第六章生物氧化和生物能

第八節(jié)維生素與輔酶酶蛋白(apoenzyme)：多肽輔助因子(cofactor)金屬離子輔酶輔基全酶(holoenzyme)結(jié)合酶的分子組成輔酶/輔基大多數(shù)是由維生素參與構(gòu)成的小分子化合物一、維生素定義：維生素〔F.G.Hopkins〕是機(jī)體〔動(dòng)物、植物和微生物〕維持正常生命活動(dòng)所必不可少的一類小分子有機(jī)化合物。分類：習(xí)慣分為脂溶性和水溶性兩大類。脂溶性維生素在體內(nèi)可直接參與代謝的調(diào)理，而水溶性維生素是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變成輔酶對(duì)代謝起調(diào)理作用。二、水溶性維生素：B族、維生素C和硫辛酸嘧啶環(huán)噻唑環(huán)1、硫胺素(維生素B1)在體內(nèi)以焦磷酸硫胺素(TPP)方式存在。TPP催化丙酮酸或α–酮戊二酸的氧化脫羧反響，所以又稱為脫羧輔酶。TPP缺乏時(shí)表現(xiàn)出多發(fā)性神經(jīng)炎、皮膚麻木、心力衰竭、四肢無(wú)力、下肢水腫。ATPFMN(黃素單核苷酸)和FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸)是核黃素(維生素B2)的衍生物。2、核黃素(維生素B2)缺乏時(shí)主要病癥為口腔發(fā)炎，舌炎、角膜炎、皮炎等。它們?cè)诿摎涿复呋难趸?復(fù)原反響中，起著電子和質(zhì)子的傳送體作用。3、輔酶A是生物體內(nèi)代謝反響中乙酰化酶的輔酶，它是含泛酸的復(fù)合核苷酸。它的重要生理功能是傳送?；?，是構(gòu)成代謝中間產(chǎn)物的重要輔酶。巰基乙胺泛酸尼克酸尼克酰胺4、VppNAD+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，又稱為輔酶I)和NADP+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,又稱為輔酶II)是維生素?zé)燉０返难苌锼鼈兪嵌喾N重要脫氫酶的輔酶，在代謝中傳送氫和電子。缺乏時(shí)表現(xiàn)出神運(yùn)營(yíng)養(yǎng)妨礙，出現(xiàn)皮炎。5、維生素B6抗皮炎維生素包括吡哆醇、吡哆醛和吡哆胺。維生素B6在體內(nèi)經(jīng)磷酸化作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的磷酸脂，參與代謝的主要的是磷酸吡哆醛和磷酸吡哆胺。磷酸吡哆醛是轉(zhuǎn)氨酶、脫羧酶和消旋酶的輔酶。6、生物素是維生素B7，它是多種羧化酶的輔酶。生物素的功能是作為CO2的遞體，在生物合成中起傳送和固定CO2的作用。7、維生素B11又稱葉酸，作為輔酶的是葉酸加氫的復(fù)原產(chǎn)物四氫葉酸(FH4或THF)。四氫葉酸的主要作用是作為一碳基團(tuán)，如-CH3,-CH2-,-CHO等的載體，參與多種生物合成過(guò)程。8、維生素B12的主要功能是作為變位酶的輔酶，催化底物分子內(nèi)基團(tuán)(主要為甲基)的變位反響。9、維生素C在體內(nèi)參與氧化復(fù)原反響、羥化反響，是一種很好的復(fù)原劑。人體不能合成。10、硫辛酸有兩種方式：氧化型和復(fù)原型,是丙酮酸脫氫酶和α－酮戊二酸脫氫酶的輔基，在轉(zhuǎn)?；衅鹱饔?。氧化型硫辛酸復(fù)原型硫辛酸三、酯溶性維生素1、維生素A分A1,A2兩種，是不飽和一元醇類。動(dòng)物不能合成，綠色蔬菜如胡蘿卜和動(dòng)物肝臟、奶制品、魚肝油〕視黃醇脫氫視黃醇2、維生素D是固醇類化合物，主要有D2，D3，D4，D5。其中D2，D3活性最高。維生素D原羥化后參與Ca2+的運(yùn)輸和吸收4、VitaminK凝血維生素3、VitaminE又叫生育酚，目前發(fā)現(xiàn)的有6種，其中，，，四種有生理活性。VE為強(qiáng)抗氧化劑與血液凝固有關(guān)問(wèn)答題1、影響酶促反響的要素有哪些？它們是如何影響的？2、試比較酶的競(jìng)爭(zhēng)性抑制造用與非競(jìng)爭(zhēng)性抑制造用的異同。3、什么是米氏方程，米氏常數(shù)Km的意義是什么？試求酶反響速度到達(dá)最大反響速度的99％時(shí)，所需求的底物濃度〔用Km表示〕4、什麼是同工酶？為什麼可以用電泳法對(duì)同工酶進(jìn)展分別？同工酶在科學(xué)研討和實(shí)際中有何運(yùn)用？5、稱取25毫克某蛋白酶制劑配成25毫升溶液，取出1毫升該酶液以酪蛋白為底物,用Folin-酚比色法測(cè)定酶活力,得知每小時(shí)產(chǎn)生1500微克酪氨酸。