第三章生物氧化

1、,第 三 章,生 物 氧 化 Biological oxidation,物质在生物体内进行的氧化称生物氧化，主要 指糖、脂肪、蛋白质等在体内分解时逐步释放能 量，最终生成CO2 和 H2O的过程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,热能,生物氧化的概念,* 生物氧化的规律：,物质的氧化方式遵循氧化还原反应的一般规律，有加氧、脱氢、失电子 耗氧量、终产物（ CO2和H2O）、释放能量与物质体外氧化相同 酶促反应逐步进行，能量逐步释放有利于ATP的形成 脱下的氢与氧结合产生 H2O，有机酸脱羧产生CO2,生物氧化的特点,在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列

2、酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。 氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。,CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 类型：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,2H+,H2O的

3、生成,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）,共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，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 生物能学简介,体系：研究中所涉及的全部物质的总称。,环境：除规定体系外的物质总称。,体系,开放体系: 能量物质交换,封闭体系：有能量无物质交换,隔离体系：无能量无物质交换,生物体属于开放体系。,热力学第一定律：体系及其周围环境的总能量是一个常数。,热力学

4、第二定律：隔离体系中，一个过程只有当体系和周围环境的熵值总和增加时才能自发进行。,熵（S）代表体系中能量的分散程度，也就是体系的无序程度。,无论能量从体系流向环境或从环境流向体系，体系和环境的总能量不变。,S = S体系+S环境 ，只有S0，过程才能自发进行。,一、 化学反应中的自由能变化及其意义 1、 化学反应中的自由能 自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。 在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。 自由能的变化：G = H _ TS = G 产物 G反应物 G 代表体系的自由能变化，H代表体系的焓变化，T代表

5、体系的绝对温度，S代表体系的熵变化。,物理意义：自由能的变化能判断某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。,注意： 一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。 G0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。 当G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。（P261）,二、偶联化学反应G变化的可加性,在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的

6、：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 则 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。,三、化学反应自由能的变化和平衡常数的关系,假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + dD 1. 恒温恒压下：G=G+ RTlnQc,R-气体常数，8.315J/mol.K T-绝对温度,2. 达平衡时,G=0，则G= - RTlnKeq=-2.303RTlgKeq,计算磷酸葡萄糖异构酶

7、反应的自由能变化,解：,G= - RTlnKeq=-2.303RTlgKeq =-2.3038.315 298 lg19 =-7.3 KJ/mol,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.3+ 2.3038.31 298 log0.1 =-13.0 KJ/mol,反应G-1-PG-6-P在250C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？,例题：,四、化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系,任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。 氧

8、化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势差产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势 (E0)，电池的标准电势差可用下式计算： 0（ E0 ） = E0正极-E0负极 (P262-263),原电池示意图,E0 = E0正极-E0负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V,负极反应: Zn=Zn2+2e- E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V,正极反应: Cu2+2e- = Cu E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V,Zn + Cu2+ =Zn2+ + Cu,Zn -还原剂 Cu2+ - 氧化剂,氧化反应,还原反应,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势差的关系如下： G=nFE(

9、n-得失电子数，F-法拉第常数）,生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理 和原电池一样。,法拉第常数：96485J/V.mol,若干物质的氧化还原半反应电位,例题：计算下反应式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正极反应：1/2O2+2H+2e- H2O E+ 0.82V 负极反应： NADH NAD+H+2e- E- -0.3V G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,五、能量学用于生物化学反应中的一些规定(P262),1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时， 水的浓度（近似的即活度）为1.0。 2、生物体标准状况的

10、pH规定为7.0（物理化学中规定为pH0）。 3、 G是 pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。 4、根据国际单位制，简称SI单位，热和能量的单位用焦耳/摩尔(J/mol)。,生物系统中的能流,第二节 高能化合物,一、高能化合物的类型 二、ATP的特点及其特殊作用,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。,高能化合物类型,ATP的特点,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（ATP4-），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）。,ATP4- + H2O AD

