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生物化学 一蛋白质的结构和生物学功能 一 蛋白质的概述 蛋白质 protein 是最基本的生命物质之一 1 元素组成 平均含N量约 16 特征代表 2 基本结构单位 氨基酸3 大小 蛋白质是大分子化合物4 空间结构 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 5 重要性 数量多 种类多 功能多6 蛋白质的合成 AA顺序的遗传编码 1 结构通式 氨基酸 各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同 20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸 极性性氨基酸 酸性氨基酸和碱性氨基酸 二 氨基酸 1 天然蛋白质仅有20种AA 均为 AA 2 旋光性 除甘氨酸没有旋光性 3 构型 D L 除甘氨酸 天然蛋白质的AA均为L AA 4 构象 人类8种必需AA 人体体内不能自身合成 必须从食物中获得 赖 色 甲硫 苯丙 苏 缬 亮 异亮 2 氨基酸的性质 3 氨基酸的分类 法一 按R基化学结构特点分为四大类 1 脂肪AA 15种 2 芳得族AA 2种 苯丙氨酸 酪氨酸3 杂环族AA 2种 组氨酸 色氨酸4 杂环亚AA 1种 脯氨酸 法二 按R基极性分两类 极性AA 11种非极性AA 9种法三 1 中性AA 有极性与非极性15种 2 酸性AA 2种 天冬氨酸 谷氨酸3 碱性AA 3种 组 赖 精 4 理化性质 1 物理性质 无色晶体 有味 甜 鲜 苦 或无味 不同强度溶于水 稀酸 稀碱 但不溶于任何有机溶剂 酒精可使AA发生沉淀 2 光学性质 具旋光性 有紫外吸收现象 波长为280nm 但仅有酪氨酸 色氨酸 苯丙氨酸有此性质 除甘氨酸外 氨基酸均含有一个手性 碳原子 因此都具有旋光性 比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一 是鉴别各种氨基酸的重要依据 3 两性解离 等电点PI AA分子所带的净电荷为零 即分子内正电 负电 时溶液的PH值 PH1710净电荷 10 1正离子两性离子负离子等电点PI 三 肽与肽键 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键称为肽键 所形成的化合物称为肽 由两个氨基酸组成的肽称为二肽 由多个氨基酸组成的肽则称为多肽 组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基 1 肽键 peptidebond 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用 组成肽键的原子处于同一平面 0 127nm键长 0 132nm0 148nm 2 肽链中AA的排列顺序和命名 在多肽链中 氨基酸残基按一定的顺序排列 这种排列顺序称为氨基酸顺序 通常在多肽链的一端含有一个游离的 氨基 称为氨基端或N 端 在另一端含有一个游离的 羧基 称为羧基端或C 端 氨基酸的顺序是从N端的氨基酸残基开始 以C端氨基酸残基为终点的排列顺序 如上述五肽可表示为 Ser Val Tyr Asp Gln 3 肽的颜色反应 多肽可与多种化合物作用 产生不同的颜色反应 这些显色反应 可用于多肽的定性或定量鉴定 如黄色反应 是由硝酸与氨基酸的苯基 酪氨酸和苯丙氨酸 反应生成二硝基苯衍生物而显黄色 多肽的双缩脲反应是多肽特有的颜色反应 双缩脲是两分子的尿素经加热失去一分子NH3而得到的产物 双缩脲能够与碱性硫酸铜作用 产生兰色的铜 双缩脲络合物 称为双缩脲反应 含有两个以上肽键的多肽 具有与双缩脲相似的结构特点 也能发生双缩脲反应 生成紫红色或蓝紫色络合物 这是多肽定量测定的重要反应 四 蛋白质的分子结构 1 蛋白质一级结构 蛋白质的一级结构 Primarystructure 包括组成蛋白质的多肽链数目 多肽链的氨基酸数目 种类和顺序 以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序 它是蛋白质生物功能的基础 2 蛋白质二级结构 蛋白质的二级 Secondary 结构是指多肽链的主链在空间的排列 或规则的几何走向 旋转及折叠 它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键 主要有 螺旋 折叠 转角 1 螺旋 1 螺旋走向 稳定以氢键连接 氢键与轴平行 2 侧基R伸向螺旋外侧 3 棒状结构 高度压缩 紧密排列 4 规律排列 5 由1条充分伸展的肽链的肽键平面折叠成的右手螺旋 6 每隔3 6个氨基酸残基螺旋上升一圈 螺距0 54nm 7 1个螺圈内有13个原子 蛋白质的三级结构 TertiaryStructure 是指在二级结构基础上 肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕 折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构 维系这种特定结构的力主要有氢键 疏水键 离子键和范德华力等 尤其是疏水键 在蛋白质三级结构中起着重要作用 3 蛋白质三级结构 蛋白质的四级结构 QuaternaryStructure 是指由多条各自具有一 二 三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式 各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系 这种蛋白质分子中 最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit 它一般由一条肽链构成 无生理活性 维持亚基之间的化学键主要是疏水力 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白 4 蛋白质四级结构 五 蛋白质的性质 1 蛋白质的两性解离和等电点蛋白质与多肽一样 能够发生两性离解 也有等电点 在等电点时 蛋白质的溶解度最小 在电场中不移动 在电场中 如果蛋白质分子所带正电荷多于负电荷 净电荷为正 则向负电极移动 反之 净电荷为负 向正极移动 这种泳动现象称电泳 蛋白质在等电点PH条件下 不发生电泳现象 利用蛋白质的电泳现象 可以将蛋白质的电泳现 可以将蛋白质进行分离纯化 2 这是蛋白质特有的性质 胶体 由于蛋白质的分子量很大 它在水中能够形成胶体溶液 蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质 如丁达尔现象 布郎运动等 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜 因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去 3 蛋白质的沉淀作用蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小 所带的电荷和水化作用有关 改变溶液的条件 将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下 蛋白质能够从溶液中沉淀出来 蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀 4 蛋白质的变性作用天然蛋白质因受物理或化学因素的影响 分子构象发生变化 致使蛋白质的理化性质和生物学功能随之发生变化 但一级结构未遭破坏 这种现象称为变性作用 变性后的蛋白质称为变性蛋白 导致蛋白质变性的因素 热 紫外光 激烈的搅拌以及强酸和强碱等 类型 不可逆变性 可逆变性 可复性 六 蛋白质的生物学功能 1 作为酶 蛋白质具有催化功能 2 作为结构成分 它规定和维持细胞的构造 3 作为代谢的调节者 激素或阻遏物 它能协调和指导细胞内的化学过程 4 作为运输工具 它能在细胞内或者透过细胞膜传递小分子或离子 5 作为抗体 它起着保护有机体 防御外物入侵的作用 二核酸的结构和生物学功能 核酸是生物体内极其重要的生物大分子 是生命的最基本的物质之一 最早是瑞士的化学家米歇尔于1870年从脓细胞的核中分离出来的 由于它们是酸性的 并且最先是从核中分离的 故称为核酸 核酸的发现比蛋白质晚得多 核酸分为脱氧核糖核酸 简称DNA 和核糖核酸 简称RNA 两大类 基本结构单位都是核苷酸 一 核甘酸 核苷酸是核苷的磷酸酯 作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5 磷酸 脱氧核糖核苷和5 磷酸 核糖核苷 1 核甘 糖与碱基之间的C N键 称为C N糖苷键 2 组成核甘的戊糖 组成核酸的戊糖有两种 DNA所含的糖为 D 2 脱氧核糖 RNA所含的糖则为 D 核糖 腺嘌呤Adenine 鸟嘌呤guanine 尿嘧啶uracil 胞嘧啶cytosine 胸腺嘧啶thymine 3 组成核甘的碱基 二 核酸的分子结构 1 DNA的分子结构 1 DNA的一级结构概念 DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列顺序 不同的DNA分子 或片段 其一级结构不同 即脱氧核苷酸排列顺序不同 也就是碱基排列顺序不同 意义 遗传信息基本结构单位 脱氧核糖核苷酸连接键 3 5 磷酸二酯键书写及阅读方向 从5端到3端 2 DNA的二级结构概念 DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构 DNA双螺旋结构 DNA分子由两条DNA单链组成 DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果 