第六章生物氧化和生物能.ppt

第八节维生素与辅酶,结合酶的分子组成,辅酶/辅基大多数是由维生素参与形成的小分子化合物,一、维生素,定义：维生素（F.G.Hopkins）是机体（动物、植物和微生物）维持正常生命活动所必不可少的一类小分子有机化合物。分类：习惯分为脂溶性和水溶性两大类。脂溶性维生素在体内可直接参与代谢的调节，而水溶性维生素是通过转变成辅酶对代谢起调节作用。,二、水溶性维生素：B族、维生素C和硫辛酸,嘧啶环,噻唑环,1、硫胺素(维生素B1)在体内以焦磷酸硫胺素(TPP)形式存在。TPP催化丙酮酸或酮戊二酸的氧化脱羧反应，所以又称为脱羧辅酶。TPP缺乏时表现出多发性神经炎、皮肤麻木、心力衰竭、四肢无力、下肢水肿。,ATP,FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)是核黄素(维生素B2)的衍生物。,2、核黄素(维生素B2),缺乏时主要症状为口腔发炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。,它们在脱氢酶催化的氧化-还原反应中，起着电子和质子的传递体作用。,3、辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它是含泛酸的复合核苷酸。它的重要生理功能是传递酰基，是形成代谢中间产物的重要辅酶。,巯基乙胺,泛酸,尼克酸,尼克酰胺,4、Vpp,NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I)和NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,又称为辅酶II)是维生素烟酰胺的衍生物,它们是多种重要脱氢酶的辅酶，在代谢中传递氢和电子。,缺乏时表现出神经营养障碍，出现皮炎。,5、维生素B6抗皮炎维生素包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。维生素B6在体内经磷酸化作用转化为相应的磷酸脂，参加代谢的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是转氨酶、脱羧酶和消旋酶的辅酶。,6、生物素是维生素B7，它是多种羧化酶的辅酶。生物素的功能是作为CO2的递体，在生物合成中起传递和固定CO2的作用。,7、维生素B11又称叶酸，作为辅酶的是叶酸加氢的还原产物四氢叶酸(FH4或THF)。四氢叶酸的主要作用是作为一碳基团，如-CH3,-CH2-,-CHO等的载体，参与多种生物合成过程。,8、维生素B12的主要功能是作为变位酶的辅酶，催化底物分子内基团(主要为甲基)的变位反应。,9、维生素C,在体内参与氧化还原反应、羟化反应，是一种很好的还原剂。人体不能合成。,10、硫辛酸有两种形式：氧化型和还原型,是丙酮酸脱氢酶和酮戊二酸脱氢酶的辅基，在转酰基中起作用。,氧化型硫辛酸,还原型硫辛酸,三、酯溶性维生素,1、维生素A分A1,A2两种，是不饱和一元醇类。,动物不能合成，绿色蔬菜如胡萝卜和动物肝脏、奶制品、鱼肝油）,视黄醇,脱氢视黄醇,2、维生素D是固醇类化合物，主要有D2，D3，D4，D5。其中D2，D3活性最高。,维生素D原,羟化后参与Ca2+的运输和吸收,4、VitaminK,凝血维生素,3、VitaminE又叫生育酚，目前发现的有6种，其中，四种有生理活性。,VE为强抗氧化剂,与血液凝固有关,问答题,1、影响酶促反应的因素有哪些？它们是如何影响的？2、试比较酶的竞争性抑制作用与非竞争性抑制作用的异同。3、什么是米氏方程，米氏常数Km的意义是什么？试求酶反应速度达到最大反应速度的99时，所需求的底物浓度（用Km表示）4、什麽是同工酶？为什麽可以用电泳法对同工酶进行分离？同工酶在科学研究和实践中有何应用？5、称取25毫克某蛋白酶制剂配成25毫升溶液，取出1毫升该酶液以酪蛋白为底物,用Folin-酚比色法测定酶活力,得知每小时产生1500微克酪氨酸。另取2毫升酶液，用凯式定氮法测得蛋白氮为0.2毫克。若以每分钟产生1微克酪氨酸的酶量为一个活力单位计算，根据以上数据，求出（1）1毫升酶液中含有的蛋白质和酶活力单位数；（2）该酶制剂的比活力；（3）1克酶制剂的总蛋白含量和酶活力单位数。名词解释活性中心全酶酶原活力单位比活力米氏方程Km诱导契合变构效应ribozyme辅酶和辅基,第四章生物氧化,BiologicalOxidation,目录,第一节生物氧化概述第二节电子传递链(呼吸链）第三节氧化磷酸化第四节其他末端氧化酶系统(自学),一、生物氧化的概念（一）糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation）。又称“细胞氧化”或“细胞呼吸”。,第一节生物氧化概述,摄氧产生H2O+CO2产能（ATP+热能）,（二）、生物氧化的特点,1、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。2、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。,5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。