生物化學(xué)課件生物氧化

第八章代謝作用概論(gàilùn)主要內(nèi)容：重點(zhòngdiǎn)討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。第一頁，共65頁。1新陳代謝〔metabolism〕是生命最根本的特征之一，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)，通過一系列生物反響轉(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)過一系列的生化反響，分解為簡單成分重新(chóngxīn)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：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行第二頁，共65頁。2新陳代謝的概念(gàiniàn)及內(nèi)涵

小分子大分子合成代謝(dàixiè)〔同化作用〕需要能量

釋放能量分解代謝(dàixiè)〔異化作用〕大分子小分子物質(zhì)(wùzhì)代謝能量代謝新陳代謝信息交換第三頁，共65頁。3生物界能量傳遞(chuándì)及轉(zhuǎn)化總過程太陽電子傳遞合成(héchéng)分解(fēnjiě)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ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP〔光能〕〔電能〕〔化學(xué)能〕〔化學(xué)能〕〔電能〕〔化學(xué)能〕生物合成機械功主動運輸生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)熱第四頁，共65頁。4脂肪(zhīfáng)葡萄糖、其它(qítā)單糖三羧酸(suōsuān)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CoAe-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，其中一局部通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成根本結(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第五頁，共65頁。51、酶抑制劑的應(yīng)用2、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑(tújìng)3、氣體測量法4、同位素示蹤法二、中間(zhōngjiān)代謝第六頁，共65頁。6三、微生物代謝與發(fā)酵(fājiào)工程〔略〕第七頁，共65頁。7一、生物氧化的本質(zhì)(běnzhì)與特點〔P302〕在活的細(xì)胞中〔pH接近中性，體溫條件下〕，有機物的氧化在一系列酶,輔酶和中間傳遞(chuándì)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，其中一局部由一些高能化合物〔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。第二節(jié)生物(shēngwù)氧化第八頁，共65頁。8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(ránliào)分子氧化分解，這稱為無氧氧化。這些生物有的以有機物分子作為最終的氫受體(如厭氧發(fā)酵)，有的那么以無機物分子作為氫受體(如微生物中的化能自養(yǎng)菌對NO3-、SO42-的利用)。1.無氧氧化(yǎnghuà)二、有氧氧化(yǎnghuà)和無氧氧化(yǎnghuà)〔P303〕第九頁，共65頁。92.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(ránliào)分子完全氧化分解，這稱為有氧氧化。因為有氧氧化燃燒完全，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。第十頁，共65頁。10三、生物(shēngwù)氧化與生物(shēngwù)能〔一〕氧化復(fù)原(fùyuán)電勢第十一頁，共65頁。11

原電池示意圖ΔE0=E0正極(zhèngjí)-E0負(fù)極=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V負(fù)極(fùjí)反響:Zn=Zn2++2eE0Zn2+/Zn=-0.76V正極(zhèngjí)反響:Cu=Cu2++2eE0Cu2+/Cu=+0.34V第十二頁，共65頁。12第十三頁，共65頁。131、標(biāo)準(zhǔn)(biāozhǔn)氧化復(fù)原電勢第十四頁，共65頁。14

第十五頁，共65頁。15Nernst(能斯特)方程(fāngchéng)那么非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的可通過能斯特方程進(jìn)行(jìnxíng)計算：R為氣體(qìtǐ)常數(shù)，其值為·K-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2、非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧化復(fù)原電勢〔P305〕E’E0’[電子受體][電子供體]E’E0’[電子受體][電子供體]第十六頁，共65頁。16〔二〕自由(zìyóu)能的變化〔P306〕氧化(yǎnghuà)-復(fù)原反響自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：ΔG°′=－nFΔE°′例題(lìtí)：計算下反響式ΔG°′〔P306〕ΔG°′=-nFΔE°第十七頁，共65頁。17〔三〕高能(gāonéng)鍵和高能(gāonéng)化合物生化反響中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響中可釋放出大量自由能〔>21千焦/摩爾(móěr)〕的化合物稱為高能化合物。第十八頁，共65頁。181、高能(gāonéng)鍵和高能(gāonéng)化合物的概念第十九頁，共65頁。192、ATP在能量代謝中的作用(zuòyòng)在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式〔ATP4-〕，具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物(chǎnwù)穩(wěn)定，因而水解自由能很大〔ΔG°′=-30.5千焦/摩爾〕。腺嘌呤—核糖—O—P—O~P—O~P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+第二十頁，共65頁。20ATP+H2O＝ADP+Pi△G＝-30.5kJ/摩爾(móěr)ADP+H2O＝AMP+Pi△G＝-33.1kJ/摩爾(móěr)第二十一頁，共65頁。21ATP在能量轉(zhuǎn)運中地位(dìwèi)和作用★ATP是細(xì)胞內(nèi)的"能量通貨(tōnghuò)"★ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二十二頁，共65頁。22代謝物分解(fēnjiě)氧化CO2H2O能熱能(rènéng)〔散發(fā)〕化學(xué)能〔儲能(chǔnénɡ)〕ATPADPPiCC~P+能機械能〔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的生成和利用第二十三頁，共65頁。23四、生物(shēngwù)氧化酶類1、不需氧脫氫酶〔表8-3〕第二十四頁，共65頁。242、需氧脫氫酶和氧化酶第二十五頁，共65頁。25第三節(jié)生物(shēngwù)氧化體系一、生物氧化(yǎnghuà)體系的類型不需傳遞(chuándì)體的生物氧化體系需傳遞(chuándì)的生物氧化體系第二十六頁，共65頁。261、不需傳遞體體系∶ 是最簡單的生物(shēngwù)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∶

