第三章 生物氧化

第三章生物氧化Biologicaloxidation编辑课件

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。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能

生物氧化的概念编辑课件*生物氧化的规律：物质的氧化方式遵循氧化复原反响的一般规律，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响逐步进行，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编辑课件生物氧化的特点

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，其中一局部由一些高能化合物〔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。编辑课件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：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R编辑课件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。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2

O2NAD+电子传递链H2O2eO=2H+H2O的生成编辑课件脂肪葡萄糖、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CoAe-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，其中一局部通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成根本结构单位编辑课件第一节生物能学简介编辑课件体系：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。编辑课件热力学第一定律：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△S≥0，过程才能自发进行。编辑课件一、

化学反响中的自由能变化及其意义1、

化学反响中的自由能自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一局部能量称自由能，用符号G表示。在恒温、恒压下进行的化学反响，其产生有用功的能力可以用反响前后自由能的变化来衡量。自由能的变化：△G=△H_T△S=G产物—G反响物△G代表体系的自由能变化，△H代表体系的焓变化，T代表体系的绝对温度，△S代表体系的熵变化。编辑课件物理意义：自由能的变化能判断某一过程能否自发进行，即：ΔG<0，反响能自发进行ΔG>0，反响不能自发进行ΔG=0，反响处于平衡状态。注意：一个放热反响(或吸热反响)的总热量的变化〔△H〕，不能作为此反响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。△G<0仅是反响能自发进行的必要条件，有的反响需催化剂才能进行，催化剂〔酶〕只能催化自由能变化为负值的反响，如果一个反响的自由能变化为正值，酶也无能为力。当△G为正值时，反响体系为吸能反响，此时只有与放能反响相偶联，反响才能进行。〔P261〕编辑课件二、偶联化学反响ΔG°′变化的可加性

在偶联的化学反响中，各反响的标准自由能变化是可以相加的：例：A=B+CΔG°′=+20.92KJ/molB=DΔG°′=-33.47KJ/mol那么A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol该规那么说明一个在热力学上不利的反响，可以与热力学有利的反响偶联进行，即可以被热力学有利的反响所驱动而进行。这在生物化学反响中是很多的。编辑课件三、化学反响自由能的变化和平衡常数的关系假设有一个化学反响式：aA+bB=cC+dD1.恒温恒压下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc

ΔG′—某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化。

Qc-浓度商：

ΔG°′—标准自由能的变化。

Keq-平衡常数：R-气体常数，8.315J/mol.KT-绝对温度2.达平衡时,ΔG′=0，那么ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq编辑课件计算磷酸葡萄糖异构酶反响的自由能变化

达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303RTlgKeq=-2.303

8.315

298

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

8.31

298

log0.1=-13.0KJ/mol未达平衡时=Qc=0.1反响G-1-PG-6-P在250C到达平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0。如果反响未到达平衡，设[G-1-P]=0.01mol/L，[G-6-P]=0.001mol/L，求反响的ΔG是多少？例题：编辑课件四、化学反响自由能的变化和氧化-复原电势的关系任何一个氧化-复原反响，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化-复原物质连在一起，都可以有氧化-复原电势差产生，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〔ΔE0〕=E0正极-E0负极(P262-263)编辑课件

原电池示意图ΔE0

=E0正极-E0负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V负极反响:Zn=Zn2++2e-E0Zn2+/Zn=-0.76V正极反响:Cu2++2e-=CuE0Cu2+/Cu=+0.34V检流计盐桥ZnSO4CuSO4e+-Zn+Cu2+=Zn2++

CuZn----复原剂Cu2+----氧化剂氧化反响复原反响编辑课件氧化-复原反响自由能的变化与标准电势差的关系如下：ΔG°′=－nFΔE°′(n-得失电子数，F-法拉第常数〕生物体内的氧化复原物质在进行氧化-复原反响时，根本原理和原电池一样。法拉第常数：96485J/V.mol编辑课件假设干物质的氧化复原半反响电位编辑课件例题：计算下反响式ΔG°′

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

正极反响：1/2O2+2H++2e-H2O

E+°′0.82V负极反响：NADHNAD++H++2e-

E-°′-0.3VΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

编辑课件五、能量学用于生物化学反响中的一些规定

(P262)1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反响物或产物时，水的浓度〔近似的即活度〕为1.0。2、生物体标准状况的pH规定为7.0〔物理化学中规定为pH0〕。3、ΔG°′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)。编辑课件生物系统中的能流编辑课件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响中，在水解时或基团转移反响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。编辑课件高能化合物类型编辑课件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〔ΔG°′=-30.5千焦/摩尔〕。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+编辑课件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

～P～P～P～PATP～P02108641214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-磷酸甘油编辑课件第三节

生成ATP的氧化体系TheoxidationsystemofmakingATP编辑课件定义：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〔electrontransferchain〕。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〔respiratorychain〕真核细胞中，呼吸链位于线粒体内膜上