7、进行生物氧化反应的部位（1）线粒体（2）内质网、微粒体、过氧化氢体等,（三）、生物氧化中CO2和H2O的产生,方式：糖、脂、蛋白质等有机物经一系列脱氢、加水反应，转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：直接脱羧和氧化脱羧,CO2的生成,在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。,H2O的生成,二、生物化学反应的自由能变化,1、自由能（freeenergy）的概念,定义式：=H-TS物理意义：*(恒温恒压下，体系中能对环境作功的那部分能量称为自由能，又称Gibbs自由能，用G表示)。自由能的变化预示某一过程能否自发进行，即：G0，吸能，反应不能自发进行G=0，反应处于平衡状态。G仅决定反应物与产物的自由能,2、化学反应自由能的计算,a.利用化学反应平衡常数计算基本公式：G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)达到平衡时，G=0：G=-RTlnKG=-2.303RTlgK,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,达平衡时=K=19,解：,G=-RTlnK=-2.3038.314（29838-25)lg19=-7.6KJ/mol,G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314（29838-25)lg0.1=-13.6KJ/mol,未达平衡时=Qc=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设G-1-P=0.01mol/L，G-6-P=0.001mol/L，反应向哪个方向进行？,例题：,b.利用标准氧化还原电位（E）计算（限于氧化还原反应）基本公式：E=E+-E-c.氧化还原电位与自由能之间的关系G=-nFEF=96.5KJ/Vmol,例：判断下反应能否自发进行？,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2eH2O，E+0.82V负极反应：NAD+H+2eNADH，E-0.32V解：G-nFE-296.50.82-(-0.32)-220KJmol-1因此，反应能自发进行,三、高能磷酸化合物,磷酸酯类化合物在生物体的能量转换过程中起者重要作用。许多磷酸酯类化合物在水解过程中都能够释放出自由能。一般将水解或基团转移时能够释放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G-21kJ/mol）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分成以下几种类型。,(一）、生物体内的高能化合物,1、磷氧键型（-OP),(1)酰基磷酸化合物,乙酰磷酸,-42.3KJ/mol,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,30.5KJ/mol,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,61.9KJ/mol,2、磷氮键型,磷酸肌酸,-43.1KJ/mol,3、硫酯键型,酰基辅酶A-31.4KJ/mol,4、甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸(SAM)-41.8KJ/mol,（二）、ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸化合物,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，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4-+H2OADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJmol-1,ADP3-+H2OADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJmol-1,ATP的特殊作用,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,第二节电子传递链(呼吸链）,一、线粒体,细胞内的线粒体是生物氧化和氧化磷酸化的主要场所，,电子传递链是由递氢体或递电子体按对电子的亲和力逐渐升高的顺序排列组成的电子传递体系。由递氢体或递电子体在线粒体内膜上按对电子的亲和力逐渐升高的顺序排列组成的电子传递体系，由于它与细胞摄取氧的呼吸过程相关，称为呼吸链（electrontransferchain，ETC）。,二、电子传递链,（一）、呼吸链的组成,1.黄素蛋白酶类（flavoprotein,FP）2.铁-硫蛋白类（ironsulfurprotein)3.泛醌或辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）,1、黄素蛋白酶类,特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白,类别：NADH脱氢酶琥珀酸脱氢酶,2、铁硫蛋白的结构及递电子机理,4Fe4S2-4Cys,特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔存在，构成FeS中心（Fe2S2,Fe4S4)，Fe与蛋白质中的4个Cys残基的巯基相连结。