生物氧化和生物能

1、第六章生物(shngw)氧化和生物(shngw)能共七十頁1.掌握生物氧化的概念與特點(diǎn),呼吸鏈與能量代謝。2.熟悉生物氧化過程中二氧化碳的生成(shn chn)方式。3.了解物質(zhì)的氧化方式、氧化磷酸化作用機(jī)制和其他氧化體系。目的(md)與要求共七十頁一切生命活動(dòng)都需要(xyo)能量，維持生命活動(dòng)的能量主要有兩個(gè)來源： 光能（太陽能）：光合自養(yǎng)生物通過光合作用將光能(gungnng)轉(zhuǎn)變成有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能?；瘜W(xué)能：異養(yǎng)生物或非光合組織通過生物氧化作用將有機(jī)物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）氧化分解，使存儲(chǔ)的穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學(xué)能，ATP直接用于需要能量的各種生命活動(dòng)。共七十頁 有

2、機(jī)物質(zhì)（糖、脂肪和蛋白質(zhì)）在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行氧化分解而生成CO2和H2O并釋放(shfng)出能量的過程稱為生物氧化。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又稱為呼吸作用。共七十頁糖 脂肪 蛋白質(zhì) CO2和H2O O2能量(nngling)ADP+PiATP熱能(rnng)* 生物氧化的一般過程共七十頁 營養(yǎng)物質(zhì)分解(fnji)氧化三階段大分子小分子 - ：分解(fnji) ：分解氧化 乙酰CoA TCA ：氧化磷酸化 （主要產(chǎn)能步） H2O+ATP CO2共七十頁一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進(jìn)行(jnxng)的。每一步反應(yīng)，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下

3、幾種氧化方式。6.1 生物氧化的特點(diǎn)(tdin)和方式共七十頁1脫氫氧化(ynghu)反應(yīng)（1）脫氫在生物(shngw)氧化中，脫氫反應(yīng)占有重要地位。它是許多有機(jī)物質(zhì)生物(shngw)氧化的重要步驟。催化脫氫反應(yīng)的是各種類型的脫氫酶。共七十頁脂肪酸脫氫(tu qn)（烷基脫氫成烯） 琥珀酸脫氫(tu qn)共七十頁醇脫氫(tu qn) 乳酸(r sun)脫氫酶共七十頁（2）加水脫氫(tu qn)酶催化的醛氧化(ynghu)成酸的反應(yīng)即屬于這一類。共七十頁2氧直接參加(cnji)的氧化反應(yīng)這類反應(yīng)包括：加氧酶催化(cu hu)的加氧反應(yīng)和氧化酶催化(cu hu)的生成水的反應(yīng)。加氧酶能夠催化氧分

4、子直接加入到有機(jī)分子中。例如， 甲烷單加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應(yīng)中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進(jìn)行氧化的。共七十頁3生成(shn chn)二氧化碳的氧化反應(yīng)（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子(fnz)中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機(jī)羧酸（主要是酮酸）在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時(shí)，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧共七十頁二、生物氧化(ynghu)的特點(diǎn)1，生物氧化是在生物細(xì)胞

5、內(nèi)進(jìn)行(jnxng)的酶促氧化過程，反應(yīng)條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進(jìn)行過程中，必然伴隨生物還原反應(yīng)的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應(yīng)的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應(yīng)。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。共七十頁5，生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應(yīng)的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進(jìn)行的反應(yīng)模式有利于在溫和的條件下釋放能量(nngling)，提高能量(nngling)利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生

6、物能ATP。共七十頁 體內(nèi)氧化 體外氧化（1）物質(zhì)氧化方式：加氧、脫氫(tu qn)、失電子（2）物質(zhì)氧化時(shí)消耗的氧量、得到的產(chǎn)物和能量相同。 1、相同點(diǎn)共七十頁 2、不同點(diǎn) 體內(nèi)(t ni)氧化 體外氧化（1）反應(yīng)條件： 溫和 劇烈（2）反應(yīng)過程： 分步反應(yīng) 一步反應(yīng) 能量逐步(zhb)釋放 能量突然釋放（3）產(chǎn)物生成： 間接生成 直接生成（4）能量形式： 熱能、ATP 熱能、光能共七十頁6.2 生物能及其存在(cnzi)形式共七十頁一、 生物能和ATP1、ATP是生物能存在的主要(zhyo)形式ATP是能夠被生物(shngw)細(xì)胞直接利用的能量形式。共七十頁2. 生物化學(xué)反應(yīng)(huxu f

