生物氧化与氧化磷酸化

第五章 一、一、 概述：生物圈中能量的流动概述：生物圈中能量的流动一切生命活动都需要能量。所有生物都可以看成是能量的转换者。这种能量的流动驱动着生命的维持与繁衍。光能化学能化学能机械能 光合作用光合作用 生物氧化生物氧化 生命活动生命活动太阳H2OCO2O2（CH2O）燃料分子ADPPiATP生物合成机械功主动运输生物发热一、一、 概述：生物圈中能量的流动概述：生物圈中能量的流动一、概述：生物体中能量转换的部位一、概述：生物体中能量转换的部位An electron micrograph of mitochondrion二、二、 生物氧化的定义生物氧化的定义 指有机化合物（糖、脂、蛋白质等）在生物指有机化合物（糖、脂、蛋白质等）在生物细胞中进行氧化，放出能量的过程。细胞中进行氧化，放出能量的过程。 生物体内进行生命活动所需的能量基本上来生物体内进行生命活动所需的能量基本上来源于生物氧化。源于生物氧化。 三、生物氧化的特点三、生物氧化的特点与非生物氧化相比与非生物氧化相比 (1)(1) 共同点：共同点： 化学本质相同，都是失电子反应，如脱氢、加氧化学本质相同，都是失电子反应，如脱氢、加氧、传出电子、传出电子 同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同种物质不论以何种方式氧化，所释放的能量相同。同。 三、三、 生物氧化的特点生物氧化的特点与非生物氧化相比与非生物氧化相比 （2）不同点：）不同点： 生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、生物氧化是酶促反应，反应条件（如温度、pHpH）温和；温和；而体外燃烧则是剧烈的游离基反应，要求而体外燃烧则是剧烈的游离基反应，要求在高温、高压以及干燥的条件下进行。在高温、高压以及干燥的条件下进行。 生物氧化分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步生物氧化分阶段逐步缓慢地氧化，能量也逐步释放；释放；而体外燃烧能量是爆发式释放出来的。而体外燃烧能量是爆发式释放出来的。生物氧化释放的能量有相当多的转换成生物氧化释放的能量有相当多的转换成ATPATP中活中活跃的化学能，用于各种生命活动；跃的化学能，用于各种生命活动；体外燃烧产生的能量则转换为光和热，散失在体外燃烧产生的能量则转换为光和热，散失在环境中。环境中。 四、生物氧化中四、生物氧化中COCO2 2和和H H2 2O O的生成的生成1 1、COCO2 2的生成的生成 直接脱羧直接脱羧：丙酮酸脱羧酶、酪氨酸脱羧酶：丙酮酸脱羧酶、酪氨酸脱羧酶 氧化脱羧氧化脱羧：丙酮酸脱氢酶复合物：丙酮酸脱氢酶复合物2 2、水的生成、水的生成 主要是在包括主要是在包括脱氢酶脱氢酶、传递体传递体和和氧化酶氧化酶组成组成的生物氧化体系催化下生成的。的生物氧化体系催化下生成的。五、氧化还原电位五、氧化还原电位 在氧化还原反应中，自由能的变化与反应供出或在氧化还原反应中，自由能的变化与反应供出或得到电子的趋势成比例。得到电子的趋势成比例。 这种趋势用氧化还原电位表示（这种趋势用氧化还原电位表示（E E）。）。 E= E= 标准氧化电位标准氧化电位- -标准还原电位标准还原电位 EE值越小，电负性越大，还原能力越强；值越小，电负性越大，还原能力越强； G=n FE 可以根据可以根据EE计算出化学反应的自由能变化。计算出化学反应的自由能变化。 六、高能化合物六、高能化合物高能化合物高能化合物： 在标准条件下在标准条件下( (pH7pH7，2525，1mol/L)1mol/L)发生水解时，可发生水解时，可释放出大量自由能的化合物。习惯上把释放出大量自由能的化合物。习惯上把“大量大量”定义为定义为5 5kcal/mol(kcal/mol(即即20.9220.92kJ/mol)kJ/mol)以上。以上。高能磷酸化合物高能磷酸化合物： 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。自由能，这类高能化合物。高能键高能键： 在高能化合物分子中，被水解断裂时释放出大量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。自由能的活泼共价键。高能键常用符号高能键常用符号“ “ ”表示表示。 1、定义六、高能化合物六、高能化合物注意：注意： 高能键并不是这个键集中了大量的能量，而高能键并不是这个键集中了大量的能量，而是指水解这个键前后的分子结构存在着很大的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。自由能的改变。 “高能键高能键”“键能高键能高” 1、定义六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(1) (1) 焦磷酸化合物：如焦磷酸化合物：如ATPATP(OP)型型六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(2) (2) 酰基磷酸化合物：如酰基磷酸化合物：如1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(OP)型型六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(3) (3) 烯醇磷酸化合物：如磷酸烯醇式丙酮酸烯醇磷酸化合物：如磷酸烯醇式丙酮酸(OP)型型六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(4) (4) 胍基磷酸化合物：如磷酸肌酸胍基磷酸化合物：如磷酸肌酸(NP)型型六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(5) (5) 硫酯化合物：如乙酰硫酯化合物：如乙酰CoACoA(CS)型型六、高能化合物六、高能化合物根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：根据分子结构和高能键的特征，高能化合物可分为：2. 