双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式 DNA双螺旋结构的特点 a DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链 简称DNA单链 组成 两条链沿着同一根轴平行盘绕 形成右手双螺旋结构 螺旋中的两条链方向相反 即其中一条链的方向为5 3 而另一条链的方向为3 5 b 嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧 磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧 碱基环平面与螺旋轴垂直 糖基环平面与碱基环平面成90 角C 螺旋横截面的直径约为2nm 每条链相邻两个碱基平面之间的距离为3 4nm 每10个核苷酸形成一个螺旋 其螺矩 即螺旋旋转一圈 高度为34nm d 两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间的碱基对所形成的氢键 碱基的相互结合具有严格的配对规律 即腺嘌呤 A 与胸腺嘧啶 T 结合 鸟嘌呤 G 与胞嘧啶 C 结合 这种配对关系 称为碱基互补 A和T之间形成两个氢键 G与C之间形成三个氢键 在DNA分子中 嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等 3 核酸的紫外吸收 在核酸分子中 由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体系 因而具有独特的紫外线吸收光谱 一般在260nm左右有最大吸收峰 可以作为核酸及其组份定性和定量测定的依据 4 核酸的变性与复性 A 核酸的变性核酸的变性是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢键断裂 变成单链结构的过程 变性核酸将失去其部分或全部的生物活性 核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂 所以它的一级结构 碱基顺序 保持不变 能够引起核酸变性的因素很多 温度升高 酸碱度改变 甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的变性 RNA本身只有局部的双螺旋区 所以变性行为所引起的性质变化没有DNA那样明显 利用紫外吸收的变化 可以检测核酸变性的情况 而RNA变性后 约增加1 1 这种现象称为增色效应 变性DNA在适当的条件下 两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构 这一过程称为复性 DNA复性后 一系列性质将得到恢复 但是生物活性一般只能得到部分的恢复 DNA复性的程度 速率与复性过程的条件有关 将热变性的DNA骤然冷却至低温时 DNA不可能复性 但是将变性的DNA缓慢冷却时 可以复性 分子量越大复性越难 浓度越大 复性越容易 此外 DNA的复性也与它本身的组成和结构有关 三酶的特点及功能 酶是由活细胞产生的具有催化作用的有机物 又叫生物催化剂Biocatalysts 绝大多数的酶都是蛋白质 Enzyme 一 酶的作用特点 1 酶和一般催化剂的共性用量少而催化率高 它能够改变化学反应的速度 但是不能改变化学反应平衡 酶本身在反应前后也不发生变化 酶能够稳定底物形成的过渡状态 降低反应的活化能 从而加速反应的进行 2 酶作为生物催化剂的特性 A 高效性 B 专一性 C 反应条件温和 D 酶易失活 E 酶活力可调节控制 F 某些酶催化活力与辅酶 辅基及金属离子有关 二 酶的化学本质 通过对酶的性质 组成和结构等等方面的研究证实 酶是蛋白质 也有RNA 这些酶除了蛋白质组分外 还含有对热稳定的非蛋白的小分子物质 前者称酶蛋白 后者称辅因子 此完整的酶分子称为全酶 全酶 酶蛋白十辅因子 有的酶的辅因子是金属离子 有的是小分子有机化合物 通常将这些小分子有机化合物称为辅酶或辅基 三 酶的活性中心和必需基团 酶的活性中心 activecenter 是指酶分子中与底物直接结合并使之转变出产物的小区 也称活性部位 activesite 酶的活性中心有两个功能部位 结合部位和催化部位 1 结合部位 Bindingsite 酶分子中与底物结合的部位或区域一般称为结合部位 此部位决定酶的专一性 2 催化部位 catalyticsite 酶分子中促使底物发生化学变化的部位称为催化部位 此部位决定酶所催化反应的性质 酶的活性中心具有以下特点 1 活性中心是酶分子表面的一个凹穴 有一定的大小和特殊的构象 但它们不是刚性的 在与底物接触时表现一定的柔性 2 构成活性中心的大多数氨基酸残基为疏水性 使此小区形成一个非极性的微环境 有利于与底物结合 3 有活性中心 底物以弱键与酶结合 酶的活性中心的必需基团可分为两种 一种是与作用物结合的必需基团 称为结合基团 