《生物物理学导论》PPT课件.ppt

生物物理学导论-09,第五章 生物能力学 (2),Calvin循环示意图,首先，五碳化合物二磷酸核酮糖(RuDP)在反应中得到一分子二氧化碳(CO2)，反应被羧基歧化酶催化，产生的六碳化合物直接分解成二分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸(PGA)。,然后，磷酸甘油酸(PGA)被ATP磷酸化，并被转氢酶（尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADPH）还原成3-磷酸甘油醛(TP)。,随后，六分之一甘油醛(TP)被醛缩酶还原成1,6-二磷酸果糖(FDP)，通过一系列酶促反应转化为葡萄糖(G6P)。 其余部份通向含又一个ATP调节的磷酸化步骤的反应循环，重又形成五碳化合物二磷酸核酮糖。,产生一分子葡萄糖，循环反应需要羧化和歧化六分子的二磷酸核酮糖，形成十二分子磷酸甘油酸。 十二个这样的分子需要十二分子ATP和十二分子尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶（NADPH），以形成十二分子磷酸甘油醛。 两个磷酸甘油醛分子然后结合起来最终形成一个葡萄糖分子，其余十个磷酸甘油醛分子通过循环，再利用六个ATP分于形成六个新的二磷酸核酮糖分子。 整个过程需要十二分子的尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶（NADPH）和十八分子的ATP ； 在光反应中每两分子尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NADP+的还原， 需要三个ATP分子以实现Calvin循环。在光诱导的循环电子途径中，一个额外的光合磷酸化位置将满足这一需要。,5.4 发酵与呼吸,不需氧的氧化作用 能量总是以ATP的形式回收，它的合成与食物的逐步氧化相偶联。这样的氧化，即使在完全缺氧的情况下也可以发生。在有些生物中，这种不需氧的氧化过程是能量回收的唯一形式。 在大多数细胞中，不需氧和需氧的能量转化都可发生，而且在所有高等生物的细胞中，不需氧阶段先于需氧阶段。,糖(或氨基酸、或脂肪酸)的不需氧氧化称为发酵。 有几种形式的发酵，它们有不同的起始底物和最终产物。 有些酵母细胞通过使葡萄糖发酵成乙醇，不需氧而生存。 一些细菌可使葡萄糖发酵成为丙酮或丁醇。 另一些细菌使葡萄糖发酵成乳酸。 使葡萄糖发酵成乳酸，称为酵解。这是一种葡萄糖的裂解，它在高等生物中先于近一步的氧化。,酵解 酵解发生在细胞的原生质中，它是一系列酶促反应，在这些反应中六碳葡萄糖被磷酸化、异构化、再度磷酸化，然后裂解成两个很容易相互转化的三碳片段。 这些片段之一，3-磷酸甘油醛然后氧化并形成ATP，继续异构化并失去一分子水后，发生另一阶段的磷酸化，它与分子内氧化还原反应相偶联且形成ATP。,葡萄糖(Glu)通过己糖激酶被磷酸化为6-磷酸葡萄糖，进行这一磷酸化要耗去一个ATP分子的一个磷酸根。,通过葡糖磷酸变位酶，异构化成6-磷酸果糖(F6P)。 再耗去另一个ATP分子时，发生另一次磷酸化，催化这一过程的酶是磷酸果糖激酶。这一阶段的产物是二磷酸果糖(FDP)，它通过醛缩酶分解成两个磷酸丙糖：3-磷酸甘油醛(TP)和磷酸二羟基丙酮(DHAP)。,为了能够合成ATP ，必须利用ATP ，这一过程需要“加油”。产生的ATP多于消耗的ATP ，否则就无任何意义了。