第三章生物氧化

1、,第 三 章,生 物 氧 化 Biological oxidation,物質(zhì)在生物體內(nèi)進行的氧化稱生物氧化，主要 指糖、脂肪、蛋白質(zhì)等在體內(nèi)分解時逐步釋放能 量，最終生成CO2 和 H2O的過程。,CO2和H2O,O2,能量,ADP+Pi,ATP,熱能,生物氧化的概念,* 生物氧化的規(guī)律：,物質(zhì)的氧化方式遵循氧化還原反應(yīng)的一般規(guī)律，有加氧、脫氫、失電子 耗氧量、終產(chǎn)物（ CO2和H2O）、釋放能量與物質(zhì)體外氧化相同 酶促反應(yīng)逐步進行，能量逐步釋放有利于ATP的形成 脫下的氫與氧結(jié)合產(chǎn)生 H2O，有機酸脫羧產(chǎn)生CO2,生物氧化的特點,在活的細胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機物的氧化在一系列

2、酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，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，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。,CO2的生成,方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 類型：-脫羧和-脫羧 氧化脫羧和單純脫羧,代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應(yīng)的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O 。,例：,12 O2,NAD+,電子傳遞鏈,H2O,2e,O=,2H+,H2O的

3、生成,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）,共同中間產(chǎn)物進入三羧酸循環(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存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,第一節(jié) 生物能學簡介,體系：研究中所涉及的全部物質(zhì)的總稱。,環(huán)境：除規(guī)定體系外的物質(zhì)總稱。,體系,開放體系: 能量物質(zhì)交換,封閉體系：有能量無物質(zhì)交換,隔離體系：無能量無物質(zhì)交換,生物體屬于開放體系。,熱力學第一定律：體系及其周圍環(huán)境的總能量是一個常數(shù)。,熱力學

4、第二定律：隔離體系中，一個過程只有當體系和周圍環(huán)境的熵值總和增加時才能自發(fā)進行。,熵（S）代表體系中能量的分散程度，也就是體系的無序程度。,無論能量從體系流向環(huán)境或從環(huán)境流向體系，體系和環(huán)境的總能量不變。,S = S體系+S環(huán)境 ，只有S0，過程才能自發(fā)進行。,一、 化學反應(yīng)中的自由能變化及其意義 1、 化學反應(yīng)中的自由能 自由能：在一個體系中，能夠用來做有用功的那一部分能量稱自由能，用符號G表示。 在恒溫、恒壓下進行的化學反應(yīng)，其產(chǎn)生有用功的能力可以用反應(yīng)前后自由能的變化來衡量。 自由能的變化：G = H _ TS = G 產(chǎn)物 G反應(yīng)物 G 代表體系的自由能變化，H代表體系的焓變化，T代表

5、體系的絕對溫度，S代表體系的熵變化。,物理意義：自由能的變化能判斷某一過程能否自發(fā)進行，即： G0，反應(yīng)不能自發(fā)進行 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。,注意： 一個放熱反應(yīng)(或吸熱反應(yīng))的總熱量的變化（H），不能作為此反應(yīng)能否自發(fā)進行的判據(jù)，只有自由能的變化才是唯一準確的指標。 G0僅是反應(yīng)能自發(fā)進行的必要條件，有的反應(yīng)需催化劑才能進行，催化劑（酶）只能催化自由能變化為負值的反應(yīng)，如果一個反應(yīng)的自由能變化為正值，酶也無能為力。 當G為正值時，反應(yīng)體系為吸能反應(yīng)，此時只有與放能反應(yīng)相偶聯(lián)，反應(yīng)才能進行。（P261）,二、偶聯(lián)化學反應(yīng)G變化的可加性,在偶聯(lián)的化學反應(yīng)中，各反應(yīng)的標準自由能變化是可以相加的

6、：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 則 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,該規(guī)則表明一個在熱力學上不利的反應(yīng)，可以與熱力學有利的反應(yīng)偶聯(lián)進行，即可以被熱力學有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進行。這在生物化學反應(yīng)中是很多的。,三、化學反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系,假設(shè)有一個化學反應(yīng)式：aA + bB = cC + dD 1. 恒溫恒壓下：G=G+ RTlnQc,R-氣體常數(shù)，8.315J/mol.K T-絕對溫度,2. 達平衡時,G=0，則G= - RTlnKeq=-2.303RTlgKeq,計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶

7、反應(yīng)的自由能變化,解：,G= - RTlnKeq=-2.303RTlgKeq =-2.3038.315 298 lg19 =-7.3 KJ/mol,G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.3+ 2.3038.31 298 log0.1 =-13.0 KJ/mol,反應(yīng)G-1-PG-6-P在250C達到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應(yīng)未達到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001mol/L，求反應(yīng)的 G是多少？,例題：,四、化學反應(yīng)自由能的變化和氧化-還原電勢的關(guān)系,任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池。 氧

8、化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢差產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標準電勢 (E0)，電池的標準電勢差可用下式計算： 0（ E0 ） = E0正極-E0負極 (P262-263),原電池示意圖,E0 = E0正極-E0負極=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V,負極反應(yīng): Zn=Zn2+2e- E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V,正極反應(yīng): Cu2+2e- = Cu E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V,Zn + Cu2+ =Zn2+ + Cu,Zn -還原劑 Cu2+ - 氧化劑,氧化反應(yīng),還原反應(yīng),氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標準電勢差的關(guān)系如下： G=nFE(

9、n-得失電子數(shù)，F(xiàn)-法拉第常數(shù)）,生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進行氧化-還原反應(yīng)時，基本原理 和原電池一樣。,法拉第常數(shù)：96485J/V.mol,若干物質(zhì)的氧化還原半反應(yīng)電位,例題：計算下反應(yīng)式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e- H2O E+ 0.82V 負極反應(yīng)： NADH NAD+H+2e- E- -0.3V G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,五、能量學用于生物化學反應(yīng)中的一些規(guī)定(P262),1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時， 水的濃度（近似的即活度）為1.0。 2、生物體標準狀況的

10、pH規(guī)定為7.0（物理化學中規(guī)定為pH0）。 3、 G是 pH為7.0時的標準狀況下的的標準自由能。 4、根據(jù)國際單位制，簡稱SI單位，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(J/mol)。,生物系統(tǒng)中的能流,第二節(jié) 高能化合物,一、高能化合物的類型 二、ATP的特點及其特殊作用,生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(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。,高能化合物類型,ATP的特點,在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩爾）。,ATP4- + H2O AD

11、P3- + Pi2- + H+ G -30.5kJmol-1,ATP在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用（p265-267）, ATP是細胞內(nèi)的“能量通貨” ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體,第三節(jié) 生成ATP的氧化體系,The oxidation system of making ATP,定義： 代謝物脫下的氫經(jīng)一定順序排列的氫遞體或電子 遞體，與O2 結(jié)合生成H2O的完整體系，也稱電子傳遞 鏈（electron transfer chain）。因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。,組 成：遞氫體、電子傳遞體,一、呼吸鏈（respiratory chain）,真核細胞中，呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜上

12、,1. 呼吸鏈的組成,四種酶復合體,復合體,酶名稱,復合體,復合體,復合體,復合體,NADH-泛醌還原酶,琥珀酸-泛醌還原酶,泛醌-細胞色素C還原酶,細胞色素C氧化酶,輔基,FMN，F(xiàn)e-S,FAD，F(xiàn)e-S,鐵卟啉，F(xiàn)e-S,鐵卟啉，Cu,氧化酶,2e,稱電子傳遞鏈或呼吸鏈，分NADH鏈和FADH2鏈。,H2O,1/2 O2,電子傳遞體,氫傳遞體,脫氫輔酶 -2H,MH2,輔酶Q,NADH-輔酶Q還原酶,細胞色素C還原酶,3復合體,細胞色素C,細胞色素氧化酶,4復合體,2e,間隙,呼吸鏈各復合體位置示意圖,(1)復合體 NADH-泛醌還原酶,功能: 將電子從NADH傳遞給泛醌 (ubiqui

13、none),NADH:還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (reduced nicotinamide adenine dinucleotide),組成：黃素蛋白(flavoprotein) 含F(xiàn)MN 鐵硫蛋白(iron-sulfur protein) 含鐵硫簇,FMN：黃素單核苷酸(flavin mononucleotide) 鐵硫簇(iron-sulofur cluster, Fe-S),NAD+,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,尼克酰胺/煙酰胺,FMN的遞氫作用,維生素B2,(半醌中間物),FMN,還原型FMN,泛醌的遞氫作用,(醌型),(半醌型),(還原型),唯一不與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合的傳遞體,Q,Q,鐵硫蛋

