生物化学--第八章生物氧化和能量转化ppt课件

1、第一节第一节 生物氧化概述生物氧化概述 生物氧化生物氧化biological oxidation是指细胞内是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进展氧化分解而生成的糖、蛋白质和脂肪进展氧化分解而生成CO2和和H2O，并释放能量的过程。，并释放能量的过程。 生物氧化实践上是需氧细胞呼吸作用中的一生物氧化实践上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化复原反响。系列氧化复原反响。 二、生物氧化的特点二、生物氧化的特点1. 生物氧化是在细胞内进展的。生物氧化是在细胞内进展的。2. 生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进展的。境中进展的。3. 生物氧化所产生的能量是逐渐释放

2、的。生物氧化所产生的能量是逐渐释放的。4. 生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的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。高能化合物中。三、生物氧化中三、生物氧化中CO2的生成的生成1. 直接脱羧作用直接脱羧作用 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。接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。2. 氧化脱羧作用氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸主要是酮酸在氧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，也发生氧化化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化脱氢作用。

3、脱氢作用。四、生物氧化中四、生物氧化中H2O的生成的生成代谢物代谢物MH2氧化型氧化型M复原型复原型1/2O2H2O一个或多个传送体一个或多个传送体脱氢酶脱氢酶氧化酶氧化酶 1. 自在能自在能 自在能是指一个化合物分子构造中所固有的能自在能是指一个化合物分子构造中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。五、自在能和氧化复原电位五、自在能和氧化复原电位 假设假设 A B , 那么那么G GB GAG 0，供应能量才干进展，吸能反响。，供应能量才干进展，吸能反响。G = 0，反响处于平衡形状。，反响处于平衡形状。 2. 氧化复原电位氧化复原电位

4、Go -n F E0 n：转移电子数；：转移电子数； F：法拉第常数：法拉第常数96.5 KJ/(V.mol) 3. 自在能变化和氧化复原电位的关系自在能变化和氧化复原电位的关系 丙酮酸丙酮酸 + NADH + H+ 乳酸乳酸 + NAD + 丙酮酸丙酮酸 + H+ + 2e- 乳酸乳酸 E0 = -0.19 VNAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E0 = -0.32 VE0 -0.19 (-0.32) = 0.13 V六、高能磷酸化合物六、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，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

5、能磷酸化合物。释放大量的能量，这些化合物称为高能磷酸化合物。如如 ATP。 普通将水解时可以释放普通将水解时可以释放21 kJ /mol 以上自在能的以上自在能的化合物称为高能化合物。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成以下几种类型: 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物 1. 磷氧键型磷氧键型OPCOC HOC H2O HOPOO-O-POO-O-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸11.8千卡千卡/摩尔摩尔 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/

6、摩尔摩尔 焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-ATP三磷酸腺苷三磷酸腺苷O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔OPOON HCN HNCH3CH2CO O HOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔 2. 磷氮键型磷氮键型NP 磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与磷酸肌酸存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的方式贮能；多时，以磷酸肌酸的方式贮能；A

7、TP缺乏时，磷酸肌酸转化为缺乏时，磷酸肌酸转化为ATP。因此可以为磷。因此可以为磷酸肌酸是酸肌酸是ATP的储存库。的储存库。 严厉的说，严厉的说，ATP不是能量的储存者，而是能量的不是能量的储存者，而是能量的携带者和传送者。携带者和传送者。 以高能磷酸方式储存能量的物质称为磷酸原，包以高能磷酸方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。括磷酸肌酸和磷酸精氨酸。COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 3. 硫碳键型硫碳键型CS 甲硫键化合物甲硫键化合物RCOSCoA酰基辅酶酰基辅酶A 硫酯键化合物硫酯键化合物第二节第二节 线粒体及其内部氧化体系线粒体

8、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。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在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传送体所组成的电子传送链而转移，最终到达列传送体所组成的电子传送链而转移，最终到达氧，使氧复原成水，并伴随着自在能的释放和氧，使氧复原成水，并伴随着自在能的释放和ATP的生成。的生成。二、线粒体内膜上的电子传送链二、线粒体内膜上的电子传送链 在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传送体依次传送，最后与氧构成水的整个体系系列传送体依次传送，最后与氧构成水的整个体系称为呼吸链称为呼吸链

9、respiratory chain。 由于在传送过程中，在很多部位氢原子实践上由于在传送过程中，在很多部位氢原子实践上以质子以质子H+方式进入基质，仅发生电子转移，方式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为电子传送链因此呼吸链又称为电子传送链electron-transport chain。电子传送链根本分为：电子传送链根本分为：1. 烟酰胺腺嘌呤核苷酸烟酰胺腺嘌呤核苷酸NAD+、NADP+2. 黄素蛋白黄素蛋白FMN、FAD3. 铁硫蛋白铁硫蛋白FeS4. 泛醌辅酶泛醌辅酶Q，CoQ5. 细胞色素细胞色素cyt 电子传送链的根本组成电子传送链的根本组成 经过异咯嗪环第经过异咯嗪环第1位和

10、第位和第10位上的两个氮原子反位上的两个氮原子反复进展加氢和脱氢反响。复进展加氢和脱氢反响。FMN + 2H FMNH2 它主要以它主要以 (2Fe-2S) 或或 (4Fe-4S) 方式存在。铁硫方式存在。铁硫蛋白经过蛋白经过Fe3+ Fe2+ 变化起传送电子的作用。变化起传送电子的作用。2Fe-2S4Fe-4S 它是电子传送链中独一的非蛋白电子载体。为它是电子传送链中独一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。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送蛋细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传送蛋白的总称。白的总称。 线粒体呼吸链中主要含有线粒体呼吸链中主要含有cyta、c