,事实上，在进行第一次磷酸化之后，3-磷酸甘油醛(TP) 被NAD+氧化成1,3-二磷酸甘油酸(DPG) 。 磷酸化氧化3-磷酸甘油酸(3PGA)再使ADP磷酸化为ATP，催化这一步的酶是3-磷酸甘油醛脱氢酶。,3-磷酸甘油酸(3PGA)在磷酸甘油酸变位酶的作用下，然后异构化为2-磷酸甘油酸(2PGA)，并在烯醇酶的作用下，失去一分子水时转化成磷酸烯醇丙酮酸(PEP)。,最后，磷酸稀醇丙酮酸(PEP)在丙酮酸激酶的作用下，将另一ADP分子磷酸化成ATP，产生丙酮酸(Pyr)。 丙酮酸在尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸酶NADH的催化作用下还原成乳酸。,在从3-磷酸甘油醛到丙酮酸的一个序列中，有两分子ATP被合成。但是，由于磷酸丙糖异构酶将另一个磷酸丙糖转化成3-磷酸甘油醛，所以对每一个葡萄糖-丙酮酸序列，有四分子ATP被合成，二分于ATP被消耗。结果，每个葡萄糖分子净得两分子ATP 。 引起二磷酸果糖裂解的醛缩酶反应，在二磷酸果糖的方向有一近90%的平衡。在Calvin循环中，这一反应基本上发生在相反的方向上。这一反应在糖酵解中得以向前进行的原因在于，反应产物之一3-磷酸甘油醛被氧化去掉，它的能量保存在ATP的产生之中。,在Calvin循外中，磷酸甘油酸的还原需要能量，它由原来被光还原的尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶NADH的氧化供给。因此，3-磷酸甘油醛的被还原，在糖酵解序列的整个过程里是必须的。为我们提供了一个控制手段。 当酵解之后，不跟随需氧的能量转换时， 丙酮酸还原为乳酸尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酶NADH在这一反应中被氧化。 在无氧代谢中，尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸NAD+以一循环方式反应，这里没有纯氧化，但能量的保存与氧化过程完全一样.,需氧的氧化,在需氧细胞中，酵解之后是呼吸反应，这一反应在真核细胞中发生于线粒体内。线粒体这一细胞器由两层膜组成，外膜可以透过大多数较小的分子；内膜向内折叠形成许多内向的皱褶，称为嵴(cristae)，膜的表面积因此急剧增大。折叠的内膜围成一内间隔基质(matrix)，并只能透过水以及象尿素和甘油这类小的有限数量的天然分子。,糖的有氧分解,从糖分解到乳酸或丙酮酸，仅释放有限的能。大部分生物的糖代谢是在有氧条件下进行的，糖的有氧分解代谢实际上是糖的无氧分解代谢的继续、从丙酮酸生成以后，无氧酵解与有氧氧化才开始有了分歧，因此糖的有氧氧化，实质上是丙酮酸如何被氧化的问题，但丙酮酸以后助氧化都是在线粒体上进行的。 葡萄糖的有氧分解代谢途径是一条完整的代谢途径。是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环，彻底氧化成二氧化碳与水的一系列连续反应。,(1)丙酮酸脱氢酶系,线粒体膜上有丙酮酸脱氢酶系，催化丙酮酸进行不可逆的氧化与脱羧反应并与辅酶A结合形成乙酰辅酶A。,辅酶A是一复杂的分子，由一个碱基(腺嘌呤)，一个糖，磷酸基以及联着一硫氢基的尾部组成。硫氢基是活性成份 分子通常写作CoA-SH, 它与来自酵解的丙酮酸和NAD+反应，产生乙酰-S-CoA。