH2-HH-OHHO-O-P ~O-OO O-P ~O-P-O-CH2-O -OOHATP的特殊作用ATP作用:是能量的携带者或传递者,而非贮存者,是能量货币ATP是生物细胞内能量代谢的偶联剂
ATP +H2O → ADP +Pi其ΔG0′= -30.51kJ/mo1;
当ADP +Pi → ATP时,也需吸收30.51kJ/mol的自由能磷酸肌酸(脊椎动物)和磷酸精氨酸(无脊椎动物)是能量的贮存形式肌酸磷酸激酶
第二节生物氧化——有机物质在细胞内的氧化作用。
又称组织呼吸或细胞呼吸。
★在整个生物氧化过程中,有机物质最终被氧化成CO2和H2O,并释放出能量形成ATP。
生物氧化的特点(一)氧化还原的本质——电子转移电子转移的主要形式:
在细胞内,于体温、近于中性的含水环境中由酶催化。
(
( 氧化脱羧:在脱羧过程中伴随着氧化(脱氢)HOOCCH2CHOHCOOHNADP+NADPH+ H+O苹果酸CH3CCOOH +CO2苹果酸酶
氧化型2H+MH2M氧化型还原型(2H)递氢体NAD+,NADP+, FMN,FAD,COQ还原型递电子体Cyt b, c1, c, aa32e½ O2O2-H2O脱氢酶氧化酶
ATP合成酶
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呼吸链包括:NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、细胞色素c还原酶、细胞色素c氧化酶NADHNADH-Q还原酶Q细胞色素c还原酶细胞色素cO2琥珀酸-Q还原酶FADH2细胞色素c氧化酶
呼吸链的组成( 烟(尼克)酰胺脱氢酶类——以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶,已知的有200多种该类酶均为不需氧脱氢酶,即不以氧为直接受氢体。
FMNH2 或FADH2 可进一步将电子转移给辅酶Q。
NNNCCONHOCH3CH3R101NNNCCONHOCH3CH3HHR+ 2H-2H
[ Fe S ]只含1个铁原子
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[ 2Fe –2S ]
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[ 4Fe –4S ]
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( 辅酶Q类——电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。
为一种脂溶性醌类化合物, 又名泛醌, 简写为CoQ或Q。
血红素A血红素C血红素B
4. 呼吸链中传递体的顺序a.测定各电子传递体氧化还原电位的数值——按氧化还原电位由低到高顺序排列;
确定呼吸链中各传递体顺序的方法依据:b. 利用电子传递抑制剂确定其顺序;
c. 通过电子传递体体外重组实验加以验证;d. 根据从线粒体中分离到的传递体复合体排序(4种)。
呼吸链各组分的标准氧化还原电位:下表列出呼吸链中各电子载体的 Eº′ 数值。
| 电子载体(氧化还原对) | Eº′(V) |
|---|---|
| NAD+/NADH | -0.32 |
| FMN/FMNH2 | -0.30 |
| FAD/FADH2 | -0.18 |
| CoQ/CoQH2 | +0.04 |
| Cyt b | +0.07 |
| Cyt c1 | +0.22 |
| Cyt c | +0.25 |
| Cyt aa3 | +0.29 |
| O2/H2O | +0.816 |
说明:电子由低电位向高电位迁移,△Gº′ 逐步降低并放能。原文同时标注了鱼藤酮、安密妥、抗霉素 A、氰化物、CO、叠氮化合物等电子传递抑制剂的作用部位。
NADH FMN QCytb Cytc1Cytc aa3(Fe-S) (Fe-S) O2FADH2(Fe-S)电子传递链各组份的排列顺序II(琥珀酸-Q还原酶)INADHQ还原酶IIIQ-细胞色素c还原酶IV细胞色素c氧化酶
膜间隙(外)基质(内)琥珀酸延胡索酸呼吸链中的电子载体以多酶复合体形式发挥功能
Fe-S复合体I基质(负)膜间隙(正)基质臂 NADH泛醌还原酶
复合体Ⅰ+ CoQH24H++ 2eFe-S复合体I基质(负)膜间隙(正)基质臂
琥珀酸-Q还原酶膜间隙(正)基质(负)琥珀酸延胡索酸复合体Ⅱ复合体Ⅲ
膜间隙(正)基质(负)琥珀酸延胡索酸复合体Ⅱ复合体ⅢCoQH2复合体Ⅱ复合体Ⅲ2e2H+
泛醌细胞色素c还原酶
CoQH2 + 复合体Ⅲ4H++ 2e
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细胞色素c氧化酶
简写: Cyt c 氧化酶,即复合体IV位于线粒体呼吸链末端, 由13个多肽亚基组成。
活性部分主要包括Cyta和a3, 两者组成一个复合体,除含铁卟啉外,还含铜原子。
Cyt a a3可以直接以O2为电子受体。在电子传递过程中,分子中的铜离子可以发生Cu+Cu2+的互变,将Cyt c所携带的电子传递给O2。