14、白,Fe2S2,Fe4S4,空間構(gòu)象,Fe,Fe3+e-Fe2+,復合體的功能,NADH-泛醌還原酶,(2)復合體 琥珀酸-泛醌還原酶,功能: 將電子從琥珀酸傳遞給泛醌,組成: 黃素蛋白，含F(xiàn)AD 鐵硫中心,琥珀酸,3-磷酸甘油,泛醌,脂酰CoA,延胡索酸,基質(zhì),間隙,3-磷酸甘油脫氫酶,脂酰CoA脫氫酶,(3)復合體 泛醌-細胞色素C還原酶,功能：將電子從泛醌傳遞給細胞色素C 組成：2種細胞色素（Cytb562 , b566） 細胞色素C1 鐵硫蛋白,細 胞 色 素,特 點：以鐵卟啉為輔基，催化電子傳遞，均有特殊吸收光譜而呈現(xiàn)顏色。 分 類：根據(jù)吸收光譜不同，參與呼吸鏈組成的細胞色素有Cyt

15、a、 Cytb、Cytc三類，每一類又因其最大吸收峰的細微差別再分為幾種亞類。,比如：復合體III含有兩種細胞色素b: Cytb562和b566,一類含鐵卟啉輔基的電子傳遞蛋白的總稱。,細胞色素還原酶,間隙,基質(zhì),復合物 I或 II,復合物 III,Q循環(huán)(P271),(4)復合體細胞色素C氧化酶,功能：將電子從細胞色素C傳遞給氧 組成：Cytaa3 (含2個鐵卟啉輔基和2個銅原子),基質(zhì),間隙,1.呼吸鏈的組成,1. 黃素蛋白酶類 （flavoproteins, FP） 2. 鐵-硫蛋白類 （ironsulfur proteins) 3. 輔酶 （ubiquinone,亦寫作CoQ） 4.

16、細胞色素類 （cytochromes）,NADH,輔 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黃素蛋白（FAD）,黃素蛋白（FMN）,細胞色素類,鐵硫蛋白（Fe-S）,鐵硫蛋白（Fe-S）,NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈,FADH2,Fe-S,琥珀酸等,復合物 II,復合物 IV,復合物 I,復合物 III,NADH-輔酶Q還原酶,輔酶Q-細胞色素C還原酶,細胞色素C氧化酶,琥珀酸-輔酶Q還原酶,2、電子傳遞鏈中各中間體的順序,琥珀酸,NADH鏈,FADH2鏈,1,Q,C,2,為什么是這樣一個順序呢？,Q,C,H2O,O2,延胡索酸,

17、FADH2,FAD,NADH+H+,NAD+,3,4,3,4,提問：原電池反應(yīng)中電子傳遞的方向是由什么 決定的？,答案：電極反應(yīng)的氧化還原電位E0。 （電子流動終點）正極反應(yīng)Eo 負極反應(yīng)Eo （電子流動起點）,O,H2O,呼吸鏈中傳遞體的順序確定,依據(jù)各傳遞體的氧化還原電勢和電子傳遞抑制劑的應(yīng)用 1.下面考查呼吸鏈的電位: NADHFMNCoQbc1caa3O2 -0.32-0.30+0.045+0.077+0.22 +0.25+0.29+0.35+0.816 (參見書P272）,呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降,FADH2,2e-,NADH,G=-69.5kJ/mol,G=-112kJ/mo

18、l,G= -2.9kJ/mol,ADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/mol,G=-36.7kJ/mol,魚藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素(piericidin A)、安密妥(amobarbital)等與復合體中的鐵硫蛋白結(jié)合 抗霉素A(antimycin A)、二巰基丙醇(dimercapto-propanol)抑制復合體中Cytb與Cytc1間的電子傳遞 CO、CN-、N3-及H2S抑制復合體,各種呼吸鏈抑制劑的作用位點,概念:阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞的物質(zhì)。,利用專一呼吸鏈抑制劑選擇性阻斷呼吸鏈中某個步驟，再測定各組分氧化-還原的狀態(tài)，可研究呼吸鏈組分的排列順序。,2. 呼吸