高能化合物的类型(6) (6) 甲硫键化合物：如甲硫键化合物：如S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸(CS)型型六、高能化合物六、高能化合物 ATP ATP为生物界的为生物界的“能量货币能量货币”，它是生命活动中最重，它是生命活动中最重要的能量供体。要的能量供体。 其原因在于：其原因在于：ATPATP的的D DG G0 0 值介于其它高能化合物和普值介于其它高能化合物和普通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中通化合物之间，从而使它在生物体内的能量转换过程中能够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通能够起中间载体的作用。放能反应和吸能反应往往要通过过ADPADP和和ATPATP的相互转变而偶联起来。的相互转变而偶联起来。 ATP ATP的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体的另一功能是作为磷酸基团转移反应的中间载体。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基。这也是由于它的磷酸基团转移势能在常见的含磷酸基团化合物中处于中间位置。团化合物中处于中间位置。3. 最重要的高能化合物ATP六、高能化合物六、高能化合物 在生物细胞内，形成在生物细胞内，形成ATPATP的方式有两种：生物氧化的方式有两种：生物氧化( (异异养细胞养细胞) )和光合作用和光合作用( (自养细胞自养细胞) )。1) 1) 生物氧化产生生物氧化产生ATPATP 生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需生物体降解燃料分子的主要意义是取得供其发育所需要的能量。因此，利用生物氧化形成要的能量。因此，利用生物氧化形成ATPATP，是生物体内是生物体内ATPATP形成的主要方式。形成的主要方式。 生物氧化的第一阶段也能产生少量的生物氧化的第一阶段也能产生少量的ATPATP，这是以这是以底物底物水平磷酸化水平磷酸化的方式产生的；的方式产生的； 生物氧化的第二阶段是产生生物氧化的第二阶段是产生ATPATP的主要阶段，通过的主要阶段，通过氧化氧化磷酸化磷酸化的方式产生。的方式产生。六、高能化合物六、高能化合物1) 1) 生物氧化产生生物氧化产生ATPATP底物水平磷酸化底物水平磷酸化：代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合代谢物通过氧化形成的高能磷酸化合 物直接将磷酸基团转移给物直接将磷酸基团转移给ADPADP，使之使之 磷酸化生成磷酸化生成ATPATP。 氧化磷酸化氧化磷酸化：NADHNADH或或FADHFADH2 2将电子传递给将电子传递给O O2 2的过程与的过程与ADPADP的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放的磷酸化相偶联，使电子传递过程中释放出的能量用于出的能量用于ATPATP的生成。氧化磷酸化的的生成。氧化磷酸化的过程需要氧气作为最终的电子受体，它是过程需要氧气作为最终的电子受体，它是需氧生物合成需氧生物合成ATPATP的主要途径。的主要途径。 六、高能化合物六、高能化合物2) 2) 光合作用产生光合作用产生ATPATP 在光合作用的过程中也能形成在光合作用的过程中也能形成ATPATP，这种这种ADPADP的磷的磷酸化方式叫酸化方式叫光合磷酸化光合磷酸化。光合磷酸化：由光驱动的电子传递过程与由光驱动的电子传递过程与ADPADP的磷酸的磷酸 化相偶联，使电子传递过程中释放出的化相偶联，使电子传递过程中释放出的 能量用于能量用于ATPATP的生成。的生成。 4. ADP磷酸化的方式七、能七、能 荷荷 4. ADP磷酸化的方式 细胞的能量状态可用能荷细胞的能量状态可用能荷( (energy charge)energy charge)表示。表示。 能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它能荷是细胞中高能磷酸状态一种数量上的衡量，它的大小可用下式表示：的大小可用下式表示：(ATP+0.5ADP) 能荷能荷= =(ATP+ADP+AMP) 七、能七、能 荷荷 能荷的数值在能荷的数值在0 0 1 1之间。大多数细胞维持的稳态能之间。大多数细胞维持的稳态能荷状态在荷状态在0.8-0.950.8-0.95的范围内。的范围内。 ATPATP生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。生成和消耗的途径和细胞的能荷状态相呼应。 高能荷时，高能荷时，ATPATP生成过程被抑制，而生成过程被抑制，而ATPATP的利用过程的利用过程被激发；被激发； 低能荷时，其效应相反。低能荷时，其效应相反。 