生物化学生物氧化.ppt

,*,*,*,第八章 代谢作用概论,主要内容,：,重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。,新陈代谢,（,metabolism,）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行,物质交换,、,能量交换,和,信息交换,的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（,assimilation,）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（,dissimilation,），通过上述过程不断地进行自我更新。,特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子 大分子,合成代谢,（同化作用）,需要能量,释放能量,分解代谢,（异化作用）,大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH,2,O),+O,2,(CO,2,),+H,2,O,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,生物合成,机 械 功,主动运输,生物发光,生物发电,生物发热,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（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,H,2,O,，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,第一节 代谢的一般过程,一、分解代谢与,合成代谢,1,、酶抑制剂的应用,2,、利用遗传缺陷症研究代谢途径,3,、气体测量法,4,、同位素示踪法,二、中间代谢,在无氧条件下，兼性生物或厌气生物能利用细胞中的氧化型物质作为电子受体，将燃料分子氧化分解，这称为,无氧氧化,。这些生物有的以有机物分子作为最终的氢受体,(,如厌氧发酵,),，有的则以无机物分子作为氢受体,(,如微生物中的化能自养菌对,NO,3-,、,SO,4,2-,的利用,),。,1.,无氧氧化,二、有氧氧化和无氧氧化,（,P303）,2.,有氧氧化,生物氧化在有氧和无氧条件下都能进行。在有氧条件下，好气生物或兼性生物吸收空气中的氧作为,电子受体,，可将燃料分子完全氧化分解，这称为,有氧氧化,。因为有氧氧化燃烧完全，产能多，所以，只要有氧气存在，细胞都优先进行有氧氧化。,三、生物氧化与生物能,（一）氧化还原电势,原电池示意图,E,0,=E,0,正极,-,E,0,负极,=+0.34,V-(-0.76 V)=+1.10 V,负极反应:,Zn=Zn,2+,+2 e E,0,Zn,2+,/Zn=-0.76 V,正极反应:,Cu=Cu,2+,+2 e E,0,Cu,2+,/Cu=+0.34 V,1、标准氧化还原电势,Nernst(,能斯特,),方程,则非标准状态下的可通过能斯特方程进行计算：,R,为气体常数，其值为,8.314J,K,-1,mol,-1,，,F,为法拉第常数，,其值为,96.485kJ,/(V.,mol,),，,T,为热力学温度，当,T=298K,时,2、非标准状态下的氧化还原电势（,P305）,E,E,0,电子受体,电子供体,E,E,0,电子受体,电子供体,0.03,（二）自由能的变化（,P306）,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：,G,=nFE,例题：计算下反应式,G,（,P306）,G,=-,nFE,=-296.4850.123 =-23.74kJ/mol,（三）高能键和高能化合物,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,）的化合物称为高能化合物。,1、高能键和高能化合物的概念,2、ATP,在能量代谢中的作用,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（,ATP,4,-），,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）。