生物化学-生物氧化-课件

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1、1,第六章 生物氧化 Chapter 6 Biological Oxidation,1,2,学习要点 一、概述 1.概念；内容：碳成为二氧化碳，氢成为水，能量贮存于ATP；方式：加氧，脱氢（加水脱氢、直接脱氢），脱电子； 特点：条件温和，多步酶促反应，能量逐步释放，能量贮存于高能化合物； CO2生成方式：直接脱羧，氧化脱羧； H2O的生成方式：一酶体系，多酶体系 2.氧化酶类：电子转移酶，氧化酶（一般氧化酶、末端氧化酶），脱氢酶，需氧脱氢酶 3.自由能和氧化还原电位：自由能：生物体系中的标准自由能是指pH7.0时的自由能（G）；氧化还原电位：生物体系中为pH7.0时的电位（E）,2,3,4.高

2、能化合物：定义：水解自由能在5千卡/mol以上的化合物；高能键“”；ATP：结构，水解自由能（7.3kcar/mol、30.5kJ/mol）,高能的原因（负电荷集中，共振杂化，H+浓度低、反应进行的彻底），能量通货（能量居中，适合多数酶） 二、呼吸链 1.概念：线粒体膜上的电子传递系统，类别（NADH呼吸链、FADH2呼吸链） 2.组分：NADH脱氢酶（FMN），琥珀酸脱氢酶（FAD），Fe-S蛋白，CoQ，Cytb，Cytc1，Cytc，Cytaa3 3. 存在状态：四个复合体（I、II、III、IV） 4. 排列顺序： NADH复合体ICoQ复合体c 复合体O 琥珀酸复合体CoQ复合体c

3、复合体O2 工作机理,3,4,5.电子传递抑制剂：鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶素（FMN），抗霉素A（Cytb），CN-、N3-、CO、HS（Cytaa3） 三、氧化磷酸化 1.概念:通过生物氧化放能和ADP与Pi生成ATP相偶联的过程 2.类型:底物水平磷酸化 偶联磷酸化 3.偶联部位:电位 P/O比 3.机理:F1-F0因子、结构、概念、功能、化学渗透学说 4有关氧化磷酸化物质运输（1）外源NADH运输穿梭系统：磷酸甘油穿梭、苹果酸穿梭、（2）ATP (3)Pi 5.氧化磷酸化的解偶联作用：解偶联 2.4-二硝基苯酚作用机理 6ATP的利用和贮存 7.能荷 四、活性氧，SOD、CAT，POD,4

4、,5,第一节 概述 一、生物能流：,5,6,二、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 6 CO2 + 6 H2O + 能量 （2870.22 kJ/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：,6,7,（2） 脱氢: 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：,7,8,4.特点：条件温和，多步酶促反应，能量逐步释放，能量贮存于高能化合物,8,9,5.CO2生

5、成方式（1） 直接脱羧,（2）氧化脱羧:,9,10,6.H2O的生成方式,10,11,三、自由能和氧化还原电位：,自由能在恒温、恒压条件下作功的能量,1.自由能 （1）标准自由能（G）：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。 ！注意：此条件下，pH为0,11,12,2. 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,（2）生物体系的标准自由能 生物体系中，标准自由能为25、一个大气压，参与反应的物质均为1个mol,p

6、H7.0时的自由能。用G 表示 ，自由能的变化用 G 表示原因：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 ，不符合生物体系反应条件。,12,13,高能键：高能化合物被水解的键，用“”表示,四、高能化合物,焦磷酸（PPi）水解,自由能（G）,高能键,高能磷酸化合物,1. 概念,高能化合物：水解自由能在20.92kJ/mol （ 5千卡/mol ）以上的化合物。,高能基团：高能化合物中被水解的基团,高能磷酸化合物：以磷酸作为高能基团的高能化合物,G=33.5kJ/mol,高能基团,13,14,2. 高能化合物类型磷氧键型、氮磷键型、

7、硫酯键型 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。,14,15,氮磷键型，高能键是由氮和磷构成。如磷酸肌酸,硫酯键型 ，高能键是属于硫酯键，如脂酰辅酶A,15,16,常见磷酸化合物标准水解自由能,16,17,ATP,AMP,ADP,3. ATP (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,17,18,（2）产生高水解自由能的原因：,负电荷集中,共振杂化,ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2 + H+,18,19,ATP 4 + H2O ADP 3 + HPO4 2

8、 + H+,H+ 浓度低:生理pH=7,反应易向右进行 ADP、Pi的离子化作用：产物离子化，使逆反应不易进行 水合程度：ADP、Pi的水合程度大于ATP,19,20,（4）ATP在能量转运中的 地位和作用ATP是生物体的能量通货原因：水解自由能居中,生物氧化释放的能量主要转移到ATP 可作为大多数能量转换酶的能量供体或受体,20,21,例题：G 表示什么意思？“”有什么涵义？答:G 是在25、一个大气压，参与反应的物质均为1个mol,pH7.0时生物体系中的标准自由能。“”表示其水解时能放出较高的自由能。 试指出氢从有机分子到达氧需要哪些酶类？这个过程的自由能变化如何？答:需要氧化还原酶类，