第二十七頁，共65頁。27 (見P310)氧化酶類∶ 它是含Cu++或Fe++的金屬蛋白，不能從底物(dǐwù)上脫氫，只能奪取底物(dǐwù)上的電子對(2e)，用于激活分子氧(O2)，從而促進(jìn)氧與底物(dǐwù)的化合。氰化物、硫化氫對氧化酶有抑制作用。

(1)氧化酶類催化的反響(fǎnxiǎng)模式∶第二十八頁，共65頁。28(2)需氧脫氫酶類催化的反響(fǎnxiǎng)模式∶ 第二十九頁，共65頁。29〔一〕呼吸(hūxī)鏈的概念〔P311〕二、呼吸(hūxī)鏈線粒體內(nèi)膜上一組排列有序的遞氫體和遞電子(diànzǐ)體〔酶與輔酶〕構(gòu)成的功能單位，也稱電子(diànzǐ)傳遞鏈。第三十頁，共65頁。30〔二〕呼吸(hūxī)鏈的組成四種(sìzhǒnɡ)具有傳遞電子功能的酶復(fù)合體(合成物)*泛醌和Cytc均不包含(bāohán)在上述四種復(fù)合體中。復(fù)合體酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌復(fù)原酶琥珀酸-泛醌復(fù)原酶泛醌-細(xì)胞色素C復(fù)原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-S，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)41113復(fù)合體酶名稱復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體ⅣNADH-泛醌復(fù)原酶琥珀酸-泛醌復(fù)原酶泛醌-細(xì)胞色素C復(fù)原酶細(xì)胞色素c氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，Cu多肽鏈數(shù)42413第三十一頁，共65頁。31線粒體呼吸(hūxī)鏈復(fù)合體FMN,Fe-S復(fù)合體ⅠFAD,Fe-S,Cytb復(fù)合體ⅡCytb,Fe-S,Cytc1復(fù)合體ⅢCytaa3,Cu復(fù)合體Ⅳ第三十二頁，共65頁。32ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側(cè)基質(zhì)(jīzhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-第三十三頁，共65頁。33呼吸鏈主要(zhǔyào)成分和作用遞氫體遞電子(diànzǐ)體煙酰胺〔NAD+,NADP+〕黃素(huánɡsù)蛋白(flavoprotein)〔FMN,FAD〕鐵硫蛋白〔Fe-S〕泛醌(Ubiquinone)〔CoQ〕細(xì)胞色素類(Cytochrome)〔Cyt〕第三十四頁，共65頁。34煙酰胺核苷酸類〔NAD+,NADP+〕遞氫體第三十五頁，共65頁。35黃素(huánɡsù)蛋白(flavoprotein)類〔FMN,FAD〕遞氫體第三十六頁，共65頁。36鐵硫蛋白(dànbái)Fe2+Fe3++電子(diànzǐ)傳遞電子(diànzǐ)方式：遞電子體第三十七頁，共65頁。37泛醌〔CoQ〕(Ubiquinone)遞氫體第三十八頁，共65頁。38細(xì)胞(xìbāo)色素(Cytochrome)類Cytb，Cytc1，Cytc,Cytaa3組成(zǔchénɡ)呼吸鏈的細(xì)胞色素:細(xì)胞(xìbāo)色素氧化酶Fe2+Fe3++電子遞電子體第三十九頁，共65頁。39NNNNFe3+H3C--CH3-CH-CH3CH3CH2CH2COO-CH2CH2COO-H3C-