,腺嘌呤,核糖,O,P,O,P,O,P,O,-,O,O,O,O,-,O,-,O,-,+,+,+,Mg,2,+,ATP+H,2,O ADP+Pi,G-30.5 kJ/,摩尔,ADP+H,2,O AMP+Pi,G-33.1 kJ/,摩尔,ATP,在能量转运中地位和作用,ATP,是细胞内的 能量通货,ATP,是细胞内磷酸基团转移的中间载体,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,代谢物,分解氧化,CO,2,H,2,O,能,热能（散发）,化学能,（储能）,ATP,ADP,Pi,C,CP,+,能,机械能（肌肉收缩）,化学能（合成代谢）,渗透能（吸收分泌）,电能（神经传导生物电）,热能（维持体温）等,ATP 的生成和利用,四、生物氧化酶类,1、不需氧脱氢酶（表 8-3）,2、需氧脱氢酶和氧化酶,第三节 生物氧化体系,一、生物氧化体系的类型,不需传递体的生物氧化体系,需传递的生物氧化体系,1,、不需传递体体系,是最简单的生物氧化体系。从底物脱下来的氢不需传递，直接在酶作用下与分子氧结合。这种酶可分为,(,见,P310),氧化酶类,它是含,Cu,+,或,Fe,+,的金属蛋白，不能从底物上脱氢，只能夺取底物上的电子对(2,e),，用于激活分子氧,(O,2,),，从而促进氧与底物的化合。氰化物、硫化氢对氧化酶有抑制作用。,(1),氧化酶类催化的反应模式,(2),需氧脱氢酶类催化的反应模式,（一）呼吸链的概念（,P311）,二、呼吸链,线粒体内膜上一组排列有序的递氢体和递电子体（酶与辅酶）构成的功能单位，也称电子传递链。,（二）呼吸链的组成,四种具有传递电子功能的酶复合体(合成物),*泛醌和,Cyt c,均不包含在上述四种复合体中。,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,4,11,13,复合体,酶名称,复合体,复合体,复合体,复合体,NADH,-,泛醌还原酶,琥珀酸,-,泛醌还原酶,泛醌,-,细胞色素,C,还原酶,细胞色素,c,氧化酶,辅基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,S,铁卟啉，,Fe,-,S,铁卟啉，,Cu,多肽链数,42,4,13,线粒体呼吸链复合体,FMN,Fe-S,复合体,FAD,Fe-S,Cytb,复合体,Cytb,Fe-S,Cytc1,复合体,Cytaa3,Cu,复合体,Cytc,Q,NAD,H,+,H,+,NAD,+,延胡索酸,琥珀酸,1/2,O,2,+,2H,+,H,2,O,胞液侧,基质侧,线粒体内膜,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,呼吸链主要成分和作用,递氢体递电子体,烟酰胺（,NAD,+,NADP,+,）,黄素蛋白(,flavoprotein,)（FMN,FAD,）,铁硫蛋白（,Fe-S）,泛醌(,Ubiquinone,)（,CoQ,）,细胞色素类(,Cytochrome,)（,Cyt,）,烟酰胺核苷酸类（,NAD+,NADP+）,递氢体,黄素蛋白(,flavoprotein),类（,FMN,FAD）,递氢体,铁硫蛋白,Fe,2+,Fe,3+,+,电子,传递电子方式：,递电子体,泛醌（,CoQ）,(,Ubiquinone),递氢体,细胞色素(,Cytochrome),类,Cytb，Cytc1，Cytc,Cytaa3,组成呼吸链的细胞色素:,细胞色素氧化酶,Fe,2+,Fe,3+,+,电子,递电子体,N,N,N,N,Fe,3+,H,3,C-,-,CH,3,-,CH-CH,3,CH,3,CH,2,CH,2,COO,-,CH,2,CH,2,COO,-,H,3,C-,Cys,S,H,3,C-CH,Cys,S,蛋 白 质,细胞色素,c,辅基,细胞色素系统传递电子的过程,2 Fe,2+,2 Fe,3+,2 Fe,3+,2 Fe,2,+,2 Fe,3+,2 Fe,2+,2 Fe,3+,2 Fe,2+,1/2,O,2,O2-H,2,O,2,H,+,2,e,2,e,2,e,2,e,2,e,b c1 c,Cu2+,aa,3,（三）呼吸链主要成分的排列顺序,NADH,氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链（,FADH,2,氧化呼吸链）,体内的两条呼吸链：（,P315）,1.,NADH,氧化呼吸链,NADH,复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,2.,琥珀酸氧化呼吸链,琥珀酸复合体,Q,复合体,Cyt c,复合体,O,2,NADH,氧化呼吸链,FADH,2,氧化呼吸链,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2 个电子,NADH,三、细胞质中的 NADH 