,2Fe2S2-4Cys,3、CoQ的结构和递氢原理,CoQ+2HCoQH2,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。,传递氢的机理：,4、细胞色素,特点：以血红素（主要成份为铁卟啉）为辅基类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，a和a3以复合物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。,线粒体呼吸链,复合体复合体复合体复合体复合体,酶名称NADH-Q还原酶琥珀酸-Q还原酶Q-CytC还原酶CytC氧化酶,辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S，Cytb560铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu,(二）线粒体呼吸链的排列顺序,根据氧还电位E0的高低eEO（小）EO（大）根据电子传递体氧化还原状态的吸收光谱变化进行检测上游还原态，下游氧化态利用抑制剂研究分析四种复合物的电子传递再造实验,体内主要呼吸链1、NADH氧化呼吸链2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）,NADH呼吸链,FADH2呼吸链,电子传递抑制剂:能阻断呼吸链中某些部位的电子传递的物质,三、电子传递抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cytc1,O2,Cytb,Cytc,Cytaa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物II,复合物IV,复合物I,复合物III,H2S、N3,第三节氧化磷酸化,一、氧化磷酸化的概念及类型,概念:生物氧化的释能反应与ADP的磷酸化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化(Oxidativephosphorylation）。,类别：底物水平磷酸化:高能化合物通过酶促磷酸基团转移反应直接转给ADP偶联生成ATP。XPADPXHATP电子传递磷酸化(氧化磷酸化)，是需氧生物合成ATP的主要方式,二、氧化磷酸化的偶联部位,FMNH2QCytbCytc1Cytaa3O2G-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL这三个反应分别与ADP的磷酸化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。,（一）、呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应:NADH+H+3ADP3Pi1/2O2NAD+4H2O3ATP放能反应：NADH+H1/2O2NAD+H2OG=-nFE=-296.50.82-(-0.32)=-220.07KJmol-1合成ATP的吸能反应：3ADP3Pi3H2O3ATPG=3X30.5KJ/mol=91.5KJ/mol贮能效率91.5/220.07X100%=41.6%,总反应:FADH2+2ADP+2Pi+1/2O2FAD+3H2O+2ATP放能：G=-nFE=-296.50.82-(-0.18)=-193.0KJmol-1吸能：2X30.5KJmol-161KJmol-1贮能效率61/193X100%=33.7%,FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化,（二）、测定P/O比,磷氧比指呼吸过程中每消耗一个氧原子所生成的ATP分子数。每传递一对电子消耗一个氧原子，因此P/O比相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。,2.5,1.5,三、氧化磷酸化的机理,（一）ATP合酶F1含有5种不同的亚基（33）F0为一个疏水蛋白，含有质子通道OSCP为一个蛋白，调控F1F0,。,（二）、化学渗透学说,化学渗透假说的要点：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，线粒体内膜对H+是不通透的，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,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置/亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变,亚基的中心-螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住/异质六聚体.,腺苷酸载体-ATP-ADP转位酶,（三）、腺苷酸的转运,四、氧化磷酸化的解偶联和抑制,解偶联剂（uncoupler)氧化磷酸化抑制剂离子载体抑制剂(ionophore),1、解偶联剂（uncoupler）使电子传递与ADP磷酸化分离，只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递例12,4-二硝基苯酚（dinitrophenol,DNP）:酸性条件下为脂