,参加这一酶系的共有五种辅酶： (1) 硫胺素焦磷酸(TPP)、 (2) 硫辛酸、 (3) 辅酶A、 (4) 黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD) (5) 辅酶 I (NAD+)。 组成酶系的共有三种酶； (1) 丙酮酸脱羧酶、 (2) 硫辛酸乙酰移换酶， (3) 二氢硫辛酸脱氢酶。 单方向进行，3分子CO2, 5对H，其中4对交给NADNADH.,丙酮酸,硫胺素焦磷酸,辅酶 I,辅酶A,乙酰,黄素腺嘌呤二核苷酸,辅酶A,(2)三羧酸循环,乙酰辅酶A的乙酰基部分通过一种循环。在有氧条件下被彻底氧化为CO2和H2O。这种循环称为三羧酸循环，也称柠檬酸循环。 三羧酸循环是糖的有氧分解代谢的途径，也是机体内一切有机物的碳链骨架氧化成CO2的必经途径 三羧酸循环包括下列八步。,乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸,乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下与草酰乙酸进行缩合；然后，水解成一分子柠檬酸。,柠檬酸脱水生成顺乌头酸,顺乌头酸加水生成异柠檬酸,异柠檬酸氧化与脱羧生成 -酮基戊二酸,在异柠檬酸脱氢酶的催化下异柠檬酸脱去2H，其中间产物草酰琥珀酸迅速脱羧生成-酮基戊二酸,两步反应均为异柠檬酸脱氢酶所催化。现在认为这种酶具有脱氢和脱羧两种催化能力，脱羧反应需要Mn2+。 异柠檬酸脱氢酶已发现有两种，一种需NAD+及Mg2+为辅酶，另一种需NADP +及Mn2+为辅酶。前者仅存在于线粒体，其主要功能是参与三羧酸循环。后者既存在于线粒体，也存在于胞浆，其主要功能是作为还原剂NADFH的一种来源。 此步反应是一分界点，在此之前都是三羧酸的转化，在此之后则是二羧酸的变化, -酮戊二酸氧化脱羧反应,-酮戊二酸氧化脱羧后形成琥珀酰辅酶A，这和丙酮酸氧化脱羧相类似。总反应如下： 此反应不可逆，大量释放能量，是三羧酸循环中的第二次氧化脱羧，并产生NADH及CO各一份。,琥珀酰辅酶A在琥珀酸硫激酶催化下，转移其高能硫脂键至二磷酸乌苷(GDP)上生成三磷酸鸟苷(GTP)，同时生成琥珀酸然后GTP再与ADP生成一个ATP,此反应为此循环中唯一直接产生ATP的反应，即底物磷酸化。,琥珀酸被氧化成延胡索酸,琥珀酸脱氢酶催化此反应，黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)是此酶的捕酶。,延胡索酸加水生成苹果酸,苹果酸被氧化成草酰乙酸,至此草酰乙酸又重新形成，又可和另一分子乙酰辅酶A缩合成柠檬酸进入三羧酸循环。,三羧酸循环一周，消耗一分子乙酰辅酶A(二碳化合物)。循环中的三羧酸、二羧酸并不因参加此循环而有所增减因此，在理论上，这些羧酸只需微量就可永不停息地循环促使乙酰辅酶A氧化 三羧酸循环的多个反应是可逆的。但由于柠檬酸的合成及-酮戊二酸的氧化脱羧是不可逆的，故此循环是单方向进行。 三羧酸循环是在细胞线粒体内进行的。,异柠檬酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸,苹果酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶系,琥珀酸硫激酶,从三羧酸循环图中可以看出，丙酮酸所含的三个碳原子被氧化生成三分子的CO2，其中一个是在形成乙酰辅酶A时产生的，另两个分子的CO2则是在三羧酸循环上产生。 