9、如脱氢酶、氧化酶。这个过程能释放出较多的自由能自由能。 为什么ATP有高的水解自由能？答:负电荷集中;反应体系H+浓度低;水解产物共振杂化; ADP、Pi离子化及水合程度大均有利于ATP水解释放较高的自由能。,21,22,一、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、Cyt b、Cyt c1、 Cyt c、 Cyta.a3FADH2呼吸链：琥珀酸脱氢酶、Fe-S蛋白、CoQ、Cyt b、Cyt c1 、Cytc 、Cyta.a3,第二节 呼吸链,呼吸链,22,23,辅基为FAD 是膜内侧的嵌入蛋白 催化琥珀酸氧化为延胡索酸 无质子泵功能 与铁硫

10、蛋白形成复合体II,辅基为FMN， 是跨膜蛋白 催化膜内NADH脱氢 具有质子泵功能 与铁-硫蛋白形成复合体I,1. NADH脱氢酶：,2. 琥珀酸脱氢酶：,23,24,3. Fe-S蛋白：含有等量的铁和硫，参与氧化还原的蛋白质 Fe、S的状态：二者形成配位键，铁还和肽链的半胱氨酸形成配位键。 种类：有Fe2-S2、Fe4-S4几种形式。,Fe2+ Fe3+e,只有一个铁可以接受和放出电子,24,25,4. 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。,25,26,5. 细胞色素（Cyt）类: 细胞色素类是含有辅基血红素的蛋白质 有5种，分别为Cy

11、t b 、Cyt c1、 Cytc、 Cyta.a3 分别含a-型血红素、b-型血红素、c-型血红素,Fe2+ Fe3+e,功能：接受电子和释放电子 功能部位：血红素的铁离子,Cytc的辅基与蛋白质的结合,26,27,内,二、呼吸链存在状态,四个复合体：复合体I（NADH-Q还原酶）：NADH脱氢酶、铁硫蛋白复合体II（琥珀酸-Q还原酶）：琥珀酸脱氢酶、铁硫蛋白复合体III（细胞色素还原酶）：细胞色素b、c1、Fe-S蛋白复合体IV（细胞色素氧化酶）：细胞色素a.a3、Cu两个游离载体：辅酶Q、细胞色素c,27,28,NADH -0.315V,Q +0.045,Cytc +0.235V,O2

12、+0.815V,琥珀酸 +0.030V,28,29,三、呼吸链的工作机理,1.复合体 I,NADH脱氢酶,Fe-S蛋白,组成：至少34条肽链，分别来自线粒体和和基因,功能：接受NADH的电子，将电子传递给CoQ有质子泵功能释放水解自由能69.5kJ/mol,29,30,2.复合体 II,延胡索酸,琥珀酸脱氢酶,Fe-S蛋白,组成：一个黄素蛋白和三个Fe-S蛋白,功能：接受琥珀酸的电子，将电子传递给CoQ无质子泵功能释放水解自由能2.9kJ/mol,30,31,功能：接受CoQH2的电子，并传给Cytc 具有质子泵功能释放自由能36.7kJ/mol,3.复合体 III,组成：Cytb（b562、

13、b566） 、Cytc1 、铁硫蛋白,Fe2+ Fe3+e,注意！不是bc1传递电子,31,32,功能：接受Cytc1的电子，并传给Cyta a3,Cytc,组成：Mr13 000是呼吸链唯一的外周蛋白,32,33,功能：接受Cytc的电子，经a、a3传给氧分子而生成水有质子泵功能释放水解自由能112kJ/mol该复合体又称为细胞色素氧化酶、呼吸链末端氧化酶,Cytaa3,2e-,组成：10个亚基，含有血红素a和a3、2个Cu 跨膜蛋白 a3 的Fe 是个配位键，保留的一个键用于结合氧,33,34,六、电子传递抑制剂,NADH复合体I Q 复合体III 复合体IV O2,34,35,例题：分别

14、用鱼藤酮和抗霉素A作用呼吸链，其电子传递情况如何？答:鱼藤酮可以阻断电子由NADH向CoQ的传递，但因复合体II依然可以接受电子并传给CoQ，所以呼吸链电子传递还可以进行；抗霉素A抑制电子向细胞色素c1的传递，即抑制复合体III，这种情况下呼吸链电子传递完全停止。 呼吸链的各个复合体是否是存在于线粒体内膜的固定部位，它们之间的电子如何传递？答:呼吸链的各个复合体在线粒体内膜上处于流动状态。它们间的电子传递的靠膜上的两个游离的载体CoQ和细胞色素C。 哪些复合体具有质子泵功能，其运输质子的能量来源是什么？复合体I、复合体III、复合体IV具有质子泵功能。其运输质子的能量来源是电子传递过程中所释放

15、的能量。,35,36,第三节 氧化磷酸化,一、ADP磷酸化生产ATP的方式 光合磷酸化、氧化磷酸化、底物水平磷酸化,二、底物水平磷酸化 在底物氧化过程中，形成了某些高能中间代谢物，再通过酶促磷酸基团转移反应，直接偶联ATP的形成，称为底物水平磷酸化。 如：1，3 二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰CoA等,36,37,氧化磷酸化：电子从NADH或FADH2经电子传递链传递到分子氧形成水，同时偶联ADP磷酸化生成ATP的过程。又叫偶联磷酸化、电子传递磷酸化 。,37,38,1.氧化磷酸化的细胞结构基础,线粒体 （mitochondria）,外 膜 （outer membrane）,内 膜 （inner membrane）,嵴 （sterility）,38,39,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32)=-220.07千焦mol-1 合成ATP的吸能反应：3ADP3Pi 3ATP3H2O G330.5千焦mol-1 91.5千焦mol-1 贮能效率91.5/220.0710041.6%,