7、nyng)的自由能變化3、ATP與需能生化(shn hu)反應(yīng)的偶聯(lián)生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣,也服從熱力學(xué)的規(guī)律。共七十頁高能化合物： 在標(biāo)準(zhǔn)條件下(pH7，25，1mol/L)發(fā)生水解時(shí)，可釋放(shfng)出大量自由能的化合物。習(xí)慣上把“大量”定義為5kcal/mol(即20.92kJ/mol)以上。高能磷酸化合物： 分子中含磷酸基團(tuán)，它被水解下來時(shí)釋放出大量的自由能，這類高能化合物。高能鍵： 在高能化合物分子中，被水解斷裂時(shí)釋放出大量自由能的活潑共價(jià)鍵。高能鍵常用符號(hào)“ ”表示。 二、 生物(shngw)體系中的高能磷酸酯類化合物共七十頁注意： 高能鍵并不是這個(gè)鍵集中了大量(dl

8、ing)的能量，而是指水解這個(gè)鍵前后的分子結(jié)構(gòu)存在著很大的自由能的改變。 “高能鍵”“鍵能高”共七十頁 （1）、磷氧鍵型（O-P)(A)?；姿?ln sun)化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸(ln sun)共七十頁氨甲酰磷酸(ln sun)?；佘账岚滨；佘账峁财呤摚˙）焦磷酸化合物ATP（三磷酸(ln sun)腺苷）焦磷酸ADP（二磷酸腺苷）共七十頁（C）烯醇式磷酸(ln sun)化合物磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧鍵型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物共七十頁（2）、 氮磷鍵型（如胍基磷酸(ln sun)化合物）磷酸肌酸磷酸(ln sun)精氨酸這兩種

9、高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。共七十頁（3）、硫酯鍵型3-磷酸(ln sun)腺苷-5-磷酰硫酸酰基輔酶(f mi)A共七十頁（4）、 甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸共七十頁6.3 線粒體呼吸(hx)鏈和ATP的合成一、 線粒體膜的結(jié)構(gòu)(jigu)特點(diǎn)共七十頁 線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場(chǎng)所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈，因?yàn)槠涔δ芎秃粑饔弥苯酉嚓P(guān)(xinggun)，亦稱為呼吸鏈二、 線粒體呼吸(hx)鏈的組成共七十頁 Cytc Q NADH+H

10、+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液側(cè) 基質(zhì)(j zh)側(cè) 線粒體內(nèi)膜 e-e-e-e-e-共七十頁NADH呼吸(hx)鏈NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等復(fù)合物 II復(fù)合物 IV復(fù)合體 I復(fù)合物 IIINADH-泛醌還原酶泛醌-細(xì)胞(xbo)色素還原酶細(xì)胞色素氧化酶琥珀酸-泛醌還原酶FADH2呼吸鏈兩條呼吸鏈三、 線粒體呼吸鏈的電子傳遞共七十頁1、NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受(jishu)多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。共七十頁N

11、AD+ and NADP+R=H: NAD+，; R=H2PO3: NADP+ NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) 共七十頁2. 復(fù)合體: NADH-泛醌還原酶 功能(gngnng): 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiquinone) 復(fù)合體NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 它的活性部分(b fen)含有輔基FMN和鐵硫蛋白共七十頁FMN結(jié)構(gòu)中含核黃素，發(fā)揮功能的部位是異咯嗪環(huán)，氧化還原反應(yīng)(fnyng)時(shí)不穩(wěn)定中間產(chǎn)物是FMN 。共七十頁鐵硫蛋白中輔基鐵硫簇(Fe-S)含有

12、等量鐵原子和硫原子，其中鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e 反應(yīng)(fnyng)傳遞電子。 表示(biosh)無機(jī)硫 共七十頁 鐵硫蛋白(dnbi) (iron-sulfur protein )SS無機(jī)硫半胱氨酸硫共七十頁復(fù)合體的功能(gngnng) NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2還原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2共七十頁泛醌（輔酶Q, CoQ, Q）由多個(gè)異戊烯連接形成較長的疏水側(cè)鏈（人CoQ10），脂溶性, 在膜中可流動(dòng)。 不固定于復(fù)合體，呈游離狀態(tài)。氧化還原反應(yīng)時(shí)可生成(shn chn)中間產(chǎn)物半醌型泛醌。3、 泛醌共七十頁4、 復(fù)合體: 泛醌-細(xì)胞(xbo)色素c還原酶

13、 功能：將電子從泛醌傳遞給細(xì)胞(xbo)色素c 復(fù)合體QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復(fù)合物活性部分主要包括細(xì)胞色素b 和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。共七十頁共七十頁（簡寫為cyt. ）是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有(hn yu)細(xì)胞色素a, b, c 和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。 細(xì)胞色素主要是通過Fe3+ Fe2+ 的互變起傳遞電子的作用的。細(xì)胞(xbo)色素共七十頁血紅素中的鐵原子可進(jìn)行Fe2+ Fe3+e

14、反應(yīng)傳遞電子, 屬單電子傳遞體。 共七十頁它是電子傳遞鏈中一個(gè)獨(dú)立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細(xì)胞色素(s s)c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt. c通過 Fe3+ Fe2+ 的互變起電子傳遞中間體作用。5、 細(xì)胞(xbo)色素c（cyt.c）共七十頁6、復(fù)合體: 細(xì)胞(xbo)色素c氧化酶 功能：將電子從細(xì)胞(xbo)色素c傳遞給氧 復(fù)合體還原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位將電子交給O2。共七十頁簡寫為cyt. c 氧化酶，即復(fù)合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復(fù)合