19、鏈抑制劑,魚藤酮 殺粉蝶菌素A 安密妥,抗霉素A 二巰基丙醇,CO、CN-、 N3-及H2S,參見 P272 圖10-13,小結(jié)： 電子傳遞鏈位于原核生物的質(zhì)膜上，真核生物中位于線粒體的內(nèi)膜上。 電子傳遞鏈主要包括黃素蛋白、輔酶Q（CoQ）、細胞色素b、c1、c、a,a3及一些鐵硫蛋白。 電子載體的標準勢能G o /是逐步下降的，電子沿著電勢升高的方向流動。其中有三個部位的勢能落差G較大，足以形成ATP（ADP磷酸化需要的自由能=30.5kJ/mol.）。這三個部位正好是氧化磷酸化部位。 細胞內(nèi)供能物質(zhì)的徹底氧化產(chǎn)物是CO2和H2O。其中CO2主要是在三羥酸循環(huán)中產(chǎn)生，水是在電子傳遞過程的最后

20、階段產(chǎn)生。,二、氧化磷酸化 (P272) (oxidative phosphorylation),定義：代謝物脫下的氫和電子經(jīng)呼吸鏈傳遞，逐步釋放能量使ADP磷酸化生成ATP的過程稱氧化磷酸化。,氧化磷酸化和電子傳遞是相偶聯(lián)的。,1、氧化磷酸化的偶聯(lián)機制,化學滲透假說(chemiosmotic hypothesis) 電子經(jīng)呼吸鏈傳遞時，釋放的能量可將質(zhì)子(H+)從 線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)泵到內(nèi)膜外側(cè)，產(chǎn)生膜內(nèi)外質(zhì)子電化學梯度（H+濃度梯度和跨膜電位差）。當質(zhì)子順濃度梯度回流時驅(qū)動ADP與Pi生成ATP 。（1961年提出）,線粒體結(jié)構(gòu)特點,化學滲透假說示意圖,H+,H+,H+,H+,NADH+H

21、+,H+,H+,H+,ADP+Pi,ATP,高質(zhì)子濃度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,質(zhì)子流,線粒體內(nèi)膜,外膜,內(nèi)膜,4H+,4H+,2H+,pH梯度,膜電勢,ATP合成由質(zhì)子動力所驅(qū)動,ATP合酶,F1(親水部分) 由3 3 組成 催化生成ATP F0(疏水部分) 由6個亞基組成質(zhì)子通道,質(zhì)子通道,膜間隙,基質(zhì),F1(親水部分),F0(疏水部分),ATP合酶的工作機制,催化亞單位的三種構(gòu)象： O 開放型 L 疏松型 T 緊密結(jié)合型,“結(jié)合變化機制”,2、磷氧比（ P/O ）,呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的

22、比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi ，因此P/O的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。,1. NADH-泛醌還原酶、泛醌-細胞色素C還原酶和細胞色素C氧化酶都具有質(zhì)子泵的功能，把基質(zhì)質(zhì)子泵到間隙。據(jù)當前最新測定，每對電子傳遞過程中，它們泵出質(zhì)子數(shù)為4、4和2。,2. 合成一個ATP分子由3個H+通過ATP合酶所驅(qū)動，多余的1個H+用于將ATP從基質(zhì)運往細胞質(zhì)。,4H+,4H+,2H+,NADH+H+,FADH2,1 分子NADH經(jīng)過電子傳遞，泵出質(zhì)子數(shù)為10分子H+，產(chǎn)生ATP數(shù)=10/4=2.5分子ATP 1分子FADH2經(jīng)過電子傳遞，泵出質(zhì)子數(shù)為6分子H+，產(chǎn)生ATP數(shù)=6/4=1.5分子ATP,三、影響氧化磷酸化的因素,呼吸鏈抑制劑:阻斷呼吸鏈中某些部位電子傳遞 魚藤酮(rotenone)、殺粉蝶菌素A(piericidin A)、安密妥(amobarbital) 抗霉素A(antimycin A)、二巰基丙醇(dimercapto-propanol) CO、CN-、N3-及H2S,1.氧化磷酸化抑制劑,解偶聯(lián)劑(