CysSH3C-CH

CysS蛋白質(zhì)細(xì)胞(xìbāo)色素c輔基第四十頁，共65頁。40細(xì)胞色素系統(tǒng)(xìtǒng)傳遞電子的過程2Fe2+2Fe3+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+2Fe3+2Fe2+1/2O2O2-H2O2H+2e2e2e2e2ebc1cCu2+aa3,第四十一頁，共65頁。41〔三〕呼吸鏈主要成分的排列(páiliè)順序NADH氧化(yǎnghuà)呼吸鏈琥珀酸氧化(yǎnghuà)呼吸鏈〔FADH2氧化(yǎnghuà)呼吸鏈〕體內(nèi)(tǐnèi)的兩條呼吸鏈：〔P315〕第四十二頁，共65頁。421.NADH氧化(yǎnghuà)呼吸鏈NADH→復(fù)合體Ⅰ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化(yǎnghuà)呼吸鏈琥珀酸→復(fù)合體Ⅱ→Q→復(fù)合體Ⅲ→Cytc→復(fù)合體Ⅳ→O2第四十三頁，共65頁。43NADH氧化(yǎnghuà)呼吸鏈FADH2氧化(yǎnghuà)呼吸鏈第四十四頁，共65頁。44呼吸鏈中電子傳遞時自由(zìyóu)能的下降FADH22個電子(diànzǐ)NADH第四十五頁，共65頁。45三、細(xì)胞質(zhì)中的NADH的氧化(yǎnghuà)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)運機制進(jìn)入線粒體1、磷酸二羥丙酮-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)〔神經(jīng)(shénjīng)組織和骨骼肌〕2、蘋果酸-天冬氨酸穿梭作用〔肝和心肌〕酵解（細(xì)胞質(zhì)）氧化磷酸化

（線粒體）第四十六頁，共65頁。46磷酸二羥丙酮(bǐnɡtónɡ)-磷酸甘油穿梭機制示意圖1.5ATP2Hα-磷酸甘油穿梭(chuānsuō)1.5ATP神經(jīng)(shénjīng)組織和骨骼肌第四十七頁，共65頁。47蘋果酸—天冬氨酸穿梭(chuānsuō)系統(tǒng)2.5ATP2H蘋果酸-天冬氨酸穿梭(chuānsuō)2.5ATP肝和心肌(xīnjī)第四十八頁，共65頁。48第四節(jié)氧化(yǎnghuà)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局部轉(zhuǎn)移到ATP分子中形成(xíngchéng)高能磷酸鍵的過程P320)。。ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能第四十九頁，共65頁。49一、ATP的生成(shēnɡchénɡ)類別：底物(dǐwù)水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化第五十頁，共65頁。50二、電子傳遞過程中自由(zìyóu)能的變化呼吸鏈中電子傳遞時自由(zìyóu)能的下降第五十一頁，共65頁。51第五十二頁，共65頁。52三、氧化(yǎnghuà)磷酸化的偶聯(lián)機理

1、線粒體ATP合酶〔mitochondrialATPase〕2、能量偶聯(lián)假說(jiǎshuō)1953年EdwardSlater化學(xué)偶聯(lián)假說(jiǎshuō)1964年P(guān)aulBoyer構(gòu)象偶聯(lián)假說(jiǎshuō)1961年P(guān)eterMitchell化學(xué)滲透假說(jiǎshuō)3、質(zhì)子梯度的形成4、ATP合成(héchéng)的機制1978年獲諾貝爾化學(xué)獎第五十三頁，共65頁。531、線粒體ATP合酶〔P324〕

氧化(yǎnghuà)磷酸化重建示意圖第五十四頁，共65頁。54內(nèi)膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基質(zhì)膜間隙電子傳遞鏈2,化學(xué)(huàxué)滲透假說(chemiosmotichypothasis)電子傳遞的自由能驅(qū)動H+從線粒體基質(zhì)跨過內(nèi)膜進(jìn)入(jìnrù)到膜間隙，從而形成H+跨線粒體內(nèi)膜的電化學(xué)梯度，這個梯度的電化學(xué)勢(ΔH+)驅(qū)動ATP的合成。第五十五頁，共65頁。55化學(xué)(huàxué)滲透假說原理示意圖4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質(zhì)子(zhìzǐ)濃度H2O2個電子(diànzǐ)+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

第五十六頁，共65頁。56Boyer和Walker的工作(gōngzuò)

英國科學(xué)家Walker通過x光衍射獲得高分辯率的牛心(niúxīn)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β亞基確實有不同構(gòu)象，從而有力地支持了Boyer的假說。Boyer和Walker共同(gòngtóng)獲得1997年諾貝爾化學(xué)獎。

美國科學(xué)家Boyer為解釋ATP酶作用機理,提出旋轉(zhuǎn)催化假說，認(rèn)為ATP合成酶β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β亞基依次進(jìn)行上述三種構(gòu)象的交替變化，所需能量由跨膜