它决定酶的专一性 另一种是促进作用物发生化学变化的基团 称为催化基团 它决定酶的催化能力 四 酶的催化机理 1 酶反应的过渡态学说1931年Michaelis和Menten假设酶 E 与底物 S 先形成中间复合物 ES 再转变成反应产物 P 释放出游离酶 E SESP E过渡态学说 E S ES ES EP E P式中 ES为米氏复合物 ES 为过渡态中间物 EP为酶 产物中间物 邻近效应 在酶促反应中 由于酶和底物分子之间的亲和性 底物分子向酶的活性中心靠近 最终结合到酶的活性中心 使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应 定向效应 当专一性底物向酶活性中心靠近时 会诱导酶分子构象发生改变 使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列 同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位 使酶促反应易于进行 以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点 2 邻近和定向效应 3 诱导楔合学说 该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状 而只是由于底物的诱导才形成了互补形状 从而有利于底物折结合 四 影响酶反应速度的因素 1 酶浓度对酶反应速度的影响 E 酶浓度对反应速度的影响 2 底物浓度与酶促反应的关系 在低底物浓度时 反应速度与底物浓度成正比 表现为一级反应特征 当底物浓度达到一定值 反应速度达到最大值 Vmax 此时再增加底物浓度 反应速度不再增加 表现为零级反应 3 温度对酶反应速度的影响 一方面是温度升高 酶促反应速度加快 另一方面 温度升高 酶的高级结构将发生变化或变性 导致酶活性降低甚至丧失 因此大多数酶都有一个最适温度 在最适温度条件下 反应速度最大 4 PH值对酶反应速度的影响 在一定的pH下 酶具有最大的催化活性 通常称此pH为最适pH 5 激活剂对酶反应速度的影响 凡能提高酶活性的物质 都称为激活剂 activator 1 无机离子 金属离子 K Na Mg2 Zn2 Fe2 Ca2 阴离子 Cl Br 氢离子 2 中等大小的有机分子 某些还原剂 乙二胺四乙酸 EDTA 3 某些酶类 酶原激活过程中的酶类原理 a 酶活性中心的必需基团b 酶 底络合物形成的桥梁c 作为某些酶的辅助因子d 保护 SH酶不被氧化 1 抑制作用与抑制剂凡使酶的活性降低或丧失 但并不引起酶蛋白变性的作用称为抑制作用 inhibition 能够引起抑制作用的化合物则称为抑制剂 inhibitor 抑制剂不同于变性剂 2 抑制作用的类型 1 不可逆抑制作用 irreversibleinhibition 2 可逆抑制作用 reversibleinhibition 1 不可逆抑制作用 irreversibleinhibition 抑制剂与酶蛋白中的必需基团以共价形式结合 引起酶的永久性失活 不能用透析或超滤等物理方法除去抑制剂而恢复酶活性 专一性不可逆抑制作用 这类抑制剂只作用于与酶活性部位有关的氨基酸残基或一类酶 非专一性不可逆抑制作用 这类抑制剂作用于酶分子上不同的基团或作用于几类不同的酶 如 酰化剂酸酐和磺酰氯等可使酶蛋白的 OH SH NH2等发生酰化 2 可逆抑制作用 reversibleinhibition 抑制剂与酶蛋白以非共价方式结合 引起酶活性暂时性丧失 抑制剂可以通过透析等方法被除去 并且能部分或全部恢复酶的活性 根椐抑制剂与酶结合的情况 又可以分为三类 a 竞争性抑制作用b 非竞争性抑制作用C 反竞争性抑制作用 四糖和糖代谢 一 糖的概况 二 糖的分类 单糖 甘油醛 二羟丙酮 戊糖 己糖 庚糖 二糖 蔗糖 乳糖 麦芽糖 纤维二糖 多糖 同多糖 淀粉 纤维素 糖原 几丁质 糖胺聚糖 透明质酸 硫酸角质素 蛋白聚糖 杂多糖 细菌多糖 肽聚糖 脂多糖 磷壁酸 糖蛋白 糖肽键 N O型 糖链 寡糖链 具重要功能 三 糖代谢 1 糖酵解 EMP途径 定义 糖酵解是酶将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随ATP生成的过程 是一切有机体中普遍存在的葡萄糖降解途径 1940年被阐明 研究历史 Embden Meyerhof Parnas等人贡献最多 故糖酵解过程一也叫Embdem Meyerhof Parnas途径 简称EMP途径 在细胞质中进行 葡萄糖 2Pi 2ADP 2NAD 2丙酮酸 2ATP 2NADH 2H 2H2O 葡萄糖 6 磷酸 葡萄糖 6 磷酸 果糖 1 6 二磷酸 果糖 磷酸二羟丙酮 3 磷酸 甘油醛 第一阶段 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 2 磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 