15、物，由12個(gè)多肽亞基組成?；钚圆糠?b fen)主要包括cyt. a和a3。共七十頁共七十頁7 復(fù)合體: 琥珀酸-泛醌還原酶 功能(gngnng): 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌 復(fù)合體琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 共七十頁共七十頁 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ 1/2O2+2H+ H2O + + + + + + + + + + - - - - - - - - - Intermembranespace (P side)Matrix N- sidefumaratesuccinatesecond entry pointFirst

16、entry pointNADH Complex I Q Complex III cytochrome c Complex IV O2 FADH2 Complex Q Complex III cytochrome c Complex IV O2共七十頁呼吸鏈的作用是接受還原性輔酶上的氫原子對(duì)(2H+2e)，使輔酶分子氧化(ynghu)，并將電子對(duì)順序傳遞，直至激活分子氧，使氧負(fù)離子(O2-)與質(zhì)子對(duì)(2H+)結(jié)合，生成水。電子對(duì)在傳遞過程中逐步氧化放能，所釋放的能量驅(qū)動(dòng)ADP和無機(jī)磷發(fā)生磷酸化反應(yīng)，生成ATP。共七十頁1 線粒體ATP合酶四、ATP的合成(hchng)生物氧化(ynghu)的釋能

17、反應(yīng)與ADP的磷?；磻?yīng)偶聯(lián)合成ATP的過程，稱為氧化(ynghu)磷酸化。共七十頁F1:親水部分(b fen)(33亞基, OSCP, IF1亞基)F0:疏水部分(a, b2, c912亞基)ATP合酶（ATP synthase）由F1 和F0組成(z chn)共七十頁F1 ：33F0 ：ab2c9-12Catalytic sitesProton channelThe structure of ATP synthase共七十頁How does proton translocate through F0 and return back to matrix?H+A model in which

18、proton diffusion is coupled to the rotation of the c ring of the F0 complexCytosolic half channelMatrix half channelSubunit aSubunit CAspartic acid共七十頁Cytosolic half channelMatrix half channel共七十頁How does the flow of protons drive the synthesis of ATP? The c ring is tightly linked to the and subunit

19、s. Thus, as the c ring turns, these subunits are turned inside the 33 hexamer unit of F1. The exterior column formed by the two b chains and the subunit prevent the 33 hexamer from rotating. Thus, the proton-gradient-driven rotation of the c ring drives the rotation of the subunit, which in turn pro

20、motes the synthesis of ATP through the binding-change mechanism. 共七十頁loose state (L)tight state (T)open state (O)Binding change mechanisminteractions with the highly irregular subunit make the three subunits inequivalent. In the open state, ADP and phosphate enter the active site; in the loose state

21、.The protein closes up around the molecules and binds them loosely.In the tight state, the enzyme changes shape again and forces these molecules together to form ATP molecule. Each 360-degree rotation of the subunit leads to the synthesis and release of three molecules of ATP.共七十頁 共七十頁* 定義氧化磷酸化 (oxi

22、dative phosphorylation)是指在呼吸鏈電子傳遞過程中偶聯(lián)ADP磷酸化，生成(shn chn)ATP，又稱為偶聯(lián)磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子內(nèi)部能量重新(chngxn)分布，生成高能鍵，使ADP磷酸化生成ATP的過程。2 ATP合成反應(yīng)共七十頁磷氧比（ P/O ）呼吸過程中無機(jī)磷酸(ln sun)（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(duì)電子消耗一個(gè)氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的數(shù)值相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的AT

23、P分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例 實(shí)測(cè)(sh c)得NADH呼吸鏈： P/O 3ADP+Pi ATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈： P/O 2O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP共七十頁NADH FMN CoQ Cytb Cytc aa3 O2 (Fe-S)FAD.H2 (Fe-S)123G0=63.7 G0=59.8 G0=110G0=20共七十頁化學(xué)滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時(shí)，可將質(zhì)子（H+）從線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜胞漿側(cè)，產(chǎn)生(chnshng)膜內(nèi)外質(zhì)子電化

24、學(xué)梯度儲(chǔ)存能量。當(dāng)質(zhì)子順濃度梯度回流時(shí)驅(qū)動(dòng)ADP與Pi生成ATP。 3 ATP合成(hchng)機(jī)制共七十頁 F0 F1 Cyt c Q NADH+H+ NAD+ H+ 1/2O2+2H+ H2O ADP+Pi ATP 4H+ 2H+ 4H+ + + + + + + + + + + - - - - - - - - - Intermembranespace (P side)Matrix N- sidefumaratesuccinateThe flow of electrons through the electron transport chain, from electron donors such as NADH to electron acceptors such as oxygen, is an exergonic process it releases energy, the synthesis of ATP is an endergonic process, which requires an input of energy. ener