另取2毫升酶液，用凱式定氮法測(cè)得蛋白氮為0.2毫克。假設(shè)以每分鐘產(chǎn)生1微克酪氨酸的酶量為一個(gè)活力單位計(jì)算，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，求出〔1〕1毫升酶液中含有的蛋白質(zhì)和酶活力單位數(shù)；〔2〕該酶制劑的比活力；〔3〕1克酶制劑的總蛋白含量和酶活力單位數(shù)。名詞解釋活性中心全酶酶原活力單位比活力米氏方程Km誘導(dǎo)契合變構(gòu)效應(yīng)ribozyme輔酶和輔基第四章生物氧化BiologicalOxidation目錄第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)電子傳送鏈(呼吸鏈〕第三節(jié)氧化磷酸化第四節(jié)其他末端氧化酶系統(tǒng)(自學(xué))一、生物氧化的概念〔一〕糖類、脂肪、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)在細(xì)胞中進(jìn)展氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過(guò)程稱為生物氧化〔biologicaloxidation〕。又稱“細(xì)胞氧化〞或“細(xì)胞呼吸〞。第一節(jié)生物氧化概述攝氧產(chǎn)生H2O+CO2產(chǎn)能〔ATP+熱能〕〔二〕、生物氧化的特點(diǎn)1、氧化進(jìn)展過(guò)程中，必然伴隨生物復(fù)原反響的發(fā)生。2、生物氧化是在生物細(xì)胞內(nèi)進(jìn)展的酶促氧化過(guò)程，反響條件溫暖〔水溶液，pH7和常溫〕。3、水是許多生物氧化反響的氧供體。經(jīng)過(guò)加水脫氫作用直接參予了氧化反響。4、在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進(jìn)展的。氧化過(guò)程中脫下來(lái)的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳送到氧并生成水。5、生物氧化是一個(gè)分步進(jìn)展的過(guò)程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反響的產(chǎn)物都可以分別出來(lái)。這種逐漸進(jìn)展的反響方式有利于在溫暖的條件下釋放能量，提高能量利用率。6、生物氧化釋放的能量，經(jīng)過(guò)與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體可以直接利用的生物能ATP。7、進(jìn)展生物氧化反響的部位〔1〕線粒體〔2〕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、微粒體、過(guò)氧化氫體等〔三〕、生物氧化中CO2和H2O的產(chǎn)生方式：糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物經(jīng)一系列脫氫、加水反響，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：直接脫羧和氧化脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2RCO2的生成在各種脫氫反響中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種方式進(jìn)展氧化的。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，再經(jīng)過(guò)一系列遞氫體或遞電子體傳送給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脫氫酶1\2O2NAD+電子傳送鏈H2O2eO=2H+H2O的生成二、生物化學(xué)反響的自在能變化1、自在能〔freeenergy〕的概念定義式：ΔＧ=ΔH-TΔS物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*(恒溫恒壓下，體系中能對(duì)環(huán)境作功的那部分能量稱為自在能，又稱Gibbs自在能，用G表示)。自在能的變化預(yù)示某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)展，即：ΔG<0，放能，反響能自發(fā)進(jìn)展ΔG>0，吸能，反響不能自發(fā)進(jìn)展ΔG=0，反響處于平衡形狀。ΔG僅決議反響物與產(chǎn)物的自在能

