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第五章 生物氧化

第五章 生物氧化. Biological Oxidation. 第一节 新陈代谢. 一、新陈代谢的概念. 1 、概念 新陈代谢是指生物活体与外界环境之间进行的物质与能量的交换过程。其本质是活细胞中发生一系列化学变化，每一变化均由酶催化。. 2 、新陈代谢的内涵. 小分子 大分子 合成代谢 （同化作用）需要能量 能量代谢 物质代谢 释放能量 分解代谢 （异化作用）大分子 小分子. 新陈代谢. 3 、新陈代谢的特点. 顺序性 温和性 复杂性 自我调节 选择性.

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第五章 生物氧化

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Presentation Transcript

  1. 第五章 生物氧化 Biological Oxidation

  2. 第一节 新陈代谢

  3. 一、新陈代谢的概念 1、概念 • 新陈代谢是指生物活体与外界环境之间进行的物质与能量的交换过程。其本质是活细胞中发生一系列化学变化，每一变化均由酶催化。

  4. 2、新陈代谢的内涵 小分子 大分子 合成代谢 （同化作用）需要能量 能量代谢 物质代谢 释放能量 分解代谢 （异化作用）大分子 小分子 新陈代谢

  5. 3、新陈代谢的特点 • 顺序性 • 温和性 • 复杂性 • 自我调节 • 选择性

  6. 二、新陈代谢的研究方法 • 示踪法（化合物示踪、同位素示踪） • 抗代谢物和酶抑制剂的利用 • 体内试验（in vivo）和体外试验（no vivo）

  7. 三、生物能学

  8. 1、自由能的概念 • 定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS • 物理意义：－ΔＧ＝Ｗ • ΔG<0，反应能自发进行 • ΔG=0，反应处于平衡状态 • ΔG>0，反应不能自发进行

  9. 2、标准自由能变化与平衡常数的关系 A + B == C + D • ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc-浓度商) • ΔG°′= - RTlnKeq • 例：磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

  10. 未达平衡时=Qc=0.1 磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 反应G-1-PG-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？ 达平衡时=95%÷5%＝Keq=19 ΔG°′= - RTlnKeq = - 2.3038.314 （273.15+38）log19 = -7.6KJ/mol ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc-浓度商) = -7.6+ 2.3038.314  311  log0.1 = -13.6KJ/mol

  11. 第二节 生物氧化概述

  12. 生物氧化的概念：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biological oxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。

  13. 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。 • 物质在体外氧化时所消耗的氧量、最终产物（CO2、H2O）和释放的能量均相同。

  14. 生物氧化与体外氧化之不同点 • 体外氧化 • 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。 生物氧化 • 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。

  15. 生物氧化的一般过程

  16. R R 氨基酸脱羧酶 丙酮酸脱氢酶系 O H2N-CH-COOH CH2-NH2 +CO2 CH3COSCoA+CO2 CH3-C-COOH CoASH NAD+ NADH+H+ 生物氧化中CO2的生成 • 直接脱羧 • 氧化脱羧 • α－脱羧和β –脱羧

  17. 第三节线粒体氧化体系

  18. 一、线粒体的结构特点

  19. 乙醇脱氢酶 CH3CHO CH3CH2OH NAD+NADH+H+ H2O的生成 1/2O2 2e 电子传递链 O= NAD+ 2H+ H2O

  20. 二、电子传递呼吸链 • 概念：呼吸底物在线粒体基质氧化所产生的质子和电子经过一系列氢载体和电子载体传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链。

  21. （一）呼吸链的组成 组成呼吸链的成分分为： • 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）或称辅酶Ⅰ • 黄素蛋白 • 铁硫蛋白 • 泛醌 • 细胞色素类

  22. 1.尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+） 或称辅酶ⅠNAD+和NADP+的结构

  23. NAD+（NADP+）和NADH（NADPH）相互转变

  24. 2、黄素蛋白 FMN结构 异咯嗪 核醇

  25. FAD结构

  26. FMN与FMNH2相互转变

  27. 3、铁硫蛋白

  28. 铁硫蛋白中辅基铁硫簇（Fe-S）含有等量铁原子和硫原子，其中铁原子可以进行Fe2+ Fe3++e反应传递电子。

  29. 4、辅酶Q

  30. 5、细胞色素类 细胞色素是一类以铁铁卟啉为辅基的催化电子传递的酶类，根据它们吸收光谱不同而分类。

  31. （二）呼吸链组分的排列顺序 由以下实验确定 ① 标准氧化还原电位 ② 拆开和重组 ③ 还原状态呼吸链缓慢给氧

  32. NADH-Q还原酶（复合体Ⅰ） • 琥珀酸－Q还原酶（复合体Ⅱ） • 泛醌细胞色素c还原酶（复合体Ⅲ） • 细胞色素c氧化酶（复合体Ⅳ）

  33. 1、NADH-Q还原酶（复合体Ⅰ） 复合体Ⅰ NADH→ →CoQ • 功能：将电子从NADH传递给CoQ • 辅基：FMN，铁硫蛋白 FMN; Fe-SN-1a,b;Fe-SN-4;Fe-SN-3; Fe-SN-2

  34. 复合体Ⅱ 琥珀酸→ →CoQ Fe-S1;b560;FAD;Fe-S2 ;Fe-S3 2、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

  35. 复合体Ⅲ QH2→ →Cyt c b562; b566; Fe-S; c1 3、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

  36. 复合体Ⅳ 还原型Cyt c → → O2 CuA→a→a3→CuB 4、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

  37. 胞液侧 线粒体 内膜 基质侧

  38. （三）生物体内主要的两条呼吸链 NADH氧化呼吸链 琥珀酸氧化呼吸链

  39. MH2 还原型代 谢底物 M 氧化型代 谢底物 O2 O2 Fe S Fe S 1 1 2 2 NADH氧化呼吸链 FMNH2 2Fe2+ NAD+ CoQ 细胞色素 b- c- c1 -aa3 O2- CoQH2 2Fe3+ FMN NADH+H+ 2H+ H2O 琥珀酸氧化呼吸链 2Fe3+ O2- H2O FAD 琥珀酸 CoQH2 细胞色素 b- c1 - c-aa3 延胡索酸 CoQ 2Fe2+ FADH2 2H+

  40. 二、氧化磷酸化概述 ATP的生成 ADP + Pi + 能量 ATP AMP + PPi + 能量 ATP ＠底物水平磷酸化 ＠电子传递水平磷酸化

  41. 底物水平磷酸化 • 底物被氧化的过程中，形成了某些高能磷酸化合物的中间产物，通过酶的作用可使ADP生成ATP。 • X~P + ADP ATP + X

  42. 氧化磷酸化 • 定义：氧化磷酸化（oxidative phosphorylation)是代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，释放能量使ADP磷酸化生成ATP，由于代谢物的氧化反应与ADP磷酸化反应耦联发生，所以称为氧化磷酸化。即在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成ATP，又称电子传递水平磷酸化。

  43. （一）氧化磷酸化的偶联部位 1、磷氧比的测定 • 磷氧比：物质氧化时，每消耗1摩尔氧原子所消耗无机磷的摩尔数。 • P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。

  44. 2、呼吸链中电子传递时自由能的下降

  45. ADP转变为ATP的部位

  46. （二）氧化磷酸化的偶联机理 1、ATP合酶

  47. 当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。当H+顺浓度递度经F0中a亚基和c亚基之间回流时，γ亚基发生旋转，3个β亚基的构象发生改变。 ATP合酶的工作机制

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