生物氧化和生物能

1、第六章生物(shngw)氧化和生物(shngw)能共七十页1.掌握生物氧化的概念与特点,呼吸链与能量代谢。2.熟悉生物氧化过程中二氧化碳的生成(shn chn)方式。3.了解物质的氧化方式、氧化磷酸化作用机制和其他氧化体系。目的(md)与要求共七十页一切生命活动都需要(xyo)能量，维持生命活动的能量主要有两个来源： 光能（太阳能）：光合自养生物通过光合作用将光能(gungnng)转变成有机物中稳定的化学能。化学能：异养生物或非光合组织通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）氧化分解，使存储的稳定的化学能转变成ATP中活跃的化学能，ATP直接用于需要能量的各种生命活动。共七十页 有

2、机物质（糖、脂肪和蛋白质）在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2和H2O并释放(shfng)出能量的过程称为生物氧化。 生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为呼吸作用。共七十页糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量(nngling)ADP+PiATP热能(rnng)* 生物氧化的一般过程共七十页 营养物质分解(fnji)氧化三阶段大分子小分子 - ：分解(fnji) ：分解氧化 乙酰CoA TCA ：氧化磷酸化 （主要产能步） H2O+ATP CO2共七十页一、生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行(jnxng)的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下

3、几种氧化方式。6.1 生物氧化的特点(tdin)和方式共七十页1脱氢氧化(ynghu)反应（1）脱氢在生物(shngw)氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物(shngw)氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。共七十页脂肪酸脱氢(tu qn)（烷基脱氢成烯） 琥珀酸脱氢(tu qn)共七十页醇脱氢(tu qn) 乳酸(r sun)脱氢酶共七十页（2）加水脱氢(tu qn)酶催化的醛氧化(ynghu)成酸的反应即属于这一类。共七十页2氧直接参加(cnji)的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化(cu hu)的加氧反应和氧化酶催化(cu hu)的生成水的反应。加氧酶能够催化氧分

4、子直接加入到有机分子中。例如， 甲烷单加氧酶 CH4 + NADH + O2 CH3-OH + NAD+ + H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。共七十页3生成(shn chn)二氧化碳的氧化反应（1）直接脱羧作用氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下，直接从分子(fnz)中脱去羧基。例如丙酮酸的脱羧。（2）氧化脱羧作用氧化代谢中产生的有机羧酸（主要是酮酸）在氧化脱羧酶系的催化下，在脱羧的同时，也发生氧化（脱氢）作用。例如苹果酸的氧化脱羧共七十页二、生物氧化(ynghu)的特点1，生物氧化是在生物细胞

5、内进行(jnxng)的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH7和常温）。2，氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3，水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4，在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。共七十页5，生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量(nngling)，提高能量(nngling)利用率。6，生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生

6、物能ATP。共七十页 体内氧化 体外氧化（1）物质氧化方式：加氧、脱氢(tu qn)、失电子（2）物质氧化时消耗的氧量、得到的产物和能量相同。 1、相同点共七十页 2、不同点 体内(t ni)氧化 体外氧化（1）反应条件： 温和 剧烈（2）反应过程： 分步反应 一步反应 能量逐步(zhb)释放 能量突然释放（3）产物生成： 间接生成 直接生成（4）能量形式： 热能、ATP 热能、光能共七十页6.2 生物能及其存在(cnzi)形式共七十页一、 生物能和ATP1、ATP是生物能存在的主要(zhyo)形式ATP是能够被生物(shngw)细胞直接利用的能量形式。共七十页2. 生物化学反应(huxu f

7、nyng)的自由能变化3、ATP与需能生化(shn hu)反应的偶联生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律。共七十页高能化合物： 在标准条件下(pH7，25，1mol/L)发生水解时，可释放(shfng)出大量自由能的化合物。习惯上把“大量”定义为5kcal/mol(即20.92kJ/mol)以上。高能磷酸化合物： 分子中含磷酸基团，它被水解下来时释放出大量的自由能，这类高能化合物。高能键： 在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量自由能的活泼共价键。高能键常用符号“ ”表示。 二、 生物(shngw)体系中的高能磷酸酯类化合物共七十页注意： 高能键并不是这个键集中了大量(dl

8、ing)的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的自由能的改变。 “高能键”“键能高”共七十页 （1）、磷氧键型（O-P)(A)酰基磷酸(ln sun)化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸(ln sun)共七十页氨甲酰磷酸(ln sun)酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸共七十页（B）焦磷酸化合物ATP（三磷酸(ln sun)腺苷）焦磷酸ADP（二磷酸腺苷）共七十页（C）烯醇式磷酸(ln sun)化合物磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸（PEP）磷氧键型：酰基磷酸化合物、焦磷酸化合物、烯醇式磷酸化合物共七十页（2）、 氮磷键型（如胍基磷酸(ln sun)化合物）磷酸肌酸磷酸(ln sun)精氨酸这两种

9、高能化合物在生物体内起储存能量的作用。共七十页（3）、硫酯键型3-磷酸(ln sun)腺苷-5-磷酰硫酸酰基辅酶(f mi)A共七十页（4）、 甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸共七十页6.3 线粒体呼吸(hx)链和ATP的合成一、 线粒体膜的结构(jigu)特点共七十页 线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链，因为其功能和呼吸作用直接相关(xinggun)，亦称为呼吸链二、 线粒体呼吸(hx)链的组成共七十页 Cytc Q NADH+H