2、化學(xué)反響自在能的計(jì)算a.利用化學(xué)反響平衡常數(shù)計(jì)算根本公式：ΔG=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)到達(dá)平衡時(shí)，ΔG=0：ΔG°′=-RTlnK’ΔG°′=-2.303RTlgK’

計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反響的自在能變化

達(dá)平衡時(shí)=K’=19解：ΔG°′=-RTlnK’=-2.3038.314〔298＋38-25)lg19=-7.6KJ/molΔG=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.6+2.3038.314〔298＋38-25)lg0.1=-13.6KJ/mol未達(dá)平衡時(shí)=Qc=0.1反響G-1-PG-6-P在380C到達(dá)平衡時(shí)，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0’。假設(shè)反響未到達(dá)平衡，設(shè)[G-1-P]=0.01mol/L，[G-6-P]=0.001mol/L，反響向哪個(gè)方向進(jìn)展？例題：

b.利用規(guī)范氧化復(fù)原電位〔E°〕計(jì)算〔限于氧化復(fù)原反響〕根本公式：ΔE°′=E+°′-E-°′c.氧化復(fù)原電位與自在能之間的關(guān)系

ΔG°′=-nFΔE°′F=96.5KJ/V·mol例：判別下反響能否自發(fā)進(jìn)展？

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O正極反響：1/2O2+2H++2eH2O，E+°′0.82V負(fù)極反響：NAD++H++2eNADH，E-°′-0.32V解：ΔG°′-nFΔE°′

-2×96.5×[0.82-(-0.32)]-220KJ·mol-1因此，反響能自發(fā)進(jìn)展三、高能磷酸化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中起者重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過(guò)程中都可以釋放出自在能。普通將水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移時(shí)可以釋放21kJ/mol〔5千卡/mol)以上自在能〔G’<-21kJ/mol〕的化合物稱為高能化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性分成以下幾種類型。(一〕、生物體內(nèi)的高能化合物1、磷氧鍵型〔-O～P)(1)?；姿峄衔镆阴Ａ姿?42.3KJ/mol〔2〕焦磷酸化合物ATP〔三磷酸腺苷〕焦磷酸30.5KJ/mol〔3〕烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸－61.9KJ/mol2、磷氮鍵型磷酸肌酸-43.1KJ/mol3、硫酯鍵型?；o酶A-31.4KJ/mol4、甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸(SAM)-41.8KJ/mol〔二〕、ATP是生物細(xì)胞中最重要的高能磷酸化合物在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)電荷的離子方式〔ATP4-〕，具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因此水解自在能很大〔ΔG°′=-30.5千焦/摩爾〕。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?mol-1ADP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?mol-1ATP的特殊作用

