生物化学--第八章节生物氧化和能量转化幻灯片

第八章 生物氧化和能量转换,第一节 生物氧化概述, 生物氧化（biological oxidation）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO2和H2O，并释放能量的过程。 生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。,二、生物氧化的特点,1. 生物氧化是在细胞内进行的。 2. 生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的。 3. 生物氧化所产生的能量是逐步释放的。 4. 生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高能化合物中。,三、生物氧化中CO2的生成,1. 直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。,2. 氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。,四、生物氧化中H2O的生成,代谢物MH2,氧化型,M,还原型,1/2O2,H2O,一个或多个传递体,脱氢酶,氧化酶,1. 自由能 自由能是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。,五、自由能和氧化还原电位,G 0，供给能量才能进行，吸能反应。 G = 0，反应处于平衡状态。,2. 氧化还原电位,Go -n F E0 n：转移电子数； F：法拉第常数96.5 KJ/(V.mol),3. 自由能变化和氧化还原电位的关系,E0 -0.19 (-0.32) = 0.13 V,六、高能磷酸化合物, 生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物。如 ATP。 一般将水解时能够释放21 kJ /mol 以上自由能的化合物称为高能化合物。 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型:, 酰基磷酸化合物,1. 磷氧键型（OP）,1,3-二磷酸甘油酸,11.8千卡/摩尔, 烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔, 焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,2. 磷氮键型（NP）, 磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为磷酸肌酸是ATP的贮存库。, 严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。, 以高能磷酸形式储存能量的物质称为磷酸原，包括磷酸肌酸和磷酸精氨酸。,S-腺苷甲硫氨酸,3. 硫碳键型（CS）, 甲硫键化合物,酰基辅酶A, 硫酯键化合物,第二节 线粒体及其内部氧化体系, 细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。, 在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和ATP的生成。,二、线粒体内膜上的电子传递链, 在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为呼吸链（respiratory chain）。 由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（H+）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传递链（electron-transport chain）。,电子传递链基本分为： 1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD+、NADP+） 2. 黄素蛋白（FMN、FAD） 3. 铁硫蛋白（FeS） 4. 泛醌（辅酶Q，CoQ） 5. 细胞色素（cyt）, 电子传递链的基本组成, 通过异咯嗪环第1位和第10位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。,FMN + 2H FMNH2, 它主要以 (2Fe-2S) 或 (4Fe-4S) 形式存在。铁硫蛋白通过Fe3+ Fe2+ 变化起传递电子的作用。,2Fe-2S,4Fe-4S, 它是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。, 细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。 线粒体呼吸链中主要含有cyta、cyta3、cytb、cytc和cytc1 5种。组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。, 电子传递链各组分的排列顺序, 线粒体末端氧化呼吸链有两条： 1. NADH氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链, 两条呼吸链中除CoQ和cytc外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：,. NADH - Q还原酶 . 琥珀酸Q还原酶 . Q-Cytc还原酶 . 细胞色素c氧化酶,线粒体呼吸链,电子传递排列顺序, 电子传递链的抑制,第 三节 氧化磷酸化作用, 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation) 是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成ATP的过程。,线粒体ATP合成的方式有两种： 1. 底物水平磷酸化 2. 氧化磷酸化,二、氧化磷酸化的偶联部位, 根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的G -30.5 kJ / mol。, 磷氧比（P/O）是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的ATP分子数。,复合体 复合体 复合体IV NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48, 这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。 NADH的P/O比为2.5；FADH2的P/O为1.5,三、氧化磷酸化的偶联机理, ATP合酶（ATP synthase）, ATP合酶由两个主要单元构成，一是起质子通道作用的单元称为F0单元，另一是催化ATP合成的单元称为F1单元。故ATP合酶又称F0 F1 酶（ F0 F1 ATPase） 。 该酶又称复合体, 氧化磷酸化的偶联机理,化学渗透假说的要点是： a. 线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵； b. 在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度（）；,c. 在膜内外势能差（pH 和）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,化学渗透假说示意图,四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂,1. 解偶联剂, 解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和ATP生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程。 如：2,4二硝基苯酚（DNP）,2. 氧化磷酸化抑制剂, 氧化磷酸化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。 如：寡霉素（oligomycin）,3. 离子载体抑制剂, 离子载体抑制剂的作用是与某些离子结合，作为离子载体使这些离子能够穿过膜，从而破坏膜两侧的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。 如：缬氨霉素、短杆菌肽,五、腺苷酸的转运,ATP/ADP交换体,六、线粒体穿梭系统, NADH从细胞液进入线粒体的途径： 1. 3-磷酸甘油穿梭途径（glycerol 3-phosphate shuttle system） ：主要存在于肌肉细胞中。 2. 苹果酸天冬氨酸穿梭途径（malate-aspartate shuttle system）：主要存在于心脏和肝细胞中。,3-磷酸甘油穿梭途径,3-磷酸甘油,苹果酸天冬氨酸穿梭途径,苹果酸,天冬氨酸,苹果酸,天冬氨酸,七、能荷, 能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根的程度。,C6H12O6 + 6 O2 + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO2 + 6 H2O + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP,C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 2876 KJ,生物体能量利用率为：30×30.54 / 2876 = 31.9% or : 32×30.54 / 2876 = 34.0,1. 名词解释,生物氧化 、呼吸链 、磷氧比P/O（P/O）、 氧化磷酸化 、底物磷酸化,2. 图示两条呼吸链，并标出ATP产生部位及抑制部位、抑制剂。,3. 简述化学渗透学说的内容。,