生物化学幻灯片-生物氧化

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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

2、代谢（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

3、环,氧化脱下的氢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

4、伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,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。

5、,三、生物氧化与生物能,（一）氧化还原电势,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,

6、电子受体,电子供体,E,E0,电子受体,电子供体,0.03,（二）自由能的变化（ 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

7、产物稳定，因而水解自由能很大（ G =-30.5 千焦/ 摩尔）。,ATP+H2O ADP+ Pi G -30.5 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

8、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

9、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

10、,-,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,Cytb, 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

11、 (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 ， Cytc1 ， 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

12、,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 O2 2. 琥珀酸氧化呼吸链 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

13、 、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

14、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 Mitchell 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

15、，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Walker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