第三章生物氧化Biologicaloxidation編輯課件

物質在生物體內進行的氧化稱生物氧化，主要指糖、脂肪、蛋白質等在體內分解時逐步釋放能量，最終生成CO2和H2O的過程。糖脂肪蛋白質CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能

生物氧化的概念編輯課件*生物氧化的規律：物質的氧化方式遵循氧化復原反響的一般規律，有加氧、脫氫、失電子耗氧量、終產物〔CO2和H2O〕、釋放能量與物質體外氧化相同酶促反響逐步進行，能量逐步釋放有利于ATP的形成脫下的氫與氧結合產生H2O，有機酸脫羧產生CO2編輯課件生物氧化的特點

在活的細胞中〔pH接近中性、體溫條件下〕，有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過程中能量逐步釋放，其中一局部由一些高能化合物〔如ATP〕截獲，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。編輯課件CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R編輯課件代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體〔NAD+、NADP+、FAD、FMN等〕所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2

O2NAD+電子傳遞鏈H2O2eO=2H+H2O的生成編輯課件脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環電子傳遞〔氧化〕蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產物〔如丙酮酸、乙酰CoA等〕共同中間產物進入三羧酸循環,氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一局部通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成根本結構單位編輯課件第一節生物能學簡介編輯課件體系：研究中所涉及的全部物質的總稱。環境：除規定體系外的物質總稱。體系開放體系:能量物質交換封閉體系：有能量無物質交換隔離體系：無能量無物質交換生物體屬于開放體系。編輯課件熱力學第一定律：體系及其周圍環境的總能量是一個常數。熱力學第二定律：隔離體系中，一個過程只有當體系和周圍環境的熵值總和增加時才能自發進行。熵〔S〕代表體系中能量的分散程度，也就是體系的無序程度。無論能量從體系流向環境或從環境流向體系，體系和環境的總能量不變。△S=△S體系+△S環境，只有△S≥0，過程才能自發進行。編輯課件一、

化學反響中的自由能變化及其意義1、

化學反響中的自由能自由能：在一個體系中，能夠用來做有用功的那一局部能量稱自由能，用符號G表示。在恒溫、恒壓下進行的化學反響，其產生有用功的能力可以用反響前后自由能的變化來衡量。自由能的變化：△G=△H_T△S=G產物—G反響物△G代表體系的自由能變化，△H代表體系的焓變化，T代表體系的絕對溫度，△S代表體系的熵變化。編輯課件物理意義：自由能的變化能判斷某一過程能否自發進行，即：ΔG<0，反響能自發進行ΔG>0，反響不能自發進行ΔG=0，反響處于平衡狀態。注意：一個放熱反響(或吸熱反響)的總熱量的變化〔△H〕，不能作為此反響能否自發進行的判據，只有自由能的變化才是唯一準確的指標。△G<0僅是反響能自發進行的必要條件，有的反響需催化劑才能進行，催化劑〔酶〕只能催化自由能變化為負值的反響，如果一個反響的自由能變化為正值，酶也無能為力。當△G為正值時，反響體系為吸能反響，此時只有與放能反響相偶聯，反響才能進行。〔P261〕編輯課件二、偶聯化學反響ΔG°′變化的可加性

在偶聯的化學反響中，各反響的標準自由能變化是可以相加的：例：A=B+CΔG°′=+20.92KJ/molB=DΔG°′=-33.47KJ/mol那么A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol該規那么說明一個在熱力學上不利的反響，可以與熱力學有利的反響偶聯進行，即可以被熱力學有利的反響所驅動而進行。這在生物化學反響中是很多的。編輯課件三、化學反響自由能的變化和平衡常數的關系假設有一個化學反響式：aA+bB=cC+dD1.恒溫恒壓下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc

ΔG′—某一化學反應隨參加化學反應物質的濃度、發生化學反應的pH和溫度而改變的自由能變化。

Qc-濃度商：

ΔG°′—標準自由能的變化。

Keq-平衡常數：R-氣體常數，8.315J/mol.KT-絕對溫度2.達平衡時,ΔG′=0，那么ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq編輯課件計算磷酸葡萄糖異構酶反響的自由能變化