★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

～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)貯藏物〕6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二節(jié)電子傳送鏈(呼吸鏈〕一、線粒體細(xì)胞內(nèi)的線粒體是生物氧化和氧化磷酸化的主要場(chǎng)所，電子傳送鏈?zhǔn)怯蛇f氫體或遞電子體按對(duì)電子的親和力逐漸升高的順序陳列組成的電子傳送體系。由遞氫體或遞電子體在線粒體內(nèi)膜上按對(duì)電子的親和力逐漸升高的順序陳列組成的電子傳送體系，由于它與細(xì)胞攝取氧的呼吸過(guò)程相關(guān)，稱為呼吸鏈〔electrontransferchain，ETC〕。二、電子傳送鏈〔一〕、呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類〔flavoprotein,FP〕2.鐵-硫蛋白類〔iron—sulfurprotein)3.泛醌或輔酶Ｑ〔ubiquinone,亦寫作CoQ〕4.細(xì)胞色素類〔cytochromes〕1、黃素蛋白酶類特點(diǎn)：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細(xì)胞膜組成蛋白類別：NADH脫氫酶琥珀酸脫氫酶遞氫機(jī)理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H22、鐵硫蛋白的構(gòu)造及遞電子機(jī)理4Fe4S2-4Cys傳送電子機(jī)理：Fe3+Fe2+-e+e特點(diǎn)：含有Fe和對(duì)酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾存在，構(gòu)成Fe—S中心〔Fe2S2,Fe4S4)，F(xiàn)e與蛋白質(zhì)中的4個(gè)Cys殘基的巰基相連結(jié)。2Fe2S2-4Cys3、CoQ的構(gòu)造和遞氫原理CoQ+2HCoQH2特點(diǎn)：帶有聚異戊二烯側(cè)鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自在泳動(dòng)。

傳送氫的機(jī)理：4、細(xì)胞色素

傳送電子機(jī)理：+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e特點(diǎn)：以血紅素〔主要成份為鐵卟啉〕為輔基類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種〔b、c、c1、a和a3)，a和a3以復(fù)合物存在，稱細(xì)胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu，可將電子傳送給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。線粒體呼吸鏈復(fù)合體復(fù)合體Ⅰ復(fù)合體Ⅱ復(fù)合體Ⅲ復(fù)合體Ⅳ酶稱號(hào)NADH-Q復(fù)原酶琥珀酸-Q復(fù)原酶Q-CytC復(fù)原酶CytC氧化酶輔基FMN，F(xiàn)e-SFAD，F(xiàn)e-S，Cytb560鐵卟啉，F(xiàn)e-S鐵卟啉，CuNADH輔酶Q〔CoQ〕Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白〔FAD〕黃素蛋白〔FMN〕細(xì)胞色素類鐵硫蛋白〔Fe-S〕鐵硫蛋白〔Fe-S〕(二〕線粒體呼吸鏈的陳列順序根據(jù)氧還電位E0’的高低eEO’〔小〕EO’〔大〕根據(jù)電子傳送體氧化復(fù)原形狀的吸收光譜變化進(jìn)展檢測(cè)上游復(fù)原態(tài)，下游氧化態(tài)利用抑制劑研討分析四種復(fù)合物的電子傳送再造實(shí)驗(yàn)體內(nèi)主要呼吸鏈1、NADH氧化呼吸鏈2、FADH氧化呼吸鏈〔琥珀酸氧化呼吸鏈〕NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2復(fù)原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+細(xì)胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸電子傳送抑制劑:能阻斷呼吸鏈中某些部位的電子傳送的物質(zhì)三、電子傳送抑制劑NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸復(fù)合物II復(fù)合物IV復(fù)合物I復(fù)合物III抗霉素A氰化物CO魚藤酮安密妥殺粉蝶霉素AH2S、N3第三節(jié)氧化磷酸化一、氧化磷酸化的概念及類型

概念:生物氧化的釋能反響與ADP的磷酸化反響偶結(jié)合成ATP的過(guò)程，稱為氧化磷酸化(Oxidativephosphorylation〕。類別：底物程度磷酸化:高能化合物經(jīng)過(guò)酶促磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反響直接轉(zhuǎn)給ADP偶聯(lián)生成ATP。X～P＋ADP＝XH＋ATP電子傳送磷酸化(氧化磷酸化)，是需氧生物合成ATP的主要方式二、氧化磷酸化的偶聯(lián)部位FMNH2QCytbCytc1Cytaa3O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL這三個(gè)反響分別與ADP的磷酸化反響偶聯(lián)，產(chǎn)生3個(gè)ATP。這些反響稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。〔一〕、呼吸鏈中電子傳送時(shí)自在能的下降FADH22e-NADH呼吸鏈電子傳送過(guò)程中自在能變化總反響:NADH+H++3ADP＋3Pi＋1/2O2→NAD++4H2O＋3ATP放能反響：NADH+H＋1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07KJ·mol-1合成ATP的吸能反響：3ADP＋3Pi→3H2O＋3ATPΔG°′=3X30.5KJ/mol=91.5KJ/mol貯能效率＝91.5/220.07X100%=41.6%總反響:FADH2+2ADP+2Pi+1/2O2→FAD+3H2O+2ATP