11、yta3、cytb、cytc和和cytc1 5种。组成它们的辅基分别为血红素种。组成它们的辅基分别为血红素A、B和和C。 细胞色素主要是经过细胞色素主要是经过Fe3+ Fe2+ 的互变起传的互变起传送电子的作用的。送电子的作用的。 电子传送链各组分的陈列顺序电子传送链各组分的陈列顺序 线粒体末端氧化呼吸链有两条：线粒体末端氧化呼吸链有两条： 1. NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 2. 琥珀酸氧化呼吸链琥珀酸氧化呼吸链 两条呼吸链中除两条呼吸链中除CoQ和和cytc外，其他组分构成嵌入内膜外，其他组分构成嵌入内膜的构造化超分子复合体。这些复合体有的构造化超分子复合体。这些复合体有4类：类：. NA

12、DH - Q复原酶复原酶. 琥珀酸琥珀酸Q复原酶复原酶. Q-Cytc复原酶复原酶. 细胞色素细胞色素c氧化酶氧化酶线粒体呼吸链线粒体呼吸链NADHFMN Fe-SO2FAD Fe-S琥珀酸琥珀酸 等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合物复合物 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶Q-细胞色素复原酶细胞色素复原酶细胞色素细胞色素C氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-Q复原酶复原酶CoQCyt b Fe-S Cyt c1 Cyt cCyt aa3电子传送陈列顺序电子传送陈列顺序 电子传送链的抑制电子传送链的抑制第第 三节三节 氧化磷酸化作用氧化磷酸化作用 氧化磷酸化氧化磷酸化(oxidativ

13、e phosphorylation) 是指生是指生物体氧化过程中释放出自在能驱动物体氧化过程中释放出自在能驱动ADP磷酸化构磷酸化构成成ATP的过程。的过程。 线粒体线粒体ATP合成的方式有两种：合成的方式有两种： 1. 底物程度磷酸化底物程度磷酸化 2. 氧化磷酸化氧化磷酸化二、氧化磷酸化的偶联部位二、氧化磷酸化的偶联部位 根据氧化根据氧化-复原电势与自在能变化关系式，计算复原电势与自在能变化关系式，计算出在出在NADH氧化过程中，有三个反响的氧化过程中，有三个反响的 G -30.5 kJ / mol。 磷氧比磷氧比P/O是指一对电子经过呼吸链传送是指一对电子经过呼吸链传送到氧时所产生的到氧

14、时所产生的ATP分子数。分子数。 复合体复合体 复合体复合体 复合体复合体IV NADH Co Q cyt b cyt c1 cyt aa3 O2 G -50.24 -41.87 -100.48 这三个反响分别与这三个反响分别与ADP的磷酰化反响偶联。的磷酰化反响偶联。 NADH的的P/O比为比为2.5；FADH2的的P/O为为1.5三、氧化磷酸化的偶联机理三、氧化磷酸化的偶联机理 ATP合酶合酶ATP synthase ATP合酶由两个主要单元构成，一是起质子通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道作用的单元称为F0单元，另一是催化单元，另一是催化ATP合成合成的单元称为的单

15、元称为F1单元。故单元。故ATP合酶又称合酶又称F0 F1 酶酶 F0 F1 ATPase 。 该酶又称复合体该酶又称复合体 氧化磷酸化的偶联机理氧化磷酸化的偶联机理化学浸透假说的要点是：化学浸透假说的要点是：a. 线粒体内膜的电子传送链是一个质子泵；线粒体内膜的电子传送链是一个质子泵；b. 在电子传送链中，电子由高能形状传送到低能形状时释放在电子传送链中，电子由高能形状传送到低能形状时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的出来的能量，用于驱动膜内侧的H+迁移到膜外侧。这样，在迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度 (pH) 和电位梯度和电位梯度；

16、c. 在膜内外势能差在膜内外势能差pH 和和的驱动下，膜外高能质的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道子沿着一个特殊通道ATP酶的组成部分，跨膜回到膜内酶的组成部分，跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成和磷酸合成ATP。化学浸透假说表示图化学浸透假说表示图4H+4H+2H+4H+NADH+H+2H+10H+10H+ ADP+PiATP高高质质子子浓浓度度H2O2e-+ + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _质子流质子流线粒体内膜线粒体内膜磷酸化磷酸化 氧化氧化 四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂四、

17、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂 1. 解偶联剂解偶联剂 解偶联剂解偶联剂uncoupler作用是使电子传送和作用是使电子传送和ATP生成的两个过程分别。它只抑制生成的两个过程分别。它只抑制ATP的构成，的构成，而不抑制电子传送过程。而不抑制电子传送过程。如：如：2,4二硝基苯酚二硝基苯酚DNP 2. 氧化磷酸化抑制剂氧化磷酸化抑制剂 氧化磷酸化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑氧化磷酸化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑制制ATP的构成，但不直接抑制电子传送链上载体的的构成，但不直接抑制电子传送链上载体的作用。作用。 如：寡霉素如：寡霉素oligomycin 3. 离子载体抑制剂离子载体抑制剂 离子

18、载体抑制剂的作用是与某些离子结合，作为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可以穿过膜，从而破坏膜两侧离子载体使这些离子可以穿过膜，从而破坏膜两侧的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。 如：缬氨霉素、如：缬氨霉素、短杆菌肽短杆菌肽五、腺苷酸的转运五、腺苷酸的转运ATP/ADP交换体交换体六、线粒体穿越系统六、线粒体穿越系统 NADH从细胞液进入线粒从细胞液进入线粒体的途径：体的途径： 1. 3-磷酸甘油穿越途径磷酸甘油穿越途径glycerol 3-phosphate shuttle system ：主要存在于肌肉：主要存在于肌肉细胞中。细胞中。 2.