達平衡時=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq=-2.303

8.315

298

lg19=-7.3KJ/molΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.3+2.303

8.31

298

log0.1=-13.0KJ/mol未達平衡時=Qc=0.1反響G-1-PG-6-P在250C到達平衡時，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0。如果反響未到達平衡，設[G-1-P]=0.01mol/L，[G-6-P]=0.001mol/L，求反響的ΔG是多少？例題：編輯課件四、化學反響自由能的變化和氧化-復原電勢的關系任何一個氧化-復原反響，在理論上都可以構建成一個原電池。氧化-復原物質連在一起，都可以有氧化-復原電勢差產生，任何氧還電對都有其特定的標準電勢(E0)，電池的標準電勢差可用下式計算：0〔ΔE0〕=E0正極-E0負極(P262-263)編輯課件

原電池示意圖ΔE0

=E0正極-E0負極=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V負極反響:Zn=Zn2++2e-E0Zn2+/Zn=-0.76V正極反響:Cu2++2e-=CuE0Cu2+/Cu=+0.34V檢流計鹽橋ZnSO4CuSO4e+-Zn+Cu2+=Zn2++

CuZn----復原劑Cu2+----氧化劑氧化反響復原反響編輯課件氧化-復原反響自由能的變化與標準電勢差的關系如下：ΔG°′=－nFΔE°′(n-得失電子數，F-法拉第常數〕生物體內的氧化復原物質在進行氧化-復原反響時，根本原理和原電池一樣。法拉第常數：96485J/V.mol編輯課件假設干物質的氧化復原半反響電位編輯課件例題：計算下反響式ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反響：1/2O2+2H++2e-H2O

E+°′0.82V負極反響：NADHNAD++H++2e-

E-°′-0.3VΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

編輯課件五、能量學用于生物化學反響中的一些規定

(P262)1、在稀的水溶液系統中，如果有水作為反響物或產物時，水的濃度〔近似的即活度〕為1.0。2、生物體標準狀況的pH規定為7.0〔物理化學中規定為pH0〕。3、ΔG°′是pH為7.0時的標準狀況下的的標準自由能。4、根據國際單位制，簡稱SI單位，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(J/mol)。編輯課件生物系統中的能流編輯課件第二節高能化合物一、高能化合物的類型

二、ATP的特點及其特殊作用生化反響中，在水解時或基團轉移反響中可釋放出大量自由能〔>21千焦/摩爾〕的化合物稱為高能化合物。編輯課件高能化合物類型編輯課件ATP的特點

在pH=7環境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負電荷的離子形式〔ATP4-〕，具有較大勢能，加之水解產物穩定，因而水解自由能很大〔ΔG°′=-30.5千焦/摩爾〕。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?mol-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-

+

+

+Mg2+編輯課件ATP在能量轉運中地位和作用〔p265-267〕

★ATP是細胞內的“能量通貨〞★ATP是細胞內磷酸基團轉移的中間載體

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油編輯課件第三節

生成ATP的氧化體系TheoxidationsystemofmakingATP編輯課件定義：代謝物脫下的氫經一定順序排列的氫遞體或電子遞體，與O2結合生成H2O的完整體系，也稱電子傳遞鏈〔electrontransferchain〕。因為其功能和呼吸作用直接相關，亦稱為呼吸鏈。組成：遞氫體、電子傳遞體

一、呼吸鏈〔respiratorychain〕真核細胞中，呼吸鏈位于線粒體內膜上

編輯課件1.呼吸鏈的組成四種酶復合體復合體酶名稱復合體Ⅰ復合體Ⅱ復合體Ⅲ復合體ⅣNADH-泛醌復原酶琥珀酸-泛醌復原酶泛醌-細胞色素C復原酶細胞色素C氧化酶輔基FMN，Fe-SFAD，Fe-S鐵卟啉，Fe-S鐵卟啉，Cu編輯課件氧化酶2e2H+稱電子傳遞鏈或呼吸鏈，分NADH鏈和FADH2鏈。H2OO2-1/2O2電子傳遞體氫傳遞體脫氫輔酶-2HMH2NADH鏈—以NAD為輔酶的脫氫酶催化的生物氧化輔酶QNADH-輔酶Q復原酶細胞色素C復原酶3復合體細胞色素C細胞色素氧化酶4復合體電子傳遞體H+2e1復合體氫傳遞體線粒體外膜線粒體內膜間隙編輯課件呼吸鏈各復合體位置示意圖編輯課件(1)復合體ⅠNADH-泛醌復原酶功能:將電子從NADH傳遞給泛醌