第二阶段 己糖激酶 磷酸葡萄糖异构酶 磷酸果糖激酶 醛缩酶 磷酸丙糖异构酶 磷酸甘油醛脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 磷酸甘油酸变位酶 烯醇化酶 丙酮酸激酶 2 糖酵解的调控 细胞对酵解速度的调控是为了满足细胞对能量及碳骨架的需求 在代谢途径中 催化不可逆反应的酶所处的部位是控制代谢反应的有力部位 糖酵解中有三步反应不可逆 分别由己糖激酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶催化 因此这三种酶对酵解速度起调节作用 糖酵解的调控 3 糖酵解的意义 A 糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径 B 通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP 为生命活动提供部分能量 尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式 C 糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他物质的原料 提供碳骨架 如磷酸二羟丙酮甘油 D 是糖有氧分解的准备阶段 E 由非糖物质转变为糖的异生途径基本为之逆过程 4 丙酮酸的去路 A 酵母在无氧条件下将丙酮酸转化为乙醇和CO2 H C2O 丙酮酸脱羧酶TPP NADH H NAD 乙醇脱氢酶 丙酮酸 乙醛 乙醇 由葡萄糖转变为乙醇的过程称为酒精发酵 葡萄糖 2Pi 2ADP 2H 2乙醇 2C2O 2ATP 2H2O OHHCO COHCOHCOCH3CH3CH3 OOCO NADH H CO NAD COHOCHCH3CH3 丙酮酸 L 乳酸 乳酸脱氢酶 葡萄糖 2Pi 2ADP2乳酸 2ATP 2H2O B 动物在激烈运动时或由于呼吸 循环系统障碍而发生供氧不足时 生长在厌氧或相对厌氧条件下的许多细菌 C 在有氧条件下 丙酮酸进入线粒体生成乙酰CoA 参加TCA循环 柠檬酸循环 被彻底氧化成CO2和H2O D 转化为脂肪酸或酮体 当细胞ATP水平较高时 柠檬酸循环的速率下降 乙酰CoA开始积累 可用作脂肪的合成或酮体的合成 2 三羧酸循环 TCA循环 概念 在有氧的情况下 葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA 乙酰CoA经一系列氧化 脱羧 最终生成C2O和H2O并产生能量的过程 称为柠檬酸循环 亦称为三羧酸循环 tricarboxylicacidcycle 简称TCA循环 由于它是由H A Krebs 德国 正式提出的 所以又称Krebs循环 三羧酸循环在线粒体基质中进行 1 由丙酮酸形成乙酰CoA 丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA 这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带 丙酮酸 CoA NAD 乙酰CoA C2O NADH H 反应不可逆 分5步进行 由丙酮酸脱氢酶复合体催化 丙酮酸脱氢酶复合体是一个十分大的多酶复合体 包括丙酮酸脱氢酶E1 二氢硫辛酸乙酰转移酶E2 二氢硫辛酸脱氢酶E3三种不同的酶及焦磷酸硫胺素 TPP 硫辛酸 FAD NAD CoA及Mg2 六种辅助因子组装而成 由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤 处于代谢途径的分支点 所以此体系受到严密的调节控制 1 产物抑制 乙酰CoA抑制乙酰转移酶E2组分 NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分 抑制效应被CoA和NAD 逆转 2 核苷酸反馈调节 丙酮酸脱氢酶E1受GTP抑制 被AMP活化 3 砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化物 4 可逆磷酸化作用的调节 丙酮酸脱氢酶E1的磷酸化状态无活性 反之有活性 5 Ca2 激活 丙酮酸氧化脱羧的调控 2 TCA循环的过程 三羧酸循环的总反应式为 乙酰CoA 3NAD FAD GDP Pi 2H2O2CO2 3NADH FADH2 GTP CoA 2H 循环有以下特点 1 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 使两个C原子进入循环 在以后的两步脱羧反应中 有两个C原子以CO2的形式离开循环 相当于乙酰CoA的2个C原子形成CO2 2 在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下 其中3对用以还原NAD 生成3个NADH H 1对用以还原FAD 