生物化學(xué)課件生物氧化.ppt

1、第八章 代謝作用概論,主要內(nèi)容：重點(diǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機(jī)理和氧化磷酸化機(jī)理。,新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation ），通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。 特點(diǎn)：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行,新陳代謝的概念及內(nèi)涵,小分子 大分子 合成

2、代謝（同化作用） 需要能量 釋放能量 分解代謝（異化作用） 大分子 小分子,物質(zhì)代謝,能量代謝,新陳代謝,信息交換,生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程,太 陽,電子傳遞,合成,分解,電子傳遞,光合作用,呼吸作用,生命現(xiàn)象,自養(yǎng)細(xì)胞,異養(yǎng)細(xì)胞,ATP,ADP,(CH2O) +O2,(CO2) +H2O,ATP,ADP,（光 能）,（電 能）,（化 學(xué) 能）,（化 學(xué) 能）,（電 能）,（化 學(xué) 能）,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質(zhì),脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進(jìn)入三羧酸循

3、環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,第一節(jié) 代謝的一般過程,一、分解代謝與合成代謝,1、酶抑制劑的應(yīng)用 2、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑 3、氣體測量法 4、同位素示蹤法,二、中間代謝,三、微生物代謝與發(fā)酵工程（略）,一、生物氧化的本質(zhì)與特點(diǎn)（ P302 ）,在活的細(xì)胞中（ pH 接近中性，體溫條件下），有機(jī)物的氧化在一系列酶,輔酶和中間傳遞體參與下進(jìn)行，其途徑迂回曲折，有條不紊,氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如 ATP ）截獲，再供給機(jī)體所需.在此過程中既不會(huì)因氧化過程中能量驟然釋放而

4、傷害機(jī)體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。,第二節(jié) 生物氧化,在無氧條件下，兼性生物或厭氣生物能利用細(xì)胞中的氧化型物質(zhì)作為電子受體，將燃料分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機(jī)物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的則以無機(jī)物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。,1. 無氧氧化,二、有氧氧化和無氧氧化（ P303 ）,2. 有氧氧化 生物氧化在有氧和無氧條件下都能進(jìn)行。在有氧條件下，好氣生物或兼性生物吸收空氣中的氧作為電子受體，可將燃料分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因?yàn)橛醒跹趸紵耆?，產(chǎn)能多，所以，只要有氧氣存在，細(xì)胞都優(yōu)先進(jìn)行有氧氧化。

5、,三、生物氧化與生物能,（一）氧化還原電勢,原電池示意圖, E0=E0正極- E0 負(fù)極=+0.34 V-(-0.76 V)=+1.10 V,負(fù)極反應(yīng): Zn=Zn2+2 e E0 Zn2+/Zn= - 0.76 V,正極反應(yīng): Cu=Cu2+2 e E0 Cu2+/Cu=+0.34 V,1 、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢,Nernst(能斯特)方程,則非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的可通過能斯特方程進(jìn)行計(jì)算：,R為氣體常數(shù)，其值為8.314JK-1 mol-1，F(xiàn)為法拉第常數(shù)， 其值為96.485kJ /(V. mol )， T為熱力學(xué)溫度，當(dāng)T = 298K時(shí),2、非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧化還原電勢（ P305 ）,E,E0,

6、電子受體,電子供體,E,E0,電子受體,電子供體,0.03,（二）自由能的變化（ P306 ）,氧化- 還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： G=nFE,例題：計(jì)算下反應(yīng)式 G （ P306 ）, G = - nFE=-296.4850.123 =- 23.74kJ/mol,（三）高能鍵和高能化合物,生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21 千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。,1 、高能鍵和高能化合物的概念,2、ATP 在能量代謝中的作用,在 pH=7 環(huán)境中， ATP 分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶 4 個(gè)負(fù)電荷的離子形式（ ATP4-），具有較大勢能，加之水解