复合体Ⅳ + 2H+Cyt cABC膜间隙(正)基质(负)1(泵出)(底物)2H+2H+复合体Ⅳ
四、氧化磷酸化作用(Oxidative phosphorylation)——伴随着放能的氧化作用而进行的磷酸化ADP + Pi + 能量→ ATPAMP + PPi + 能量→ATP(一)ATP的生成氧化磷酸化底物水平磷酸化电子传递体系磷酸化
底物水平磷酸化反应举例COO-C-O~PCH2磷酸烯醇式丙酮酸COO-C=OCH3丙酮酸丙酮酸激酶ADPATP
( P/O比和由ADP生成ATP的数目P/O比:物质氧化时,每消耗1mol氧原子所消耗的无机磷酸的mol数(或ADP mol数),即生成ATP的mol数。
NADH呼吸链:P/O比值≈3FADH2呼吸链:P/O比值≈2故推断从NADH到分子氧、FADH2到分子氧的呼吸链中,可分别合成3个、2个ATP。
( 呼吸链电子传递过程中的自由能变化1
复合体I:NADH→CoQ, E0’= 0.360V, G0’= -69.5kJ/mol复合体III:CoQ →Cytc, E0’= 0.190V, G0’= -36.7kJ/mol复合体IV:Cytaa3 →O2, E0’= 0.580V, G0’= -112kJ/mol复合体II:FADH2→CoQ, E0’= 0.085V, G0’= -16.4kJ/mol
跨膜质子转移
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(二)胞液中NADH 的氧化磷酸化在细胞质中经糖酵解产生的NADH, 不能透过线粒体内膜进入呼吸链以便进行有氧氧化。
只能通过两种精妙的“穿梭”系统解决NADH 的再氧化问题:①甘油-α-磷酸穿梭系统②苹果酸-天冬氨酸穿梭系统
NADH+ H+线粒体内膜甘油-α-磷酸穿梭作用甘油-α-磷酸FAD二羟丙酮磷酸FADH2NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→aa3→O2二羟丙酮磷酸CH2OHC=OCH2O-NAD+甘油-α-磷酸CH2OHCHOHCH2O-①②①胞液甘油-α-磷酸脱氢酶;
②线粒体甘油-α-磷酸脱氢酶(黄素蛋白脱氢酶)
酵解NADH草酰乙酸天冬氨酸NAD+苹果酸苹果酸NAD+草酰乙酸NADH天冬氨酸NADH呼吸链苹果酸-天冬氨酸穿梭系统COOHCHNH2CH2COOHCOOHC=OCH2COOHCOOHCHOHCH2COOH转氨酶转氨酶细胞质线粒体①②①细胞质苹果酸脱氢酶②线粒体苹果酸脱氢酶线粒体内膜
化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说(三)氧化磷酸化作用机制氧化作用(电子传递)与磷酸化作用相偶联已经不存在任何疑问,但对二者究竟如何偶联,尚有许多未完全阐明的问题。
共存在三种假说:
1. 化学偶联假说1953年Edward Slater 最先提出。
认为:电子传递产生一种高能共价中间物, 它随后的裂解释放能量驱动ATP合成。
但在电子传递体系磷酸化作用中一直未找到任何一种活泼的高能中间物。
膜间隙琥珀酸延胡索酸基质化学势差内碱电势差内负质子驱动力推动ATP合成内膜外膜
基质侧膜间隙侧
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利用线粒体内膜上的ATP 合成酶的特点,H+ 通过ATP 酶的特殊途径,返回到基质,使质子发生逆向回流。
由于H+浓度梯度所释放的自由能,偶联ADP 与无机磷酸合成ATP,质子的电化学梯度也随之消失。
基质侧膜间隙侧
细胞质膜间隙基质由于泵出质子,使得基质外侧的质子浓度高于内侧流动的电子载体ATP 合成酶膜结合蛋白复合体来自NADH 的电子来自FADH2的电子电子传递产生能量将质子泵出形成跨膜浓度梯度ATP合成利用质子返回膜内驱动ATP产生线粒体外膜内膜
大多数实验测量表明:每合成1 分子ATP 大约需要3 个质子通过FoF1-ATP 酶;
同时,从细胞质转运合成ATP 所需的Pi 至线粒体基质要消耗1 个质子。
即: 每合成1 个ATP 需消耗4个质子。因此,1 对H (即2e) 经NADH 呼吸链生成2.5 个ATP,经FADH2呼吸链生成1.5 个ATP。
解偶联机制:2, 4 -二硝基苯酚破坏跨膜电位基质高pH胞液低pH扩散
2. 抑制作用: 通过与ATP合酶结合而阻断质子通道, 既抑制呼吸链中氧的利用, 又抑制ATP的生成抑制剂:如寡霉素。
它能与ATP合酶Fo的亚基结合,抑制H+转运。
由于抑制了从膜间隙流回基质的质子流而阻断ATP合成。电子传递抑制剂(如鱼藤酮、抗霉素A和氰化物)能够阻断呼吸链中某一部位电子传递,也都阻止O2的消耗。
O2消耗量ATP合成量琥珀酸O2消耗量ATP合成量Add琥珀酸寡霉素解偶联
生物的一切活动都需要能量。
能量来自体内有机物的氧化作用——生物氧化。
生物能学的基础概念,符合自然界中普遍的运动规律,即能量守恒与转化定律。物质中储存能量的释放主要通过代谢物脱下2H,经呼吸链中多种酶和辅酶逐步传递最终与O2结合生成H2O完成的。体内存在两条典型的呼吸链:NADH呼吸链和FADH2呼吸链。提要
END
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