第八章生物氧化conv.docx
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第八章生物氧化conv
内容
第一节生物氧化概述
第二节线粒体及其内部氧化体系
第三节氧化磷酸化
第四节其他末端氧化体系(自学)
第八章生物氧化
要求:
1、掌握高能磷酸化合物;呼吸链的组成和功能;氧化磷酸化的概念分类,氧化磷酸化的机理(化学渗透学说),氧化磷酸化物质的转运
2、了解生物氧化的概念、特点和作用方式;生物氧化的酶类;氧化还原电位和自由能的改变。
3、了解其他末端氧化体系
(一)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。
生物氧化讨论的内容:
1、细胞如何在酶的作用下将有机化合物中的碳变成CO2?
2、在酶的作用下,细胞怎样利用分子氧将有机化合物的氢氧化成水?
3、当有机物被氧化成二氧化碳和水时,释放的能量怎样贮存与ATP中?
一、生物氧化的概念、特点与方式
第一节、生物氧化的概述
1、生物氧化与体外氧化的相同点
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。
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。
(二)生物氧化的特点
2、生物氧化与体外氧化的不同点
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,中性pH和常温)。
氧化进行过程中,必然伴随生物还原反应的发生。
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。
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。
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。
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。
(三)、生物氧化中物质氧化的方式
氧化反应
还原反应
脱电子
脱氢
加氧
得电子
加氢
脱氧
氧化剂:
还原剂:
递电子
(递氢)体:
接受电子,H(还原反应)
供给电子,H(氧化反应)
酶/辅酶在电子传递中:
供电子(供氢)体
+受电子(受氢)体
Fe2+Fe3+
(供电子体)(受电子体)
(还原剂)(氧化剂)
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
CH3COSCoA+CO2
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
CH3COSCoA+CO2
CH3-C-COOH
O
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
CH3COSCoA+CO2
CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+NADH+H+
CoASH
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
CH3COSCoA+CO2
CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+NADH+H+
CoASH
例:
+CO2
二、生物氧化中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:
α-脱羧和β-脱羧
氧化脱羧和直接脱羧
CH3COSCoA+CO2
CH3-C-COOH
O
丙酮酸脱氢酶系
NAD+NADH+H+
CoASH
例:
+CO2
H2N-CH-COOH
R
氨基酸脱羧酶
CH2-NH2
R
(1)-脱羧(直接脱羧)
R-CH(NH2)-COOHRCH2NH2CO2
氨基酸(氨基酸脱羧酶)胺
(2)-氧化脱羧
CH3COCOOH+NAD++CoASHCH3COSCoA+NADH+H+
丙酮酸丙酮酸脱氢酶系)乙酰辅酶A
(3)-脱羧(直接脱羧)
HOOCCO-CH2COOHCH3COCOOH+CO2
草酰乙酸(丙酮酸羧化酶)丙酮酸
(4)-氧化脱羧
HOOCCH2-CH(OH)COOH+NADP+
(苹果酸)
CH3COCOOH+CO2+NADPH+H+
(苹果酸脱羧酶)(丙酮酸)
三、生物氧化中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。
氧传递:
分子氧必需由氧化酶激活后,才与传递来的氢结合成水
例:
电子传递链
2e
三、生物氧化中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。
氧传递:
分子氧必需由氧化酶激活后,才与传递来的氢结合成水
例:
电子传递链
2e
三、生物氧化中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。
氧传递:
分子氧必需由氧化酶激活后,才与传递来的氢结合成水
例:
电子传递链
2e
CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+NADH+H+
乙醇脱氢酶
1\2O2
NAD+
H2O
O=
2H+
自由能(freeenergy)的概念
定义式:
ΔG=ΔH-TΔS
物理意义:
-ΔG=W*(体系中能对环境作功的能量)
自由能的变化能预示某一过程能否自发进行,即:
ΔG<0,反应能自发进行
ΔG>0,反应不能自发进行