11、P3- + Pi2- + H+ G -30.5kJmol-1,ATP在能量转运中地位和作用（p265-267）, 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,第三节 生成ATP的氧化体系,The oxidation system of making ATP,定义： 代谢物脱下的氢经一定顺序排列的氢递体或电子 递体，与O2 结合生成H2O的完整体系，也称电子传递 链（electron transfer chain）。因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。,组 成：递氢体、电子传递体,一、呼吸链（respiratory chain）,真核细胞中，呼吸链位于线粒体内膜上

12、,1. 呼吸链的组成,四种酶复合体,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,氧化酶,2e,称电子传递链或呼吸链，分NADH链和FADH2链。,H2O,1/2 O2,电子传递体,氢传递体,脱氢辅酶 -2H,MH2,辅酶Q,NADH-辅酶Q还原酶,细胞色素C还原酶,3复合体,细胞色素C,细胞色素氧化酶,4复合体,2e,间隙,呼吸链各复合体位置示意图,(1)复合体 NADH-泛醌还原酶,功能: 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiqui

13、none),NADH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (reduced nicotinamide adenine dinucleotide),组成：黄素蛋白(flavoprotein) 含FMN 铁硫蛋白(iron-sulfur protein) 含铁硫簇,FMN：黄素单核苷酸(flavin mononucleotide) 铁硫簇(iron-sulofur cluster, Fe-S),NAD+,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,尼克酰胺/烟酰胺,FMN的递氢作用,维生素B2,(半醌中间物),FMN,还原型FMN,泛醌的递氢作用,(醌型),(半醌型),(还原型),唯一不与蛋白质紧密结合的传递体,Q,Q,铁硫蛋

14、白,Fe2S2,Fe4S4,空间构象,Fe,Fe3+e-Fe2+,复合体的功能,NADH-泛醌还原酶,(2)复合体 琥珀酸-泛醌还原酶,功能: 将电子从琥珀酸传递给泛醌,组成: 黄素蛋白，含FAD 铁硫中心,琥珀酸,3-磷酸甘油,泛醌,脂酰CoA,延胡索酸,基质,间隙,3-磷酸甘油脱氢酶,脂酰CoA脱氢酶,(3)复合体 泛醌-细胞色素C还原酶,功能：将电子从泛醌传递给细胞色素C 组成：2种细胞色素（Cytb562 , b566） 细胞色素C1 铁硫蛋白,细 胞 色 素,特 点：以铁卟啉为辅基，催化电子传递，均有特殊吸收光谱而呈现颜色。 分 类：根据吸收光谱不同，参与呼吸链组成的细胞色素有Cyt

15、a、 Cytb、Cytc三类，每一类又因其最大吸收峰的细微差别再分为几种亚类。,比如：复合体III含有两种细胞色素b: Cytb562和b566,一类含铁卟啉辅基的电子传递蛋白的总称。,细胞色素还原酶,间隙,基质,复合物 I或 II,复合物 III,Q循环(P271),(4)复合体细胞色素C氧化酶,功能：将电子从细胞色素C传递给氧 组成：Cytaa3 (含2个铁卟啉辅基和2个铜原子),基质,间隙,1.呼吸链的组成,1. 黄素蛋白酶类 （flavoproteins, FP） 2. 铁-硫蛋白类 （ironsulfur proteins) 3. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 4.

16、细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（FAD）,黄素蛋白（FMN）,细胞色素类,铁硫蛋白（Fe-S）,铁硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,FADH2,Fe-S,琥珀酸等,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH-辅酶Q还原酶,辅酶Q-细胞色素C还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-辅酶Q还原酶,2、电子传递链中各中间体的顺序,琥珀酸,NADH链,FADH2链,1,Q,C,2,为什么是这样一个顺序呢？,Q,C,H2O,O2,延胡索酸,