所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。所以说，能荷对代谢起着重要的调控作用。 4. ADP磷酸化的方式五、综合题五、综合题( (每题每题8 8分，共分，共3232分分) ) 1. 1. 一个含有一个含有1313个氨基酸残基的十三肽的氨基酸组成为个氨基酸残基的十三肽的氨基酸组成为：Ala, Ala, ArgArg, 2Asp, 2Glu, 3Gly, , 2Asp, 2Glu, 3Gly, leuleu, 3Val, 3Val。部分酸水部分酸水解后得到以下肽段：解后得到以下肽段： ( (a)a) Asp-Asp-GluGlu-Val-Val-GlyGly- -GlyGly- -GluGlu-Ala;-Ala; (b) (b) Val-Asp-Val-Asp-Val-Asp-Val-Asp-GluGlu (c)(c) Val-Asp-ValVal-Asp-Val (d) (d) GluGlu-Ala-Ala-LeuLeu- -GlyGly- -ArgArg (e)(e) Val-Val-GlyGly- -GlyGly- -GluGlu-Ala-Ala-LeuLeu (f)(f) LeuLeu- -GlyGly- -ArgArg1.1. 答：进行得叠组合而成。答：进行得叠组合而成。b b Val-Asp-Val-Asp- Val-Asp-Val-Asp-GluGlu a a Asp- Asp-GluGlu-Val-Val-GlyGly- -GlyGly- -GluGlu-Ala-Ala d d GluGlu-Ala-Ala-LeuLeu- -GlyGly- -ArgArgc c Val-Asp-Val Val-Asp-Val e e Val- Val-GlyGly- -GlyGly- -GluGlu-Ala-Ala-LeuLeu f f LeuLeu- -GlyGly- -ArgArg 2.2.人的头发每年以人的头发每年以15-2015-20cmcm的速度生长，头发主要的速度生长，头发主要是是 - -角蛋白纤维在表皮细胞里面合成和组装成的角蛋白纤维在表皮细胞里面合成和组装成的“绳绳子子”。 - -角蛋白的基本结构单元是角蛋白的基本结构单元是 - -螺旋。如果螺旋。如果 - -螺螺旋的生物合成是头发生长的限速因素，计算旋的生物合成是头发生长的限速因素，计算 - -螺旋链螺旋链的肽键以多大的速度的肽键以多大的速度( (每秒钟每秒钟) )合成才能满足头发每年合成才能满足头发每年的生长长度？的生长长度？ 答：每秒种大约需要合成答：每秒种大约需要合成32-43肽键（考虑到肽键（考虑到 - -螺螺旋的每一圈含有旋的每一圈含有3.63.6个氨酸残基，螺距为个氨酸残基，螺距为0.54 0.54 nm,nm,即即每一个氨基酸之间的距离为每一个氨基酸之间的距离为0.15 0.15 nmnm）。）。 3 3. . 根据蛋白质的一级氨基酸序列可以预测蛋白质的根据蛋白质的一级氨基酸序列可以预测蛋白质的空间结构。假设有下列氨基酸的序列：空间结构。假设有下列氨基酸的序列： ( (a) a) 预测在该序列的哪一部位可能会出弯或预测在该序列的哪一部位可能会出弯或 转角转角? ?： ( (b) b) 何处可能形成链内的二硫键何处可能形成链内的二硫键? ? ( (c) c) 假设该序列只是大的球蛋白的一部分，下面氨假设该序列只是大的球蛋白的一部分，下面氨基酸残基中哪些可能分布在蛋白的外表面，哪些分布基酸残基中哪些可能分布在蛋白的外表面，哪些分布在内部在内部? ? 答：答： ( (a) a) 可能在可能在7 7位和位和1919位打弯位打弯 ( (b) 13b) 13位和位和2424位的半胱氨酸可形成二硫键位的半胱氨酸可形成二硫键 ( (c) c) 分布在外表面的为极性和带电荷的残基：分布在外表面的为极性和带电荷的残基：AspAsp、GlnGln、LysLys；分布有内部的是非极性的氨基酸残基：分布有内部的是非极性的氨基酸残基：LeuLeu和和ValVal；ThrThr尽管有极性，但其疏水性也很强，因尽管有极性，但其疏水性也很强，因此它出现在外表面或内部的可能性都有。此它出现在外表面或内部的可能性都有。 4. 4. 测定一酶液总蛋白含量为测定一酶液总蛋白含量为60%60%（W/VW/V），），取取0.5 0.5 mLmL酶液在标准条件下测定，最初底物浓度为酶液在标准条件下测定，最初底物浓度为3 3mol/Lmol/L，催化反应催化反应2020分钟后，底物浓度为分钟后，底物浓度为2.72.7mol/Lmol/L，此时，酶此时，酶促反应速度达最大速度的促反应速度达最大速度的70 %70 %，已知反应体系的总体，已知反应体系的总体积为积为100100mLmL，问：问： （1 1）可用何种方法测定酶液中蛋白含量？原理）可用何种方法测定酶液中蛋白含量？原理是什么？是什么？ （2 2）1 1mLmL酶液中所含酶的活力单位（酶液中所含酶的活力单位（IUIU）是多少是多少？ （3 3）该酶的比活力是多少？该酶的比活力是多少？ （4 4）该酶的米氏常数是多少？该酶的米氏常数是多少？ 4. 4.答：答： (1): (1): Folin Folin 酚法，原理见生物化学实验指导酚法，原理见生物化学实验指导 (2): (2):（3 mol/L -2.7 mol/L） 2 0.1 L 106 / 20 min 3000 IU (3): 3000 IU / 0.6 (3): 3000 IU / 0.6 1000 1000 5 IU / mg 5 IU / mg (4): 1.157 (4): 1.157