生物氧化和氧化磷酸化.ppt
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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1一、生物能的转换及一、生物能的转换及生物系统中的能流生物系统中的能流二、二、自由能的概念自由能的概念及及化学反应中自由能的化学反应中自由能的计算计算三、高能化合物三、高能化合物第一节第一节 生物能学简介生物能学简介 生物能学生物能学就是应用物理化学、生物物理就是应用物理化学、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。系统中能量的流动和传递规律的科学。2生生物物能能的的转转换
2、换及及生生物物系系统统中中的的能能流流3二、二、自由能的概念自由能的概念及及化学反应中自由能化学反应中自由能的的计算计算自自由由能能的的变变化化能能预预示示某某一一过过程程能能否否自自发发进进行行,即:即:G0G0G0,反应不能自发进行反应不能自发进行 G=0G=0,反应处于平衡状态。反应处于平衡状态。.自由能(自由能(自由能(自由能(free energyfree energy)的概念的概念的概念的概念自由能自由能(G):指一个反应体系中能够做有用功的:指一个反应体系中能够做有用功的那部分能量。那部分能量。42.化学反应自由能的计算化学反应自由能的计算 a.a.利用化学反应平衡常数计算利用化
3、学反应平衡常数计算 基本公式:基本公式:G=GG=G+RTlnQcRTlnQc (Qc-(Qc-浓度商浓度商)GG=-=-RTlnKeqRTlnKeq 例例: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 b.b.利用标准氧化还原电位(利用标准氧化还原电位(E E)计算计算(限于氧化还原反应)(限于氧化还原反应)基本公式:基本公式:GG=nFEnFE(E(E=E=E+-E-E-)例例:计算:计算NADHNADH氧化反应的氧化反应的GG5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达平衡时 =Keq=19解:解:GG=-=-RTln
4、KeqRTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6 KJ/molG=GG=G+RTlnQcRTlnQc(Qc-(Qc-浓度商浓度商)=-7.6+2.303 =-7.6+2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-=-13.6 KJ/mol未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1反应反应G-1-PG-6-P在在380C达到平衡时,达到平衡时,G-1-P占占5%,G-6-P占占95%,求,求 G0。如果反应未达到平衡,设如果反应未达到平衡,设G-1-P=0.01mol.L,G-6-P=
5、0.001mol.L,求反应求反应的的 G 是多少?是多少?例题:例题:6例题:计算下列反应式例题:计算下列反应式GGNADH+HNADH+H+O O2 2=NAD=NAD+H+H2 2O O 正极反应:正极反应:1/2 O1/2 O2 2+2H+2H+2e+2e H H2 2O O E E+0.820.82负极反应:负极反应:NADNAD+H+H+2e+2e NADHNADH E E-0.3-0.3GG-nFEnFE -2-296485964850.82-(-0.32)0.82-(-0.32)-220 KJ-220 KJmolmol-1-1 7三、高能化合物三、高能化合物1 1、高能化合物的
6、、高能化合物的类型类型2 2、ATPATP的的特点及其特殊作用特点及其特殊作用 生生化化反反应应中中,在在水水解解时时或或基基团团转转移移反反应应中中可可释释放放出出大大量量自自由由能能(2121千千焦焦/摩摩尔尔或或5 5千千卡卡/摩摩尔尔)的的化合物称为高能化合物。化合物称为高能化合物。81、高能化合物的、高能化合物的类型类型 根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型:根据高能化合物键的特性可以分成以下几种类型:磷氧键型磷氧键型a)a)酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物乙酰磷酸10.1千卡/摩尔1,3-二磷酸甘油酸11.8千卡/摩尔9b)b)焦磷酸化合物焦磷酸化合物ATP(三磷酸腺苷)三磷酸腺
7、苷)7.3千卡/摩尔10c)c)烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔11 氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸磷酸肌酸10.3千卡/摩尔磷酸精氨酸磷酸精氨酸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这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用!12硫酯键型硫酯键型3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酸硫酸磷酸硫酸酰基辅酶酰基辅酶A13甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸142.ATP2.ATP的特点的特点 在在pH=7pH=7环环境境中中,ATPATP分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带4 4个个负负电电荷荷的的离离子子形形式