7、產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ G =-30.5 千焦/ 摩爾）。,ATP+H2O ADP+ PiG -30.5 kJ/摩爾,ADP+H2O AMP+ Pi G -33. 1 kJ/摩爾,ATP 在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用, ATP 是細(xì)胞內(nèi)的 能量通貨 ATP 是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體,代謝物,分解氧化,CO2 H2O,能,熱能（散發(fā)）,化學(xué)能 （儲(chǔ)能）,ATP,ADP,Pi,C,CP,+,能,機(jī)械能（肌肉收縮） 化學(xué)能（合成代謝） 滲透能（吸收分泌） 電能（神經(jīng)傳導(dǎo)生物電） 熱能（維持體溫）等,ATP 的生成和利用,四、生物氧化酶類,1 、不需氧脫氫酶（表 8-3 ）,2 、需氧脫氫酶和

8、氧化酶,第三節(jié) 生物氧化體系,一、生物氧化體系的類型,不需傳遞體的生物氧化體系 需傳遞的生物氧化體系,1、不需傳遞體體系 是最簡單的生物氧化體系。從底物脫下來的氫不需傳遞，直接在酶作用下與分子氧結(jié)合。這種酶可分為,(見P310) 氧化酶類 它是含Cu+或Fe+的金屬蛋白，不能從底物上脫氫，只能奪取底物上的電子對(2e)，用于激活分子氧(O2)，從而促進(jìn)氧與底物的化合。氰化物、硫化氫對氧化酶有抑制作用。,(1) 氧化酶類催化的反應(yīng)模式,(2) 需氧脫氫酶類催化的反應(yīng)模式,（一）呼吸鏈的概念（ P311 ）,二、呼吸鏈,線粒體內(nèi)膜上一組排列有序的遞氫體和遞電子體（酶與輔酶）構(gòu)成的功能單位，也稱電子

9、傳遞鏈。,（二）呼吸鏈的組成,四種具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體 (合成物),*泛醌和 Cyt c 均不包含在上述四種復(fù)合體中。,復(fù)合體,酶名稱,復(fù)合體,復(fù)合體,復(fù)合體,復(fù)合體,NADH,-,泛醌還原酶,琥珀酸,-,泛醌還原酶,泛醌,-,細(xì)胞色素,C,還原酶,細(xì)胞色素,c,氧化酶,輔基,FMN,，,Fe,-,S,，,Fe,-,S,鐵卟啉，,Fe,-,S,鐵卟啉，,Cu,多肽鏈數(shù),4,11,13,復(fù)合體,酶名稱,復(fù)合體,復(fù)合體,復(fù)合體,復(fù)合體,NADH,-,泛醌還原酶,琥珀酸,-,泛醌還原酶,泛醌,-,細(xì)胞色素,C,還原酶,細(xì)胞色素,c,氧化酶,輔基,FMN,，,Fe,-,S,FAD,，,Fe,-,

10、S,鐵卟啉，,Fe,-,S,鐵卟啉，,Cu,多肽鏈數(shù),42,4,13,線粒體呼吸鏈復(fù)合體,FMN,Fe-S 復(fù)合體,FAD, Fe-S,Cytb 復(fù)合體,Cytb, Fe-S,Cytc1 復(fù)合體,Cytaa3,Cu 復(fù)合體,Cytc,Q,胞液側(cè),基質(zhì)側(cè),線粒體內(nèi)膜,呼吸鏈主要成分和作用,遞氫體遞電子體,煙酰胺 （ NAD+, NADP+ ） 黃素蛋白 (flavoprotein) （ FMN,FAD） 鐵硫蛋白（ Fe- S ） 泛醌 (Ubiquinone) （ CoQ ） 細(xì)胞色素類 (Cytochrome) （ Cyt ）,煙酰胺核苷酸類（ NAD+,NADP+）,遞氫體,黃素蛋白 (f

