生物化学合工大第九章生物氧化

1、1,第九章 生物氧化 Biological Oxidation,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（free energy）的概

2、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 =-2.3038.314 311 log19 =-7.6 KJ / mol,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2

3、.3038.314 311 log0.1 =-13.6 KJ / 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：1/2 O2 + 2H+ + 2e H2O E+ 0.82 负极反应：NAD+ + H+ + 2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 K

4、Jmol-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

5、-），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

6、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

7、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：,12 O2,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（

8、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

9、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NA

10、DH（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,

11、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N

12、ADH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

13、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1mol O2所消耗无机磷的mol数（或ADP mol数），或每消耗1mol O2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(chemiosmoti

14、c hypothesis) 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

15、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，生物体内还存在非线