8、式(ATPATP4-4-),具具有有较较大大势势能能,加加之之水水解解产产物物稳稳定定,因因而而水水解解自自由由能能很很大(大(GG=-30.5=-30.5千焦千焦/摩尔)。摩尔)。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+15ATPATP的特殊作用的特殊作用1.ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”2.ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷二磷酸甘油酸酸甘油酸磷酸肌酸磷酸肌酸 (磷酸基团储备物)磷酸基
9、团储备物)6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油16第二节第二节 生物氧化概述生物氧化概述一、生物氧化的概念一、生物氧化的概念 物质在物质在体内体内的的氧化氧化分解过程,主要是分解过程,主要是糖、脂、糖、脂、蛋白质蛋白质等在体内分解时等在体内分解时逐步释放能量逐步释放能量、最终生成、最终生成二氧化碳和水二氧化碳和水的过程。的过程。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能17二、生物氧化特点二、生物氧化特点1.1.在在活活的的细细胞胞中中(pHpH接接近近中中性性、体体温温条条件件下下),有有机机物物的的氧氧化化在在一一系系列列酶酶、辅辅酶酶和
10、和中中间间传传递递体体参参与与下进行,其途径迂回曲折,有条不紊。下进行,其途径迂回曲折,有条不紊。2.2.氧氧化化过过程程中中能能量量逐逐步步释释放放,其其中中一一部部分分由由一一些些高高能能化化合合物物(如如ATPATP)截截获获,再再供供给给机机体体所所需需。在在此此过过程程中中既既不不会会因因氧氧化化过过程程中中能能量量骤骤然然释释放放而而伤伤害害机体,又能使释放的能量尽可得到有效的利用。机体,又能使释放的能量尽可得到有效的利用。18生物氧化生物氧化与与体外氧化之相同点:体外氧化之相同点:生生物物氧氧化化中中物物质质的的氧氧化化方方式式有有加加氧氧、脱脱氢氢、失电子,遵循氧化还原反应的一
11、般规律。失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。都都服从热力学规律。服从热力学规律。物物质质在在体体内内外外氧氧化化时时所所消消耗耗的的氧氧量量、最最终终产产物(物(CO2,H2O)和释放能量均相同。)和释放能量均相同。19w是是在在细细胞胞内内温温和和的的环环境境中中(体体温温,pH接接近近中中性性),在在一一系系列列酶酶促促反反应应逐逐步步进进行行,能能量量逐逐步步释释放放有有利利于于有有利利于于机机体体捕捕获获能能量,提高量,提高ATP生成生成的效率。的效率。w进进行行广广泛泛的的加加水水脱脱氢氢反反应应使使物物质质能能间间接接获获得得氧氧,并并增增加加脱脱氢氢的的机机会会;脱脱下下的的氢氢
12、与与氧氧结结合合产产生生H2O,有机酸脱羧产生,有机酸脱羧产生CO2。生物氧化生物氧化与与体外氧化之不同点:体外氧化之不同点:生物氧化生物氧化体外氧化体外氧化w反反应应是是在在强强酸酸、强强碱碱、高高温温、高高压压条条件件下下进进行行的。的。w能量是突然释放的。能量是突然释放的。w产产生生的的CO2、H2O由由物物质质中中的的碳碳和和氢氢直直接接与与氧氧结合生成。结合生成。20三、生物氧化过程中三、生物氧化过程中COCO2 2的生成的生成和和H H2 2O O的生成的生成21COCO2 2的生成的生成 方方方方式式式式:糖糖、脂脂、蛋蛋白白质质等等有有机机物物转转变变成成含含羧羧基基的的中中间
13、间化化合合物物,然然后后在在酶酶催催化化下下脱脱羧羧而而生生成成COCO2 2。类型类型类型类型:-脱羧和脱羧和-脱羧脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例:例:+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2R22H2O的生成的生成 代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体(NADNAD+、NADPNADP+、FADFAD、FMNFMN等等)所所接接受受,再再通通过过一一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成系列递氢
14、体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例:例:12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+23四、生物氧化的三个阶段24脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递(氧化)(氧化)蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物分小分子化合物分解成共同的中间解成共同的中间产物(如产物(如丙酮酸、丙酮酸、乙酰乙酰CoA等)等)共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传
15、递电子传递链传递生成生成H2O,释放释放出大量能量,其出大量能量,其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解成基大分子降解成基本结构单位本结构单位 生物氧化的三个阶段H2O25第三节第三节 线粒体电子传递体系线粒体电子传递体系一、线粒体一、线粒体结构特点结构特点二、电子传递链的电子传递链的概念概念三、三、呼吸链的组成呼吸链的组成和顺序和顺序四、四、胞浆中胞浆中NADH的氧化的氧化五、五、电子传递抑制剂电子传递抑制剂26一、线粒体一、线粒体结构特点结构特点27(1 1)代谢脱下的成对氢原子代谢脱下的成对氢原子(2H2H)通过多种通过多种酶和辅酶酶和辅酶所所 催化的
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