(ubiquinone)NADH:復原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(reducednicotinamideadeninedinucleotide)組成：黃素蛋白(flavoprotein)含FMN鐵硫蛋白(iron-sulfurprotein)含鐵硫簇FMN：黃素單核苷酸(flavinmononucleotide)鐵硫簇(iron-sulofurcluster,Fe-S)編輯課件NAD+煙酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺/煙酰胺編輯課件編輯課件FMN的遞氫作用

維生素B2(半醌中間物)FMN復原型FMN編輯課件泛醌的遞氫作用(醌型)(半醌型)(復原型)唯一不與蛋白質緊密結合的傳遞體QQ編輯課件鐵硫蛋白Fe2S2Fe4S4空間構象FeFe3++e-→Fe2+編輯課件復合體Ⅰ的功能NADH-泛醌復原酶編輯課件(2)復合體Ⅱ琥珀酸-泛醌復原酶功能:將電子從琥珀酸傳遞給泛醌組成:黃素蛋白，含FAD鐵硫中心

編輯課件琥珀酸3-磷酸甘油泛醌脂酰CoA延胡索酸基質間隙3-磷酸甘油脫氫酶脂酰CoA脫氫酶編輯課件(3)復合體Ⅲ泛醌-細胞色素C復原酶功能：將電子從泛醌傳遞給細胞色素C組成：2種細胞色素〔Cytb562,b566〕細胞色素C1鐵硫蛋白編輯課件細胞色素特點：以鐵卟啉為輔基，催化電子傳遞，均有特殊吸收光譜而呈現顏色。

分類：根據吸收光譜不同，參與呼吸鏈組成的細胞色素有Cyta、Cytb、Cytc三類，每一類又因其最大吸收峰的細微差異再分為幾種亞類。比方：復合體III含有兩種細胞色素b:Cytb562和b566一類含鐵卟啉輔基的電子傳遞蛋白的總稱。編輯課件細胞色素復原酶間隙基質復合物I或II復合物IIIQ循環(P271)編輯課件(4)復合體Ⅳ

細胞色素C氧化酶功能：將電子從細胞色素C傳遞給氧

組成：Cytaa3(含2個鐵卟啉輔基和2個銅原子)Cu+Cu2++e-Fe2+Fe3++e-編輯課件基質間隙編輯課件1.呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類〔flavoproteins,FP〕2.鐵-硫蛋白類〔iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ〔ubiquinone,亦寫作CoQ〕4.細胞色素類〔cytochromes〕NADH輔酶Q〔CoQ〕Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白〔FAD〕黃素蛋白〔FMN〕細胞色素類鐵硫蛋白〔Fe-S〕鐵硫蛋白〔Fe-S〕編輯課件NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈編輯課件NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADH2Fe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合物I復合物IIINADH-輔酶Q復原酶輔酶Q-細胞色素C復原酶細胞色素C氧化酶琥珀酸-輔酶Q復原酶2、電子傳遞鏈中各中間體的順序編輯課件琥珀酸NADH鏈FADH2鏈1QC2為什么是這樣一個順序呢？QCH2OO2延胡索酸FADH2FADNADH+H+NAD+3434編輯課件正極負極提問：原電池反響中電子傳遞的方向是由什么

決定的？答案：電極反響的氧化復原電位E0。〔電子流動終點〕正極反響Eo>負極反響Eo〔電子流動起點〕呼吸鏈蛋白就是電極板呼吸鏈--電池組OH2O134H2CQ編輯課件呼吸鏈中傳遞體的順序確定依據——各傳遞體的氧化復原電勢和電子傳遞抑制劑的應用1.下面考查呼吸鏈的電位:NADH→FMN→CoQ→b→c1→c→a→a3→O2-0.32→-0.30→+0.045→+0.077→+0.22→+0.25→+0.29→+0.35→+0.816(參見書P272〕編輯課件呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADHΔG°′=-69.5kJ/molΔG°′=-112kJ/molΔG°′=-2.9kJ/molADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/molΔG°′=-36.7kJ/mol編輯課件魚藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素(piericidin

