生物氧化biological.ppt

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1、第七章 生物氧化（biological oxidation）1.生物氧化概述2.生物氧化中CO2的生成3.生物氧化中H2O的生成4.氧化磷酸化,1.生物氧化概述,1.1 生物氧化定义1.2 生物氧化的特点1.3 氧化还原电位与自由能1.4 高能化合物1.5 能荷,1.1 生物氧化定义:,有机物质（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,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,n*2H,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙

2、酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,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,生物氧化的三个阶段,e-,释放的能量转化成ATP被利用 转换为光和热，散失,1.2 生物氧化的特点,生物氧化和有机物在体外氧化（燃烧）的实质相同，都是脱氢、失电子或与氧结合，消耗氧气，都生成CO2和H2O，所释放的能量也相同。但二者进行的方式和历程却不同：,生物氧化 体外燃烧,细胞内温和条件 高温或高压、干燥条件（常温、常压、中性pH、水溶液）,一系列酶促反应 无机催化剂逐步氧化放能，能量利用率高 能量爆发释放,1.3 氧化还原

3、电位与自由能,生化标准氧化还原电位（E0）：生化标准条件下（25C、一个大气压、pH=7.0、电子供体和电子受体的浓度都是1mol/L）时的标准氧化还原电位意义:E0 值越小，失电子能力越大，即还原能力越强，是强还原剂E0值越大，得电子能力越大，即氧化能力越强，是强氧化剂在氧化还原反应中，电子总是从E0值较小的物质转移到值较大的物质，即从还原剂流向氧化剂,自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量自由能变化（G）:A B G=GB GAG是衡量反应自发性的标准 G0，吸能，非自发进行，必须供给能量才能 进行 G=0,平衡状态,生化标准自由能变化(G0)指在标准

4、条件下，即温度为25，1个大气压，pH为7,反应物质浓度为1mol/L时,测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol自由能变化与氧化还原电位的关系 G0=-nF E0 其中n为转移的电子数 F为法拉第常数,F=96.496kJ/v.mol=23.062kcal/v.mol E0为生化标准氧化还原电位差 单位为伏特（V）E0=E0氧化剂-E0还原剂=E0电子受体-E0电子供体,例如:Cytaa3O2:G0=-2*23.062*(0.82-0.29)=-23.9千卡/mol,1.4 高能化合物,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。在

5、高能化合物分子中，释放出大量自由能时水解断裂的活泼共价键称为高能键,高能化合物的类型按其分子结构特点及所含高能键的特征分：磷氧键型磷氮键型硫碳键型,高能化合物类型,ATP的特殊作用,ATP是细胞内的“能量通货”ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,1.5 能荷,细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：意义：1.能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为12.能荷对代谢的调节可通过ATP、ADP和AM

6、P作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,ATP+1/2ADP,ATP+ADP+AMP,腺苷酸库,能荷=,3.高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的应用，即促进机体内的合成代谢。4.大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。,例如：天冬氨酸转氨甲酰酶（ATCase）,2.生物氧化中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：,直接脱羧:,氧化脱羧:在脱羧过程中伴随着氧化脱氢,生物氧化中H2O的生成,代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、

7、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+,3.1 生物氧化中水的生成体系,脱氢酶:激活代谢物含的氢并使之脱落传递体:传氢体:NAD,NADP,FAD,FMN,CoQ传电子体:细胞色素酶系cytb,cytc1,cytc,cyta,cyta3等氧化酶:激活进入体内的氧,3.2 呼吸链（eclctron transfer chain),底物在线粒体基质中氧化所产生的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

8、递系统称电子传递链,因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。电子传递链在原核生物存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体内膜上。,定义:代谢物上脱下的氢经一系列传递体,最后传递给被激活的氧分子,而生成水的体系称呼吸链.又称电子传递链(有电子转移),3.3 呼吸链的种类,H2O,O2-,FMN,FMNH2,CoQH2,CoQ,NAD+,NADH+H+,2Fe2+,2Fe3+,细胞色素b-c1-c-aa3,2H+,NADH呼吸链(多数),FADH2呼吸链(少数),NADH呼吸链和FADH2呼吸链,根据代谢物上脱下的氢的初始受体不同,即代谢物脱氢酶的辅酶不同区分出两种典型的呼吸链,3.4 呼吸链的组

9、成,烟酰胺脱氢酶类黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）3.铁-硫蛋白类（ironsulfur proteins)4.辅酶（ubiquinone,亦写作CoQ）5.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）,烟酰胺脱氢酶类,特点：以NAD+或NADP+为辅酶，遇到其它氢受体时,再将H传递下去 传递氢机理:,黄素蛋白酶类,特点：含FMN或FAD的蛋白质，以FAD或FMN为辅基每个FMN或

10、FAD可接受2个电子2个质子呼吸链上具有FMN为辅基的NADH脱氢酶，以FAD为辅基的琥珀酸脱氢酶。,铁硫蛋白,特点：在其分子结构中每个铁原子和4个硫原子结合，有2Fe-2S和4Fe-4S两种类型,构成FeS中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。,传递电子机理：通过Fe2+、Fe3+互变进行电子传递,Fe3+Fe2+,+e,-e,CoQ,特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，是脂溶性小分子量的醌类化合物通过氧化和还原传递电子,细胞色素,特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。,细胞色素类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种b、c、c1、a和a