丙酮酸氧化脱羧反应及三羧酸循环中反应(3)(4)(6)(8)各脱下一对氢原于，交给NAD+及FAD，经呼吸链交给氧而生成5分子水，其中3分子水在三羧酸循环上的水合作用中被摄取(1), (5), (7), ，因此，在总反应中，共生成2分子水.,(3)糖有氧分解中的能量变化,已知葡萄糖无氧分解生成乳酸时，仅放出47千卡自由能，而葡萄塘的有氧分解则可产生686千卡。 机体放能不是骤然放出，一些放能过程往往与一些吸能过程相偶联。高等生物的活动所需要的自由能，主要是由三羧酸循环提供。 在机体内糖的有氧分解各阶段中，脱去的氢原子和氧化合生成为水分子时，释放出其中大部分能量。,在机体内氢与氧化合时都偶联着ADP转变为ATP的磷酸化反应，故糖的有氧氧化所释放出的能量大部分以ATP等高能磷酸键的形式保存，然后供给机体利用。 实验表明在氧化分解反应中，脱去的氢原子经NAD+或NADP+等传递至氧时可生成3个ATP，经FAD或FMN等传递至氧时可生成2个ATP因此1摩尔葡萄糖在有氧分解代谢过程中所产生的ATP数为38各。,葡萄糖有氧分解的总反应可表示如下： 葡萄糖进行有氧分解时，能量利用率为,(4)三羧酸循环的生物学意义,三羧酸循环首先是在鸽的横纹肌和鸽肝中证实而提出的。 现在知道生物界中，包括动物、植物及微生物，都普遍存在着三羧酸循环途径，因此它具有普遍的生物学意义 糖的有氧分解代谢产生的能量最多，是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效力式 三羧酸循环的重要性不仅是供给生物体的能量，而且它还是糖、脂、蛋白质三大物质转化的枢纽。,三羧酸循环上所产生的各种重要的中间产物，对其他化合物的生物合成也有重要意义。 细胞迅速生长期间，三羧酸循环可供应多种化合物的碳骨架，以供细胞合成之用 在植物体内三羧酸循环中有机酸的形成，既是生物氧化基质，也是一定生长发育时期一定器宫中的积累物质，如柠檬果实中富含柠檬酸，苹果中富含苹果酸等。 目前在发酵工业上也己利用微生物的三羧酸循环代谢途径，生产有关的有机酸如柠檬酸及谷氨酸等,呼吸链,三羧酸循环的氧化反应中羧包含的大多数电子最终都到NADH中，只有从琥珀酸反应产生的电子才直接与琥珀酸脱氢酶本身结合。 NADH也是丙酮酸脱氢作用的产物。 对进入糖酵解链的每个葡萄糖分子，在脱氢作用这一步产生2个NADH分子。 所有这些NADH分于都与NADH脱氢酶反应，这是进入呼吸链的另一人口。 NADH脱氢酶象琥劝酸脱氢酶一样，是一种黄素连接酶，它的辅基是黄素单核苷酸(FMN)，当NADH被氧化时它就被还原。它也与线粒体膜紧密结合。,呼吸链是一系列氧化还原酶和辅酶。 它们不同程度处与嵴膜紧密结合，实际过程包含着电子从NADH和琥珀酸向氧化传递。 除上面提到的两种脱氢酶外，呼吸链的组分有：非血红素铁蛋白，一种大量存在的称为泛醌(或CoQ)的苯醌以及一系列带一血红素作辅基的蛋白质细胞色素。 血红素是一四吡咯环，铁螯合在它的中心。细胞色素的氧化(还原)是在铁上去掉(加上)一个电子，因而产生一亚铁-高铁(高铁-亚铁)变换。 在呼吸链中发现的细胞包素，被氧化还原电位增加顺序是：细胞色素b，细胞色素c1，细胞色素c2，细胞色素a和细胞色素a3。,细胞色素c很容易通过强盐溶液从线粒体提取出来，它可以纯化和结晶，因而是其最好的特征。其它细胞色素与膜结合得更紧，因此很难以溶解的和均一的形式获得。细胞色素a和a3形成一复合物，常称为细胞色素氧化酶或呼吸酶。,氧化磷酸化,在呼吸链中，氧化还原反应自由能的负变化以ATP的形式保存。 