10、+ NAD+ 延胡索酸 琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧 基质(j zh)侧 线粒体内膜 e-e-e-e-e-共七十页NADH呼吸(hx)链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物 II复合物 IV复合体 I复合物 IIINADH-泛醌还原酶泛醌-细胞(xbo)色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-泛醌还原酶FADH2呼吸链两条呼吸链三、 线粒体呼吸链的电子传递共七十页1、NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受(jishu)多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。共七十页N

11、AD+ and NADP+R=H: NAD+，; R=H2PO3: NADP+ NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) 共七十页2. 复合体: NADH-泛醌还原酶 功能(gngnng): 将电子从NADH传递给泛醌 (ubiquinone) 复合体NADH CoQ FMN; Fe-SN-1a,b; Fe-SN-4; Fe-SN-3; Fe-SN-2 它的活性部分(b fen)含有辅基FMN和铁硫蛋白共七十页FMN结构中含核黄素，发挥功能的部位是异咯嗪环，氧化还原反应(fnyng)时不稳定中间产物是FMN 。共七十页铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有

12、等量铁原子和硫原子，其中铁原子可进行Fe2+ Fe3+e 反应(fnyng)传递电子。 表示(biosh)无机硫 共七十页 铁硫蛋白(dnbi) (iron-sulfur protein )SS无机硫半胱氨酸硫共七十页复合体的功能(gngnng) NADH+H+ NAD+ FMN FMNH2还原型Fe-S 氧化型Fe-S QQH2共七十页泛醌（辅酶Q, CoQ, Q）由多个异戊烯连接形成较长的疏水侧链（人CoQ10），脂溶性, 在膜中可流动。 不固定于复合体，呈游离状态。氧化还原反应时可生成(shn chn)中间产物半醌型泛醌。3、 泛醌共七十页4、 复合体: 泛醌-细胞(xbo)色素c还原酶

13、 功能：将电子从泛醌传递给细胞(xbo)色素c 复合体QH2 Cyt c b562; b566; Fe-S; c1线粒体内膜上的一种跨膜蛋白复合物活性部分主要包括细胞色素b 和c1，以及铁硫蛋白（2Fe-2S）。共七十页共七十页（简写为cyt. ）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有(hn yu)细胞色素a, b, c 和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。 细胞色素主要是通过Fe3+ Fe2+ 的互变起传递电子的作用的。细胞(xbo)色素共七十页血红素中的铁原子可进行Fe2+ Fe3+e

14、反应传递电子, 属单电子传递体。 共七十页它是电子传递链中一个独立的蛋白质电子载体，位于线粒体内膜外表，属于膜周蛋白，易溶于水。它与细胞色素(s s)c1含有相同的辅基，但是蛋白组成则有所不同。在电子传递过程中，cyt. c通过 Fe3+ Fe2+ 的互变起电子传递中间体作用。5、 细胞(xbo)色素c（cyt.c）共七十页6、复合体: 细胞(xbo)色素c氧化酶 功能：将电子从细胞(xbo)色素c传递给氧 复合体还原型Cyt c O2CuAaa3CuB 其中Cyt a3 和CuB形成的活性部位将电子交给O2。共七十页简写为cyt. c 氧化酶，即复合物IV，它是位于线粒体呼吸链末端的蛋白复合

15、物，由12个多肽亚基组成。活性部分(b fen)主要包括cyt. a和a3。共七十页共七十页7 复合体: 琥珀酸-泛醌还原酶 功能(gngnng): 将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体琥珀酸 CoQFe-S1; b560; FAD; Fe-S2 ; Fe-S3 共七十页共七十页 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共七十页呼吸链的作用是接受还原性辅酶上的氢原子对(2H+2e)，使辅酶分子氧化(ynghu)，并将电子对顺序传递，直至激活分子氧，使氧负离子(O2-)与质子对(2H+)结合，生成水。电子对在传递过程中逐步氧化放能，所释放的能量驱动ADP和无机磷发生磷酸化反应，生成ATP。共七十页1 线粒体ATP合酶四、ATP的合成(hchng)生物氧化(ynghu)的释能

17、反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化(ynghu)磷酸化。共七十页F1:亲水部分(b fen)(33亚基, OSCP, IF1亚基)F0:疏水部分(a, b2, c912亚基)ATP合酶（ATP synthase）由F1 和F0组成(z chn)共七十页F1 ：33F0 ：ab2c9-12Catalytic sitesProton channelThe structure of ATP synthase共七十页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共七十页Cytosolic half channelMatrix half channel共七十页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. 共七十页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.共七十页 共七十页* 定义氧化磷酸化 (oxi

22、dative phosphorylation)是指在呼吸链电子传递过程中偶联ADP磷酸化，生成(shn chn)ATP，又称为偶联磷酸化。 底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation) 是底物分子内部能量重新(chngxn)分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程。2 ATP合成反应共七十页磷氧比（ P/O ）呼吸过程中无机磷酸(ln sun)（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。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AT

23、P分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例 实测(sh c)得NADH呼吸链： P/O 3ADP+Pi ATP实测得FADH2呼吸链： P/O 2O2122e-2e-ADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATPADP+Pi ATP共七十页NADH FMN CoQ Cytb Cytc aa3 O2 (Fe-S)FAD.H2 (Fe-S)123G0=63.7 G0=59.8 G0=110G0=20共七十页化学渗透假说(chemiosmotic hypothesis) 电子经呼吸链传递时，可将质子（H+）从线粒体内膜的基质侧泵到内膜胞浆侧，产生(chnshng)膜内外质子电化

24、学梯度储存能量。当质子顺浓度梯度回流时驱动ADP与Pi生成ATP。 3 ATP合成(hchng)机制共七十页 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