生物氧化和能量转化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 生物氧化和能量转换,第一节 生物氧化概述,生物氧化,（biological oxidation）是指细胞内的糖、蛋白质和脂肪进行氧化分解而生成CO,2,和H,2,O，并释放能量的过程。,生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化还原反应。,二、生物氧化的特点,1.,生物氧化是在细胞内进行的。,2.,生物氧化是在常温、常压、近于中性及有水环境中进行的。,3.,生物氧化所产生的能量是逐步释放的。,4.,生物氧化所产生的能量首先转移到一些特殊的高能化合物中。,三、生物氧化中CO,2,的生成,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，直接从分子中脱去羧基。例如草酰乙酸的脱羧。,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。,四、生物氧化中H,2,O的生成,代谢物M,H,2,氧化型,M,还原型,1/2O,2,H,2,O,一个或多个传递体,脱氢酶,氧化酶,1.自由能,自由能,是指一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温、恒压条件下作功的能量。,五、自由能和氧化还原电位,如果 A B,则,G,G,B,G,A,G 0，供给能量才能进行，吸能反应。,G=0，反应处于平衡状态。,2.氧化还原电位,G,o,-n F,E,0,n：转移电子数；,F：法拉第常数96.5 KJ/(V.mol),3.自由能变化和氧化还原电位的关系,丙酮酸+NADH+H,+,乳酸+NAD,+,丙酮酸+H,+,+2e,-,乳酸,E,0,=-0.19 V,NAD,+,+2H,+,+2e,-,NADH+H,+,E,0,=-0.32 V,E,0,-0.19 (-0.32)=0.13 V,六、高能磷酸化合物,生物体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放大量的能量，这些化合物称为,高能磷酸化合物,。如 ATP。,一般将水解时能够释放21 kJ/mol 以上自由能的化合物称为,高能化合物,。,根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型:,酰基磷酸化合物,1.磷氧键型（OP）,1,3-二磷酸甘油酸,11.8千卡/摩尔,烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,2.磷,氮键型（NP）,磷酸肌酸,存在于肌肉、脑和神经组织中，它可与ATP相互转化。ATP多时，以磷酸肌酸的形式贮能；ATP不足时，磷酸肌酸转化为ATP。因而可认为,磷酸肌酸是ATP的贮存库,。,严格的说，ATP不是能量的贮存者，而是能量的携带者和传递者。,以高能磷酸形式储存能量的物质称为,磷酸原,，包括,磷酸肌酸,和,磷酸精氨酸,。,S-腺苷甲硫氨酸,3.硫碳键型（CS）,甲硫键化合物,酰基辅酶A,硫酯键化合物,第二节 线粒体及其内部氧化体系,细胞内的线粒体是生物氧化的主要场所。,在生物氧化中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体所组成的电子传递链而转移，最终达到氧，使氧还原成水，并伴随着自由能的释放和ATP的生成。,二、线粒体内膜上的电子传递链,在生物氧化过程中，从代谢物上脱下的氢由一系列传递体依次传递，最后与氧形成水的整个体系称为,呼吸链（respiratory chain）,。,由于在传递过程中，在很多部位氢原子实际上以质子（H,+,）形式进入基质，仅发生电子转移，因此呼吸链又称为,电子传递链（electron-transport chain）,。,电子传递链基本分为：,1.,烟酰胺腺嘌呤核苷酸（NAD,+,、NADP,+,）,2.,黄素蛋白（FMN、FAD）,3.,铁硫蛋白（FeS）,4.,泛醌（辅酶Q，CoQ）,5.,细胞色素（cyt）,电子传递链的基本组成,通过异咯嗪环第1位和第10位上的两个氮原子反复进行加氢和脱氢反应。,FMN+2H FMNH,2,它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。铁硫蛋白通过,Fe,3+,Fe,2+,变化起传递电子的作用。,2Fe-2S,4Fe-4S,它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。,细胞色素是一类含有血红素辅基的电子传递蛋白的总称。,线粒体呼吸链中主要含有,cyta、cyta,3,、cytb、cytc,和,cytc,1,5种。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,Fe,3+,Fe,2+,的互变起传递电子的作用的。