可以在链中区分出三个相继组分间氧化还原电位差较大的区域，这就是：NADH与泛醌之间氧化还原电位差约为0.27伏，细胞色素b和细胞色素c1之间将近0.53伏，以及细胞色素a+a3的与氧之间为0.53伏。 这三个能量间隔的每一个都足够供给ADP ATP 磷酸化反应所需的能量，这意味着，磷酸化作用可在三个位置与电子传递相偶联。,对于每一个从NADH来的电子的偶联，有三个ATP分子形成，而对从琥珀酸来的电子的偶联，仅能提供两个ATP分子。 用专门的去垢剂处理线粒体时，嵴膜的组分可以分离成四种复合物(标号IIV)，每一种都有酶学活性，并含有一系列蛋白质。,复合物I含有NADH脱氢酶(FMN)，还有非血红素铁蛋白存在。 复合物II含有琥珀酸脱氢酶(FAD)，可能也有非血红素铁蛋白。复合物I和II是通过泛醌与复合物III相连. 复合物III含细胞色素b和cl。细胞色素c可能是复合物III与IV之间的连接者. IV含有细胞色素氧化酶。复合物的这种徘布，可能是ATP合成与电子传递偶联的基础。,偶联因子,ATP磷酸化与电子传递的偶联仍然是不清楚的，存在着各种相互矛盾的假说。 偶联可被一些化合物破坏，这些化合物或者是抑制整个过程，或者仅只停止ATP的合成而保留电子传递进行，常常还刺激电子传递。 显现后种影响的化合物称为解偶联剂( uncoupler)。 对线粒体磷酸化有效的一个解偶联剂是2，4二硝基苯(DNP)。 某些抗菌素既是呼吸系统也是光合作用系统的解偶联剂。,化合物的解偶联效应可能导致“高能中间体”通过电子传递的合成或产生优于ADP磷酸化为ATP。但是，目前并没有公认的这类天然“高能中间体存在” 。 偶联进行需要一类蛋白因子，称为偶联因子(coupling)，它可通过专门处理从膜上去掉。缺少偶联因子的颗粒，损失其合成ATP的能力，但仍然执行电子传递。 当纯化的偶联因子加到缺失的颗粒上时， ATP合成部份恢复。 线粒体中的偶联因子位于直径为80一90埃的很小的球状颗粒中，通过一细茎，颗粒朝外粘着在基质空间的内侧。,细胞色素在可见光谱区吸收光谱,当酶改变它的氧化还原态时，它的光谱产生重大变化，图给出了细胞色素c在氧化态和还原态的光谱。运用灵敏的差吸收分光光度测定，就可以跟踪细胞色素的氧化还原反应，从而测定电子载体的氧化还原反应的顺序。,使用专门的抑制剂，可对这些过程进行更严密的考察。例如，杀虫剂鱼藤酮(rotenone)可专一地锁住从NADH到黄素蛋白的电子传递；其它抑制剂有抗菌的抗霉素(antimycin)，它锁住细胞色素b与c之间的电子传递，氰化物，它阻止氧去氧化细胞色素氧化酶。 使用这些阻抑物很容易证明，在氧的方向闭锁之前，所有组分完全被还原，而在之后全部保持氧化。,呼吸的和不呼吸的鼠肝线粒体的差值光谱,控制机理,在活细胞中，发酵，特别是酵解和呼吸，必然都在适合特定的功能和条件的速率和水平上进行。对于高等生物的真核细胞，这是最明显的、如在肝细胞中的这些要求就与肌肉细胞的非常不同。 在原核细胞中，不同的状态也提出不同的要求。为了提供这样的灵活性，两者的酶系统都必然在严密的控制下工作。酵解的控制已经受到醛缩酶反应的产物3磷酸甘油醛被氧化阶段去掉的速率的影响，这依赖于NAD+的水平.,巴斯德效应,在不需氧的条件下，NAD+是通过丙酮酸还原为乳酸从NADH再生的。因此，在兼性细胞中，当在不需氧条件下，从一丰富的供应中利用葡萄糖时，酵解以很高的速率进行，且乳酸积累。 当这种细胞转变为需氧生活时，酵解速率急刷降低，乳酸的积累减少到零。这种酵解被氧抑制的现象称为巴斯德效应（Louis