的氧化,胞液中生成的,NADH,不能自由通透线粒体内膜，必须经过转运机制进入线粒体,1、磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭系统（神经组织和骨骼肌）,2、苹果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心肌）,酵解,（细胞质）,氧化磷酸化,（线粒体）,磷酸二羟丙酮-磷酸甘油穿梭机制示意图,1.5ATP,2,H,-,磷酸甘油穿梭,1.5,ATP,神经组织和骨骼肌,苹果酸天冬氨酸穿梭系统,2.5ATP,2,H,苹果酸-天冬氨酸穿梭,2.5,ATP,肝和心肌,第四节 氧化磷酸化,代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成,ATP（,即,ADP+Pi ATP）,这种氧化放能和,ATP,生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化(,生物体通过磷酸化作用，将化合物在氧化过程中所释放的能量一部分转移到,ATP,分子中形成高能磷酸键的过程,P320,)。,ADP+P,i,ATP+H,2,O,生物氧化过程中释放出的自由能,一、ATP 的生成,类别：底物水平磷酸化,电子传递水平磷酸化,二、电子传递过程中自由能的变化,呼吸链中电子传递时自由能的下降,三、氧化磷酸化的偶联机理,1、线粒体,ATP,合酶,（,mitochondrial ATPase,）,2、能量偶联假说,1953年,Edward Slater,化学偶联假说,1964年,Paul Boyer,构象偶联假说,1961年,Peter Mitchell,化学渗透假说,3,、质子梯度的形成,4、,ATP,合成的机制,1978年获诺贝尔化学奖,1、线粒体,ATP,合酶（,P324）,氧化磷酸化重建示意图,内膜,F,0,F,1,ATP,酶,e,-,ADP+Pi,底物,H,+,ATP,H,+,H,+,H,+,基质,膜间隙,电子传递链,2,化学渗透假说(,chemiosmotic hypothasis),电子传递的自由能驱动,H,+,从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成,H,+,跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(,H,+,)驱动,ATP,的合成。,化学渗透假说原理示意图,4,H+,2,H+,2,H+,4,H+,NADH+H+,2,H+,2,H+,2,H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2 个电子,+,_,质子流,线粒体内膜,磷酸化,氧化,Boyer,和,Walker,的工作,英国科学家,Walker,通过,x,光衍射获得高分辩率的牛心线粒体,ATP,酶晶体的三维结构，证明在,ATP,酶合成,ATP,的催化循环中三个,亚基的确有不同构象，从而有力地支持了,Boyer,的假说。,Boyer,和,Walker,共同获得1997年诺贝尔化学奖。,美国科学家,Boyer,为解释,ATP,酶作用机理,提出,旋转催化,假说，认为,ATP,合成酶,亚基有三种不同的构象，一种构象(,L,),有利于,ADP,和,Pi,结合，一种构象(,T,),可使结合的,ADP,和,Pi,合成,ATP，,第三种构象(,O,),使合成的,ATP,容易被释放出来。在,ATP,合成过程中，三个,亚基依次进行上述三种构象的交替变化，所需能量由跨膜,H,+,提供。,ATP,酶作用机理,ADP+Pi,Proten Flux,H,+,ATP+,H,2,O,ATP,ADP+Pi,Proten Flux,有于,ADP,与,Pi,结合的构象,有于,ADP,与,Pi,生成的构象,有利于,ATP,释放的构象,五、磷氧比（,P/O）,六、氧化磷酸化作用的抑制和解偶联,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,NO,2,NO,2,O,-,NO,2,NO,2,O,H,H+,H+,线粒体内膜,内,外,葡萄糖完全氧化产生的,ATP,酵解阶段：2,ATP,2,1 NADH,兑换率 1:2.5(或1.5),2,ATP,2,(1.5或2.5,ATP),三羧酸循环：,2,1,GTP,2,3 NADH,2,1,FADH2,2,1,ATP,2,7.5,ATP,2,1.5,ATP,兑换率 1:2.5,兑换率 1:1.5,丙酮酸氧化：,2,1,NADH,兑换率 1：2.5,2,2.5,ATP,总计：30,ATP,或 32,ATP,思考题3（1）、（5）,名词解释,生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链,磷氧比（,P/0）,