ΔG=0,反应处于平衡状态。
四、生物能学简介(自学)
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:
ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)
ΔG°′=-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:
ΔG°′=-nFΔE°′
(ΔE°′=E+°′-E-°′)
例:
计算NADH氧化反应的ΔG°′
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
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:
ΔG°′=-RTlnKeq
=-2.3038.314311log19
=-7.6KJ.mol-1
ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)
=-7.6+2.3038.314311log0.1
=-13.6KJ.MOL-1
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:
ΔG°′=-RTlnKeq
=-2.3038.314311log19
=-7.6KJ.mol-1
ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)
=-7.6+2.3038.314311log0.1
=-13.6KJ.MOL-1
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:
例题:
计算下反应式ΔG°′
NADH+H++1/2O2====NAD++H2O
正极反应:
1/2O2+2H++2eH2O
E+°′0.82
负极反应:
NAD++H++2eNADH
E-°′-0.3
ΔG°′-nFΔE°′
-2×96485×[0.82-(-0.32)]
-220KJ·mol-1
糖、脂肪、蛋白质CO2+H2O+能量
生物氧化
ATP
1、高能磷酸化合物的概念
在标准条件下(pH7,25℃,1mol/L)发生水解时,可释放出大量自由能的化合物,称为高能化合物。
习惯上把“大量”定为5kcal/mol(即20.92KJ/mol)以上。
在高能化合物分子中,释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键。
用表示
~
但须注意:
释放的能量并非集中在这个键上,而是与分子结构和水解反应有关,生化上的“高能键”,涵义不同于普通化学上的“键能”,不能把“高能键”理解为“能键高”
五、高能磷酸化合物
(一).磷氧键型(—O-P)
1、酰基磷酸化合物
3-磷酸甘油酸磷酸
乙酰磷酸
10.1千卡/摩尔
11.8千卡/摩尔
酰基磷酸化合物
氨甲酰磷酸
酰基腺苷酸
氨酰基腺苷酸
2、焦磷酸化合物
ATP(三磷酸腺苷)
焦磷酸
7.3千卡/摩尔
3、烯醇式磷酸化合物
磷酸烯醇式丙酮酸
14.8千卡/摩尔
(二)氮磷键型
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
10.3千卡/摩尔
7.7千卡/摩尔
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
1、硫酯键型
3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
酰基辅酶A
2、甲硫键型
(三)硫碳键型
S-腺苷甲硫氨酸
高能化合物类型
高能化合物类型
1、ATP的结构
(四)ATP的结构及其在能量转换中的作用
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
O
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
O
O
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
O
O
O-
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
O
O
O-
O-
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(ΔG°′=-30.5千焦/摩尔)。
ATP4-+H2O=ADP3-+Pi2-+H+G=-30.5kJ•MOL-1
ATP3-+H2O=ADP2-+Pi3-+H+G=-33.1kJ•MOL-1
腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-
O
O
O
O-
O-
O-
+
+
+
Mg2+
①ATP是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂,在传递能量方面起着转运站的作用,它是能量的携带者和转运者,但不是能量的贮存者(磷酸肌酸、磷酸精氨酸)。
磷酸肌酸(C~P)是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。
但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用,而必须先将其高能磷酸键转移给ATP,才能供生理活动之需。
这一反应过程由肌酸磷酸激酶(CPK)催化完成。
CPK
C~P+ADPC+ATP
②在磷酸基转移中的作用:
ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
2、ATP在能量转换中的作用
~P
~P
~P
~P
ATP
~P
0
2
10
8
6
4
12
14
磷酸基团转移能
磷酸烯醇式丙酮酸
3-磷酸甘油酸磷酸
磷酸肌酸(磷酸基团储备物)
6-磷酸葡萄糖
3-磷酸甘油
③ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能
低的物质转移。
磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应ΔG0’。
3、多磷酸核苷间的能量转移
在生物体内,除了可直接使用ATP供能外,还用使用其他形式的高能磷酸键供能,如UTP用于糖原的合成,CTP用于磷脂的合成,GTP用于蛋白质的合成等。
核苷单磷酸激酶
NMP+ATPNDP+ADP
核苷二磷酸激酶
NDP+ATPNTP+ADP
第二节线粒体及其内部氧化体系
一、线粒体P200
(一)、线粒体结构
(二)线粒体的生物功能
1、呼吸链又叫电子传递体系或电子传递链,它是代谢
物上的氢原子被脱氢酶激活脱落后,经过一系列的传
递体,最后传递给被激活的氧原子,而生成水的全部
体系。
2、酶和辅酶按一定顺序排列在线粒体内膜;
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
链。
二、呼吸链概念:
在真核生物细胞内,它位于线粒体内膜上,原核生
物中,它位于细胞膜上。
三、电子传递链的组成
从线粒体内膜上分离到四种酶复合体及辅酶Q(CoQ)和细胞色素C(Cytc)。
复合体Ⅰ:
NADH-CoQ还原酶
复合体Ⅱ:
琥珀酸-CoQ还原酶
复合体Ⅲ:
CoQ-细胞色素C还原酶
复合体Ⅳ:
细胞色素氧化酶
NADH呼吸链:
由复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成
FADH2呼吸链:
由复合体Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及CoQ、Cytc组成
复合体Ⅰ:
NADH-CoQ还原酶
功能:
将电子从NADH传递给CoQ
辅基:
FMN,铁硫蛋白
复合体Ⅰ:
NADH-CoQ还原酶
功能:
将电子从NADH传递给CoQ
辅基:
FMN,铁硫蛋白
铁硫簇(Fe4S4)
功能:
单电子传递体
泛醌(CoQ)
复合体Ⅱ:
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、Cytb560
复合体Ⅲ:
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。
功能:
单电子传递体
细胞色素还原酶血红素辅基的铁原子,在电子传递中发生可逆的Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用。
一个细胞色素每次传递一个电子。
功能:
将电子从泛醌传递给细胞色素C
复合体Ⅳ:
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
由cyt.a和a3组成。
复合物中除了含有铁卟啉外,还含有2个铜原子(CuA,CuB)。
Cyta与CuA相配合,cyta3与CuB相配合,当电子传递时,细胞色素的Fe3+Fe2+间循环,同时Cu2+Cu+间循环,将电子从cytc直接传递给O2。
也叫末端氧化酶。
由cyt.a和a3组成。
复合物中除了含有铁卟啉外,还含有2个铜原子(CuA,CuB)。
Cyta与CuA相配合,cyta3与CuB相配合,当电子传递时,细胞色素的Fe3+Fe2+间循环,同时Cu2+Cu+间循环,将电子从cytc直接传递给O2。
也叫末端氧化酶。
由cyt.a和a3组成。
复合物中除了含有铁卟啉外,还含有2个铜原子(CuA,CuB)。
Cyta与CuA相配合,cyta3与CuB相配合,当电子传递时,细胞色素的Fe3+Fe2+间循环,同时Cu2+Cu+间循环,将电子从cytc直接传递给O2。
也叫末端氧化酶。
功能:
将电子从细胞色素C传递给O2
其中cyta3与CuB形成的活性部位将电子传递给O2.
NADH呼吸链
H2O
NADH呼吸链
H2O
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
FeS
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
FeS
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c1-c-aa3
CoQH2
CoQ
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
FeS
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c1-c-aa3
CoQH2
CoQ
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c-c1-aa3
FeS
2H+
M
氧化型代谢底物
FADH2呼吸链
FAD
FADH2
琥珀酸
FeS
2Fe2+
2Fe3+
细胞色素
b-c1-c-aa3
CoQH2
CoQ
1
2
O2
O2-
2H+
NADH呼吸链
H2O
1
2
O2
O2-
MH2
还原型代谢底物
FMN
FMNH2
CoQH2
CoQ
NAD+
NADH+H+
2Fe2+
2
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