A)、安密妥(amobarbital)等與復合體Ⅰ中的鐵硫蛋白結合抗霉素A(antimycinA)、二巰基丙醇(dimercapto-propanol)抑制復合體Ⅲ中Cytb與Cytc1間的電子傳遞CO、CN-、N3-及H2S抑制復合體Ⅳ各種呼吸鏈抑制劑的作用位點概念:阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞的物質。

利用專一呼吸鏈抑制劑選擇性阻斷呼吸鏈中某個步驟，再測定各組分氧化-復原的狀態，可研究呼吸鏈組分的排列順序。2.呼吸鏈抑制劑編輯課件魚藤酮殺粉蝶菌素A安密妥×抗霉素A二巰基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×參見P272圖10-13編輯課件小結：電子傳遞鏈位于原核生物的質膜上，真核生物中位于線粒體的內膜上。電子傳遞鏈主要包括黃素蛋白、輔酶Q〔CoQ〕、細胞色素b、c1、c、a,a3及一些鐵硫蛋白。電子載體的標準勢能△Go/是逐步下降的，電子沿著電勢升高的方向流動。其中有三個部位的勢能落差△G較大，足以形成ATP〔ADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/mol.〕。這三個部位正好是氧化磷酸化部位。細胞內供能物質的徹底氧化產物是CO2和H2O。其中CO2主要是在三羥酸循環中產生，水是在電子傳遞過程的最后階段產生。編輯課件

二、氧化磷酸化(P272)(oxidativephosphorylation)定義：代謝物脫下的氫和電子經呼吸鏈傳遞，逐步釋放能量使ADP磷酸化生成ATP的過程稱氧化磷酸化。

氧化磷酸化和電子傳遞是相偶聯的。編輯課件1、氧化磷酸化的偶聯機制化學滲透假說(chemiosmotichypothesis)電子經呼吸鏈傳遞時，釋放的能量可將質子(H+)從線粒體內膜的基質側泵到內膜外側，產生膜內外質子電化學梯度〔H+濃度梯度和跨膜電位差〕。當質子順濃度梯度回流時驅動ADP與Pi生成ATP。〔1961年提出〕編輯課件線粒體結構特點編輯課件化學滲透假說示意圖H+H+H+H+NADH+H+H+H+H+ADP+PiATP高質子濃度H2O2e-+++++++++__________質子流線粒體內膜磷酸化

氧化

編輯課件外膜內膜4H+4H+2H+pH梯度膜電勢ATP合成由質子動力所驅動編輯課件ATP合酶F1(親水局部)由α3β3γδε組成催化生成ATPF0(疏水局部)由6個亞基組成質子通道質子通道膜間隙基質F1(親水局部)F0(疏水局部)編輯課件ATP合酶的工作機制

αβ催化亞單位的三種構象：

O開放型

L疏松型

T緊密結合型“結合變化機制〞編輯課件2、磷氧比〔P/O〕呼吸過程中無機磷酸〔Pi〕消耗量和分子氧〔O2〕消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數值相當于一對電子經呼吸鏈傳遞至分子氧所產生的ATP分子數。O212NADHFADH2H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~3ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP編輯課件1.NADH-泛醌復原酶、泛醌-細胞色素C復原酶和細胞色素C氧化酶都具有質子泵的功能，把基質質子泵到間隙。據當前最新測定，每對電子傳遞過程中，它們泵出質子數為4、4和2。2.合成一個ATP分子由3個H+通過ATP合酶所驅動，多余的1個H+用于將ATP從基質運往細胞質。4H+4H+2H+NADH+H+FADH21分子NADH經過電子傳遞，泵出質子數為10分子H+，產生ATP數=10/4=2.5分子ATP1分子FADH2經過電子傳遞，泵出質子數為6分子H+，產生ATP數=6/4=1.5分子ATP編輯課件三、影響氧化磷酸化的因素呼吸鏈抑制劑:阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞魚藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素A(piericidin

A)、安密妥(amobarbital)抗霉素A(antimycinA)、二巰基丙醇(dimercapto-propanol)CO、CN-、N3-及H2S1