17、FADH2,FAD,NADH+H+,NAD+,3,4,3,4,提问：原电池反应中电子传递的方向是由什么 决定的？,答案：电极反应的氧化还原电位E0。 （电子流动终点）正极反应Eo 负极反应Eo （电子流动起点）,O,H2O,呼吸链中传递体的顺序确定,依据各传递体的氧化还原电势和电子传递抑制剂的应用 1.下面考查呼吸链的电位: NADHFMNCoQbc1caa3O2 -0.32-0.30+0.045+0.077+0.22 +0.25+0.29+0.35+0.816 (参见书P272）,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,G=-69.5kJ/mol,G=-112kJ/mo

18、l,G= -2.9kJ/mol,ADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/mol,G=-36.7kJ/mol,鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶菌素(piericidin A)、安密妥(amobarbital)等与复合体中的铁硫蛋白结合 抗霉素A(antimycin A)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol)抑制复合体中Cytb与Cytc1间的电子传递 CO、CN-、N3-及H2S抑制复合体,各种呼吸链抑制剂的作用位点,概念:阻断呼吸链中某些部位电子传递的物质。,利用专一呼吸链抑制剂选择性阻断呼吸链中某个步骤，再测定各组分氧化-还原的状态，可研究呼吸链组分的排列顺序。,2. 呼吸

19、链抑制剂,鱼藤酮 杀粉蝶菌素A 安密妥,抗霉素A 二巯基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,参见 P272 图10-13,小结： 电子传递链位于原核生物的质膜上，真核生物中位于线粒体的内膜上。 电子传递链主要包括黄素蛋白、辅酶Q（CoQ）、细胞色素b、c1、c、a,a3及一些铁硫蛋白。 电子载体的标准势能G o /是逐步下降的，电子沿着电势升高的方向流动。其中有三个部位的势能落差G较大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/mol.）。这三个部位正好是氧化磷酸化部位。 细胞内供能物质的彻底氧化产物是CO2和H2O。其中CO2主要是在三羟酸循环中产生，水是在电子传递过程的最后

20、阶段产生。,二、氧化磷酸化 (P272) (oxidative phosphorylation),定义：代谢物脱下的氢和电子经呼吸链传递，逐步释放能量使ADP磷酸化生成ATP的过程称氧化磷酸化。,氧化磷酸化和电子传递是相偶联的。,1、氧化磷酸化的偶联机制,化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，释放的能量可将质子(H+)从 线粒体内膜的基质侧泵到内膜外侧，产生膜内外质子电化学梯度（H+浓度梯度和跨膜电位差）。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP 。（1961年提出）,线粒体结构特点,化学渗透假说示意图,H+,H+,H+,H+,NADH+H

21、+,H+,H+,H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,外膜,内膜,4H+,4H+,2H+,pH梯度,膜电势,ATP合成由质子动力所驱动,ATP合酶,F1(亲水部分) 由3 3 组成 催化生成ATP F0(疏水部分) 由6个亚基组成质子通道,质子通道,膜间隙,基质,F1(亲水部分),F0(疏水部分),ATP合酶的工作机制,催化亚单位的三种构象： O 开放型 L 疏松型 T 紧密结合型,“结合变化机制”,2、磷氧比（ P/O ）,呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的

22、比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此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。,1. NADH-泛醌还原酶、泛醌-细胞色素C还原酶和细胞色素C氧化酶都具有质子泵的功能，把基质质子泵到间隙。据当前最新测定，每对电子传递过程中，它们泵出质子数为4、4和2。,2. 合成一个ATP分子由3个H+通过ATP合酶所驱动，多余的1个H+用于将ATP从基质运往细胞质。,4H+,4H+,2H+,NADH+H+,FADH2,1 分子NADH经过电子传递，泵出质子数为10分子H+，产生ATP数=10/4=2.5分子ATP 1分子FADH2经过电子传递，泵出质子数为6分子H+，产生ATP数=6/4=1.5分子ATP,三、影响氧化磷酸化的因素,呼吸链抑制剂:阻断呼吸链中某些部位电子传递 鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶菌素A(piericidin A)、安密妥(amobarbital) 抗霉素A(antimycin A)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol) CO、CN-、N3-及H2S,1.氧化磷酸化抑制剂,解偶联剂(