11、3cytb和cytc1、cytc在呼吸链中为电子传递体a和a3以复合物物存在，难以分开,称细胞色素c氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶,呼吸链中电子传递时自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,E0低高,3.5 电子传递链中各中间体的顺序,G0=-nF E0,呼吸链组分按氧化还原电位由低向高的方向排列，电子逐步传递到氧,电子逐级传递、能量逐渐释放,人体内大多数脱氢酶都以NAD+作辅酶，在脱氢酶催化下底物MH2脱下的氢交给NAD+生成NADH+H+，在NADH脱氢酶作用下，NADH+H+将两个氢原子传递给FMN生成FMNH2，再将氢传递至CoQ生成

12、CoQH2，此时两个氢原子解离成2H+和2e,2H+游离于介质中，2e经Cyt b、c1、c、aa3传递，最后将2e传递给1/2 O2，生成O2-,O2与介质中游离的2H+结合生成水,MH2,M,NAD+,NADH2,FMNH2,FMN,CoQH2,CoQ,2Fe3+,2Fe2+,2Fe2+,2Fe2+,2Fe2+,2Fe3+,2Fe3+,2Fe3+,2cytb,2Cytc1,2cytc,2cytaa3,H2O,1/2O2,2H+,2e,NADH呼吸链,FADH链,琥珀酸在琥珀酸脱氢酶作用下脱氢生成延胡索酸，FAD接受两个氢原子生成FADH2，然后再将氢传递给CoQ，生成CoQH2，此后的传递

13、和NADH氧化呼吸链相同,FADH2,FAD,MH2,M,3.6 电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FAD,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,抑制NADHCoQ的电子传递,抑制Cyt bCyt c1的电子传递,抑制细胞色素氧化酶O2,两条主要的呼吸链,4.氧化磷酸化,4.1 氧化磷酸化定义4.2 种类:(生成ATP的方式)电子传递磷酸化 底物水平磷酸化4.3 磷氧比（P/O）的概念4.4 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,4.1 氧化磷酸化定义,代谢物在生物氧化过程

14、中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+PiATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。,电子传递磷酸化,定义:电子由呼吸链传递给氧形成水时,伴有ADP磷酸化形成ATP,这一全过程称电子传递磷酸化特点:这是需氧生物合成ATP的主要途径要有氧地点:真核生物在线粒体内膜上进行;原核生物则在质膜上进行,呼吸链中生成ATP的部位:,电子传递给氧的过程中释放自由能，供给ATP的合成。其中释放大量自由能的部位有3处，即复合物、，这3个部位就是ATP合成的部位，称为偶联部位 NADFMNCoQCytbCytC1CytCCytaa3O2ATP能量生成依据(三个部位的自由能变化)G0

15、=-nF E0 FMNCoQ:G0=-2*23.062*(0.1+0.3)=-18.4496千卡/molCytbCytC:G0=-2*23.062*(0.25-0.07)=-8.30232千卡/molCytaa3O2:G0=-2*23.062*(0.82-0.29)=-23.9千卡/mol,ATP,ATP,ATP,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),定义:被氧化的底物伴随氧化脱氢磷酸化,其分子内部能量重新分配,形成高能磷酸化合物的中间产物,再通过酶的作用形成ATP地点:这一磷酸化过程在胞浆和线粒体中进行举例:CHO COOP COOHCHOH CH

16、OH CHOHCH2OP CH2OP CH2OP特点：ATP的形成直接与中间代谢物进行的反应相偶联；在有O2或无O2条件下均可发生底物水平的磷酸化;糖酵解主要以此种方式获取能量,Pi,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,3磷酸甘油醛,1，3二磷酸甘油酸,3磷酸甘油酸,4.3 磷氧比（P/O）,定义：指每消耗1mol氧所消耗的无机磷的mol数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氧所产生的ATP分子数。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链：P/O 3,实测得FADH2呼吸

17、链：P/O 2,2e-,2e-,4.4 线粒体外NADH的氧化磷酸化作用,磷酸甘油穿梭系统 苹果酸天冬氨酸穿梭系统,真核细胞细胞液中产生的NADH必须经某种穿梭物的携带才能进入线粒体中,才能进行氧化磷酸化,-磷酸甘油穿梭,（线粒体基质）,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,线粒体内膜,（细胞液）,胞液-磷酸甘油脱氢酶,线粒体-磷酸甘油脱氢酶,常存在于肌肉、神经组织中，G酵解生成2个NADH2所以G在这些组织中彻底氧化分解少生成2个ATP，即36个,苹果酸-草酰乙酸穿梭作用,细胞液,线粒体内膜体,天冬氨酸,-酮戊二酸,苹果酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,苹果酸,谷氨酸,NADH+H+,NAD+,草酰乙酸,NAD+,线粒体基质,NADH+H+,（、为膜上的转运载体）,呼吸链,问答题,1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？4、比较两条呼吸链的异同?名词解释生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（P/0）能荷,