11、lavoprotein) 類（ FMN,FAD）,遞氫體,鐵硫蛋白,Fe2+,Fe3+電子,傳遞電子方式：,遞電子體,泛醌（ CoQ ）,(Ubiquinone),遞氫體,細(xì)胞色素 (Cytochrome) 類,Cytb ， Cytc1 ， Cytc,Cytaa3,組成呼吸鏈的細(xì)胞色素:,細(xì)胞色素氧化酶,Fe2+,Fe3+ 電子,遞電子體,細(xì)胞色素 c 輔基,細(xì)胞色素系統(tǒng)傳遞電子的過程,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,2 Fe3+,2 Fe2+,1/2 O2,O2- H2O,2 H+,2 e,2 e,2 e,2 e,2 e,b c1 c,Cu

12、2+,aa3,（三）呼吸鏈主要成分的排列順序,NADH 氧化呼吸鏈 琥珀酸氧化呼吸鏈（ FADH2 氧化呼吸鏈）,體內(nèi)的兩條呼吸鏈：（ P315 ）,1. NADH 氧化呼吸鏈 NADH 復(fù)合體 Q 復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體 O2 2. 琥珀酸氧化呼吸鏈 琥珀酸復(fù)合體 Q 復(fù)合體 Cyt c 復(fù)合體 O2,NADH 氧化呼吸鏈,FADH2 氧化呼吸鏈,呼吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降,FADH2,2 個(gè)電子,NADH,三、 細(xì)胞質(zhì)中的 NADH 的氧化,胞液中生成的 NADH 不能自由通透線粒體內(nèi)膜，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入線粒體 1 、磷酸二羥丙酮-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)（神經(jīng)組織和骨骼肌） 2 、蘋

13、果酸-天冬氨酸穿梭作用（肝和心?。?磷酸二羥丙酮-磷酸甘油穿梭機(jī)制示意圖,2 H,-磷酸甘油穿梭,1.5 ATP,神經(jīng)組織和骨骼肌,蘋果酸天冬氨酸穿梭系統(tǒng),2 H,蘋果酸-天冬氨酸穿梭,2.5 ATP,肝和心肌,第四節(jié) 氧化磷酸化,代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成 ATP （即 ADP+Pi ATP ）,這種氧化放能和 ATP 生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化 (生物體通過磷酸化作用，將化合物在氧化過程中所釋放的能量一部分轉(zhuǎn)移到 ATP 分子中形成高能磷酸鍵的過程 P320) 。,一、ATP 的生成,類別：底物水平磷酸化 電子傳遞水平磷酸化,二、電子傳遞過程中自由能的變化,呼

14、吸鏈中電子傳遞時(shí)自由能的下降,三、氧化磷酸化的偶聯(lián)機(jī)理,1、線粒體ATP合酶（mitochondrial ATPase） 2、能量偶聯(lián)假說 1953年 Edward Slater 化學(xué)偶聯(lián)假說 1964年 Paul Boyer 構(gòu)象偶聯(lián)假說 1961年 Peter Mitchell 化學(xué)滲透假說,3、質(zhì)子梯度的形成 4、ATP合成的機(jī)制,1978年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),1、線粒體 ATP 合酶（ P324 ）,氧化磷酸化重建示意圖,2,化學(xué)滲透假說 (chemiosmotic hypothasis),電子傳遞的自由能驅(qū)動(dòng)H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個(gè)

15、梯度的電化學(xué)勢( H+ )驅(qū)動(dòng)ATP的合成。,化學(xué)滲透假說原理示意圖,4 H+,2 H+,2 H+,4 H+,NADH+H+,2 H+,2 H+,2 H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2 個(gè)電子,+,_,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,Boyer和Walker的工作,英國科學(xué)家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心線粒體ATP酶晶體的三維結(jié)構(gòu)， 證明在ATP酶合成ATP的催化循環(huán)中三個(gè)亞基的確有不同構(gòu)象， 從而有力地支持了Boyer的假說。,Boyer和Walker共同獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,美國科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機(jī)理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為ATP合成酶亞基有三種不同的構(gòu)象，一種構(gòu)象(L)有利于ADP和Pi結(jié)合，一種構(gòu)象(T)可使結(jié)合的ADP和Pi合成ATP，第三種構(gòu)象(O)使合成的ATP容易被釋放出來。在ATP合成過程中，三個(gè)