生物氧化-.ppt

1,第九章生物氧化BiologicalOxidation,第一节生物能学简介第二节生物氧化概述第三节线粒体电子传递体系第四节氧化磷酸化作用,2,一、生物能的转换及生物系统中的能流二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算三、高能化合物,第一节生物能学简介,生物能学就是应用物理化学、生物物理学和量子物理学的原理和方法，来研究生物系统中能量的流动和传递规律的科学。,生物能的转换及生物系统中的能流,4,二、自由能的概念及化学反应中自由能的计算,自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：G0，反应不能自发进行G=0，反应处于平衡状态。,.自由能（freeenergy）的概念,自由能(G)：指一个反应体系中能够做有用功的那部分能量。,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)G=-RTlnKeq例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化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：G=nFE(E=E+-E-)例：计算NADH氧化反应的G,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,达平衡时=Keq=19,解：,G=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ/mol,G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-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，求反应的G是多少？,例题：,7,例题：计算下列反应式G,NADH+H+O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2eH2OE+0.82负极反应：NAD+H+2eNADHE-0.3G-nFE-2964850.82-(-0.32)-220KJmol-1,8,三、高能化合物,1、高能化合物的类型2、ATP的特点及其特殊作用,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/摩尔或5千卡/摩尔）的化合物称为高能化合物。,1、高能化合物的类型根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型：磷氧键型,酰基磷酸化合物,10,焦磷酸化合物,11,烯醇式磷酸化合物,12,氮磷键型,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用!,13,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,14,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,15,2.ATP的特点,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）。,ATP的特殊作用,1.ATP是细胞内的“能量通货”2.ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,第二节生物氧化概述,一、生物氧化的概念物质在体内的氧化分解过程，主要是糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水的过程。,18,二、生物氧化特点,1.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。2.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伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,19,生物氧化与体外氧化之相同点：,生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子，遵循氧化还原反应的一般规律。都服从热力学规律。物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2，H2O）和释放能量均相同。,20,是在细胞内温和的环境中（体温，pH接近中性），在一系列酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于有利于机体捕获能量，提高ATP生成的效率。进行广泛的加水脱氢反应使物质能间接获得氧，并增加脱氢的机会；脱下的氢与氧结合产生H2O，有机酸脱羧产生CO2。,生物氧化与体外氧化之不同点：,生物氧化,体外氧化,反应是在强酸、强碱、高温、高压条件下进行的。能量是突然释放的。产生的CO2、H2O由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。,21,三、生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成,CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物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：-脱羧和-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧,H2O的生成,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。