编辑课件1.呼吸链的组成四种酶复合体复合体酶名称复合体Ⅰ复合体Ⅱ复合体Ⅲ复合体ⅣNADH-泛醌复原酶琥珀酸-泛醌复原酶泛醌-细胞色素C复原酶细胞色素C氧化酶辅基FMN，Fe-SFAD，Fe-S铁卟啉，Fe-S铁卟啉，Cu编辑课件氧化酶2e2H+称电子传递链或呼吸链，分NADH链和FADH2链。H2OO2-1/2O2电子传递体氢传递体脱氢辅酶-2HMH2NADH链—以NAD为辅酶的脱氢酶催化的生物氧化辅酶QNADH-辅酶Q复原酶细胞色素C复原酶3复合体细胞色素C细胞色素氧化酶4复合体电子传递体H+2e1复合体氢传递体线粒体外膜线粒体内膜间隙编辑课件呼吸链各复合体位置示意图编辑课件(1)复合体ⅠNADH-泛醌复原酶功能:将电子从NADH传递给泛醌

(ubiquinone)NADH:复原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reducednicotinamideadeninedinucleotide)组成：黄素蛋白(flavoprotein)含FMN铁硫蛋白(iron-sulfurprotein)含铁硫簇FMN：黄素单核苷酸(flavinmononucleotide)铁硫簇(iron-sulofurcluster,Fe-S)编辑课件NAD+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸尼克酰胺/烟酰胺编辑课件编辑课件FMN的递氢作用

维生素B2(半醌中间物)FMN复原型FMN编辑课件泛醌的递氢作用(醌型)(半醌型)(复原型)唯一不与蛋白质紧密结合的传递体QQ编辑课件铁硫蛋白Fe2S2Fe4S4空间构象FeFe3++e-→Fe2+编辑课件复合体Ⅰ的功能NADH-泛醌复原酶编辑课件(2)复合体Ⅱ琥珀酸-泛醌复原酶功能:将电子从琥珀酸传递给泛醌组成:黄素蛋白，含FAD铁硫中心

编辑课件琥珀酸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脱氢酶编辑课件(3)复合体Ⅲ泛醌-细胞色素C复原酶功能：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铁硫蛋白编辑课件细胞色素特点：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Cyta、Cytb、Cytc三类，每一类又因其最大吸收峰的细微差异再分为几种亚类。比方：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。编辑课件细胞色素复原酶间隙基质复合物I或II复合物IIIQ循环(P271)编辑课件(4)复合体Ⅳ

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)Cu+Cu2++e-Fe2+Fe3++e-编辑课件基质间隙编辑课件1.呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类〔flavoproteins,FP〕2.铁-硫蛋白类〔iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ〔ubiquinone,亦写作CoQ〕4.细胞色素类〔cytochromes〕NADH辅酶Q〔CoQ〕Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3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〕编辑课件NADH呼吸链和FADH2呼吸链

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链编辑课件NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADH2Fe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH-辅酶Q复原酶辅酶Q-细胞色素C复原酶细胞色素C氧化酶琥珀酸-辅酶Q复原酶2、电子传递链中各中间体的顺序编辑课件琥珀酸NADH链FADH2链1QC2为什么是这样一个顺序呢？QCH2OO2延胡索酸FADH2FADNADH+H+NAD+3434编辑课件正极负极提问：原电池反响中电子传递的方向是由什么

决定的？答案：电极反响的氧化复原电位E0。〔电子流动终点〕正极反响Eo>负极反响Eo〔电子流动起点〕呼吸链蛋白就是电极板呼吸链--电池组OH2O134H2CQ编辑课件呼吸链中传递体的顺序确定依据——各传递体的氧化复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: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(参见书P272〕编辑课件呼吸链中电子传递时自由能的下降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编辑课件鱼藤酮(rotenone)、杀粉蝶菌素(piericidin

A)、安密妥(amobarbital)等与复合体Ⅰ中的铁硫蛋白结合抗霉素A(antimycinA)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol)抑制复合体Ⅲ中Cytb与Cytc1间的电子传递CO、CN-、N3-及H2S抑制复合体Ⅳ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-复原的状态，可研究呼吸链组分的排列顺序。2.呼吸链抑制剂编辑课件鱼藤酮杀粉蝶菌素A安密妥×抗霉素A二巯基丙醇×CO、CN-、N3-及H2S×参见P272图10-13编辑课件小结：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△Go/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阶段产生。编辑课件

二、氧化磷酸化(P272)(oxidativephosphorylation)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。编辑课件1、氧化磷酸化的偶联机制化学渗透假说(chemiosmotichypothesis)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〕编辑课件线粒体结构特点编辑课件化学渗透假说示意图H+H+H+H+NADH+H+H+H+H+ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

编辑课件外膜内膜4H+4H+2H+pH梯度膜电势ATP合成由质子动力所驱动编辑课件ATP合酶F1(亲水局部)由α3β3γδε组成催化生成ATPF0(疏水局部)由6个亚基组成质子通道质子通道膜间隙基质F1(亲水局部)F0(疏水局部)编辑课件ATP合酶的工作机制

αβ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〞编辑课件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。O212NADHFADH2H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP编辑课件1.NADH-泛醌复原酶、泛醌-细胞色素C复原酶和细胞色素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+FADH21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ATP1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编辑课件三、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(antimycinA)、二巯基丙醇(dimercapto-propanol)CO、CN-、N3-及H2S1