生成1个FADH2 3 由琥珀酰CoA形成琥珀酸时 偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP 1GTP1ATP 4 循环中消耗两分子水 5 3NADH9ATP 1FADH22ATP 再加上1个GTP 6 单向进行 7 整个循环不需要氧 但离开氧无法进行 1分子乙酰CoA通过TCA循环被氧化 可生成12分子ATP 3 三羧酸循环的化学计量 4 三羧酸循环的回补反应 三羧酸循环不仅是产生ATP的途径 它的中间产物也是生物合成的前体 酮戊二酸谷氨酸草酰乙酸天冬氨酸琥珀酰CoA卟啉环上述过程均可导致草酰乙酸浓度下降 从而影响三羧酸循环的运转 因此必须不断补充才能维持其正常进行 这种补充称为回补反应 anapleroticreaction B PEP羧化 在植物 酵母 细菌 A 丙酮酸羧化 动物体内的主要回补反应 五生物氧化 1 生物氧化概述 一切生命活动都需要能量 维持生命活动的能量主要有两个来源 光能 太阳能 光合自养生物通过光合作用将光能转变成有机物中稳定的化学能 化学能 异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质 主要是各种光合作用产物 氧化分解 使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能 ATP直接用于需要能量的各种生命活动 1 概念有机物质 糖 脂肪和蛋白质 在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化 生物氧化通常需要消耗氧 所以又称为呼吸作用 1 细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C变成CO2 CO2如何形成 脱羧反应 2 在酶的作用下细胞怎样利用分子氧将有机化合物中的H氧化成H2O H2O如何形成 电子传递链 3 当有机物被氧化成CO2和H2O时 释放的能量怎样转化成ATP 能量如何产生 底物水平磷酸化氧化磷酸化 2 生物氧化的特点 生物氧化和有机物在体外氧化 燃烧 的实质相同 都是脱氢 失电子或与氧结合 消耗氧气 都生成CO2和H2O 所释放的能量也相同 但二者进行的方式和历程却不同 细胞内温和条件高温或高压 干燥条件 常温 常压 中性pH 水溶液 一系列酶促反应无机催化剂逐步氧化放能 能量利用率高能量爆发释放释放的能量转化成ATP被利用转换为光和热 散失 生物氧化体外燃烧 二 电子传递链 1 概念需氧细胞内糖 脂肪 氨基酸等通过各自的分解途径所形成的还原性辅酶 包括NADH和FADH2通过电子传递途径被重新氧化 在生物氧化过程中 还原型辅酶上的氢原子以质子的形式脱下 其电子沿一系列按一定顺序排列的电子传递体转移 最后转移给分子氧并生成水 这个电子传递体系称为电子传递链 由于消耗氧 故也叫呼吸链 电子传递链在原核生物存在于质膜上 在真核细胞存在于线粒体内膜上 2 呼吸链的组成 呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成 包括 NADH Q还原酶 琥珀酸 Q还原酶 细胞色素还原酶 细胞色素氧化酶 NADH NADH Q还原酶 Q 细胞色素还原酶 细胞色素C 细胞色素氧化酶 O2 琥珀酸 Q还原酶 FADH2 3 呼吸链的电子传递顺序 呼吸链的各组分在线粒体内膜上是按一定顺序排列的 在线粒体内膜上主要有两条呼吸链 FMNFe S CytbFe Scytc1 cytaa3 Fe SFADH2 NADH H CoQ cytc O2 琥珀酸 ADP Pi ADP Pi ADP Pi ATP ATP ATP 呼吸链的电子传递抑制剂图示NADHNADH Q还原酶被鱼藤酮 安密妥 杀蝶素A抑制CoQcytb被抗霉素A抑制cytc1cytccytaa3被氰化物 一氧化碳 硫化氢 叠氮化合物抑制O2 三 氧化磷酸化 1 概念 生物体内高能磷酸化合物ATP的生成主要由三种方式 氧化磷酸化底物水平磷酸化光合磷酸化 1 氧化磷酸化 是与电子传递过程偶联的磷酸化过程 即伴随电子从底物到O2的传递 ADP被磷酸化生成ATP的酶促过程 这种氧化与磷酸化相偶联的作用称为氧化磷酸化 这是需氧生物合成ATP的主要途径 真核生物的电子传递和氧化磷酸化均在线粒体内膜上进行 原核生物则在质膜上进行 底物水平磷酸化指ATP的形成直接与一个代谢中间物 PEP 上的磷酸基团转移相偶联的作用 特点 ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联 在有O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化 2 底物水平磷酸化 四 氧化磷酸化作用的机理 1 有关氧化磷酸化机理的几种假说化学偶联假说构象偶联假说化学渗透假说 1 化学偶联假说 1953年 掌握要点 认为电子传递反应释放的能量通过一系列连续的化学反应形