,例：,12O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,24,四、生物氧化的三个阶段,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,生物氧化的三个阶段,26,第三节线粒体电子传递体系,一、线粒体结构特点二、电子传递链的概念三、呼吸链的组成和顺序四、胞浆中NADH的氧化五、电子传递抑制剂,27,一、线粒体结构特点,（1）代谢脱下的成对氢原子（2H）通过多种酶和辅酶所催化的氧化还原反应逐步从高能向低能传递，最终与氧结合生成水，其中释放的能量被用于合成ATP；（2）在真核生物细胞内，酶和辅酶按一定顺序排列在位于线粒体内膜上；原核生物中，位于细胞膜上。传递氢的酶和辅酶递氢体传递电子的酶和辅酶递电子体（3）此过程与细胞呼吸有关，此传递链称为呼吸链。递氢体、递电子体都起传递电子的作用，又称电子传递体。,二、电子传递链的概念,29,呼吸链,三、呼吸链的组成和顺序,.电子传递链中各中间体的顺序,复合物IV,复合物I,复合物III,NADH-Q还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,32,复合体：NADH-CoQ还原酶,功能：将电子从NADH传递给CoQ辅基：FMN，铁硫蛋白,33,NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变,氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。,34,FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN。,功能：氢原子传递体,铁硫蛋白,铁硫簇(Fe4S4),功能：电子传递体,36,泛醌（辅酶Q,CoQ,Q）：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。它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。,38,复合体：CoQ-细胞色素C还原酶,功能：将电子从CoQ传递给Cytc组成：Cytb、Fe-S、Cytc1细胞色素(Cyt)：含铁卟啉辅基的色蛋白，分a、b、c三类，每类中又分几种亚类。,细胞色素,功能：单电子传递体,42,复合体：细胞色素氧化酶,功能：将电子从Cytc最终传递到O2组成：Cyta、Cyta3、Cu,43,复合体：琥珀酸-CoQ还原酶,功能：将电子从琥珀酸传递给CoQ辅基：FAD、Fe-S,总结,复合物IV,复合物I,复合物III,NADH-Q还原酶,细胞色素还原酶,细胞色素氧化酶,45,由以下实验确定标准氧化还原电位拆开和重组特异抑制剂阻断还原状态呼吸链缓慢给氧（根据电子传递体氧化还原态时的吸收光谱变化进行检测）,.呼吸链成分的排列顺序,47,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,49,四、线粒体外NADH的氧化,胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。,转运机制主要有：1.-磷酸甘油穿梭系统（主要存在于骨骼肌、神经细胞）2.苹果酸-天冬氨酸穿梭系统（主要存在于肝、心肌组织）,NADH+H+,FADH2,NAD+,FAD,线粒体内膜,线粒体外膜,膜间隙,线粒体基质,磷酸二羟丙酮,-磷酸甘油,-磷酸甘油脱氢酶,1.-磷酸甘油穿梭机制,细胞液,NADH+H+,NAD+,谷氨酸-天冬氨酸转运体,苹果酸-酮戊二酸转运体,苹果酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,谷氨酸,胞液,线粒体内膜,基质,天冬氨酸,2.苹果酸-天冬氨酸穿梭机制,52,五、电子传递抑制剂,阻断呼吸链中某些部位电子传递。,53,第四节氧化磷酸化作用,一、氧化磷酸化的概念呼吸链中电子的传递过程偶联ADP磷酸化，生成ATP的方式，称为氧化磷酸化；是体内产生ATP的主要方式。,54,二、氧化磷酸化的偶联部位,NADH与Q之间Ctyb与Cytc之间Cytaa3与O2之间,根据P/O比值和自由能变化推测氧化磷酸化的偶联部位！,P/O比值：物质氧化时，每消耗1molO2所消耗无机磷的mol数（或ADPmol数），或每消耗1molO2所生成的ATP的mol数。,电子传递链自由能变化,氧化磷酸化偶联部位,58,三、氧化磷酸化的偶联机理,1.化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生膜内外质子电化学梯度，储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。,59,化学渗透假说简单示意图,化学渗透假说,化学渗透假说示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+,_,质子流,线粒体内膜,胞液侧,基质侧,化学渗透假说详细示意图,2.ATP合酶,由亲水部分F1（33亚基）和疏水部分F0（a1b2c912亚基）组成。,ATP合酶结构模式图,64,3.氧化磷酸化的解偶联作用,解偶联剂增加线粒体内膜对质子的通透性。如：2，4二硝基苯酚（DNP），FCCP氧化磷酸化抑制剂阻止质子从F0质子通道回流。如：寡霉素离子载体抑制剂增加线粒体内膜对一价阳离子的通透性。如：缬氨霉素，短杆菌肽,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,低pH,高pH,不能形成质子梯度，使氧化与磷酸化偶联过程脱离。抑制ATP的生成，不抑制电子传递，使电子传递产生的自由能都变为热能散失。,66,寡霉素(oligomycin)对电子传递及ADP磷酸化均有抑制作用。,寡霉素,不同底物和抑制剂对线粒体氧耗的影响,氧浓度,68,解偶联蛋白作用机制（褐色脂肪组织线粒体）,Q,胞液侧,基质侧,产热素,非线粒体氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在