,电子传递链各组分的排列顺序,线粒体末端氧化呼吸链有两条：,1.,NADH氧化呼吸链,2.,琥珀酸氧化呼吸链,两条呼吸链中除CoQ和cytc外，其余组分形成嵌入内膜的结构化超分子复合体。这些复合体有4类：,.,NADH-Q还原酶,.,琥珀酸Q还原酶,.,Q-Cytc还原酶,.,细胞色素c氧化酶,线粒体呼吸链,NADH,FMN,Fe-S,O,2,FAD Fe-S,琥珀酸,等,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH脱氢酶,Q-细胞色素还原酶,细胞色素C氧化酶,琥珀酸-Q还原酶,CoQ,Cyt b,Fe-S,Cyt c1,Cyt c,Cyt aa,3,电子传递排列顺序,电子传递链的抑制,第,三节 氧化磷酸化作用,氧化,磷酸化,(oxidative phosphorylation)是指生物体氧化过程中释放出自由能驱动ADP磷酸化形成ATP的过程。,线粒体ATP合成的方式有两种：,1.底物水平磷酸化,2.氧化磷酸化,二、氧化磷酸化的偶联部位,根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的,G,-30.5 kJ/mol。,磷氧比（P/O）,是指一对电子通过呼吸链传递到氧时所产生的ATP分子数。,复合体,复合体,复合体IV,NADH,Co,Q,cyt b,cyt c,1,cyt aa,3,O,2,G,-50.24,-41.87,-100.48,这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联。,NADH的P/O比为2.5；FADH,2,的P/O为1.5,三、氧化磷酸化的偶联机理,ATP合酶（ATP synthase）,ATP合酶,由两个主要单元构成，一是起质子通道作用的单元称为,F,0,单元,，另一是催化ATP合成的单元称为,F,1,单元,。故ATP合酶又称F,0,F,1,酶（F,0,F,1,ATPase）。,该酶又称,复合体,氧化磷酸化的偶联机理,化学渗透假说,的要点是：,a.,线粒体内膜的电子传递链是一个质子泵；,b.,在电子传递链中，电子由高能状态传递到低能状态时释放出来的能量，用于驱动膜内侧的H,+,迁移到膜外侧。这样，在膜的内侧与外侧就产生了跨膜质子梯度(,pH)和电位梯度（,）；,c.,在膜内外势能差（,pH 和,）的驱动下，膜外高能质子沿着一个特殊通道（ATP酶的组成部分），跨膜回到膜内侧。质子跨膜过程中释放的能量，直接驱动ADP和磷酸合成ATP。,化学渗透假说示意图,4H,+,4H,+,2H,+,4H,+,NADH+H,+,2H,+,10H,+,10H,+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H,2,O,2,e,-,+,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,磷酸化,氧化,四、氧化磷酸化的解偶联剂和抑制剂,1.解偶联剂,解偶联剂（uncoupler）作用是使电子传递和ATP生成的两个过程分离。它只抑制ATP的形成，而不抑制电子传递过程。,如：2,4二硝基苯酚（DNP）,2.氧化磷酸化抑制剂,氧化磷酸化抑制剂的作用是抑制氧的利用，又抑制ATP的形成，但不直接抑制电子传递链上载体的作用。如：寡霉素（oligomycin）,3.离子载体抑制剂,离子载体抑制剂的作用是与某些离子结合，作为离子载体使这些离子能够穿过膜，从而破坏膜两侧的电位梯度，最终破坏氧化磷酸化。如：缬氨霉素、短杆菌肽,五、腺苷酸的转运,ATP/ADP交换体,六、线粒体穿梭系统,NADH从细胞液进入线粒体的途径：,1.,3-磷酸甘油穿梭途径（,glycerol 3-phosphate shuttle system,）,：主要存在于肌肉细胞中。,2.,苹果酸天冬氨酸穿梭途径（,malate-aspartate shuttle system,）,：主要存在于心脏和肝细胞中。,糖酵解,（细胞质）,氧化磷酸化,（线粒体）,3-磷酸甘油穿梭途径,3-磷酸甘油,苹果酸天冬氨酸穿梭途径,苹果酸,天冬氨酸,苹果酸,天冬氨酸,七、能荷,能荷表示细胞的腺苷酸库中充满高能磷酸根的程度。,C,6,H,12,O,6,+6 O,2,+,10 NAD,+,+,2 FAD,+,4 ADP+4Pi,6 CO,2,+6 H,2,O,+,10 NADH+10 H,+,+,2 FADH,2,+,4 ATP,C,6,H,12,O,6,+6 O,2,6 CO,2,+6 H,2,O+,2876 KJ,生物体能量利用率为：3030.54/2876=31.9%,or:3230.54/2876=34.0,1.名词解释,生物氧化、呼吸链、磷氧比P/O（P/O）、,氧化磷酸化、底物磷酸化,2.图示两条呼吸链，并标出ATP产生部位及抑制部位、抑制剂。,3.简述化学渗透学说的内容。,