放能：G°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0KJ·mol-1吸能：2X30.5KJ·mol-1＝61KJ·mol-1貯能效率＝61/193X100%=33.7%FADH2呼吸鏈電子傳送過(guò)程中自在能變化〔二〕、測(cè)定P/O比磷氧比指呼吸過(guò)程中每耗費(fèi)一個(gè)氧原子所生成的ATP分子數(shù)。每傳送一對(duì)電子耗費(fèi)一個(gè)氧原子，因此P/O比相當(dāng)于一對(duì)電子經(jīng)呼吸鏈傳送至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2H2OH2O例實(shí)測(cè)得NADH呼吸鏈：P/O~3ADP+PiATP實(shí)測(cè)得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPO2122.51.5三、氧化磷酸化的機(jī)理〔一〕ATP合酶F1含有5種不同的亞基〔33〕F0為一個(gè)疏水蛋白，含有質(zhì)子通道OSCP為一個(gè)蛋白，調(diào)控F1－F0。〔二〕、化學(xué)浸透學(xué)說(shuō)化學(xué)浸透假說(shuō)的要點(diǎn)：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳送鏈?zhǔn)且粋€(gè)質(zhì)子泵；b.在電子傳送鏈中，電子由高能形狀傳送到低能形狀時(shí)釋放出來(lái)的能量，用于驅(qū)動(dòng)膜內(nèi)側(cè)的H+遷移到膜外側(cè)，線粒體內(nèi)膜對(duì)H+是不通透的，這樣，在膜的內(nèi)側(cè)與外側(cè)就產(chǎn)生了跨膜質(zhì)子梯度(pH)和電位梯度〔〕；c.在膜內(nèi)外勢(shì)能差〔pH和〕的驅(qū)動(dòng)下，膜外高能質(zhì)子沿著一個(gè)特殊通道〔ATP酶的組成部分〕，跨膜回到膜內(nèi)側(cè)。質(zhì)子跨膜過(guò)程中釋放的能量，直接驅(qū)動(dòng)ADP和磷酸合成ATP?；瘜W(xué)浸透假說(shuō)表示圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+ADP+PiATP高質(zhì)子濃度H2O2e-2e-2e-+++++++++__________質(zhì)子流線粒體內(nèi)膜F0-F1寡霉素ATPase的旋轉(zhuǎn)催化模型

III

IVIII定子轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)催化實(shí)際以為質(zhì)子流經(jīng)過(guò)Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一同轉(zhuǎn)動(dòng),這種旋轉(zhuǎn)配置/亞基之間的不對(duì)稱的相互作用,引起催化位點(diǎn)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變,亞基的中心-螺旋被以為是轉(zhuǎn)子,亞基I和II與亞基組合在一同組成定子,它壓住/異質(zhì)六聚體.腺苷酸載體----ATP-ADP轉(zhuǎn)位酶〔三〕、腺苷酸的轉(zhuǎn)運(yùn)四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制解偶聯(lián)劑〔uncoupler)氧化磷酸化抑制劑離子載體抑制劑(ionophore)1、解偶聯(lián)劑〔uncoupler〕使電子傳送與ADP磷酸化分別，只抑制ATP的構(gòu)成，而不抑制電子傳送[例1]2,4-二硝基苯酚〔dinitrophenol,DNP〕:酸性條件下為脂溶性物質(zhì)，自在經(jīng)過(guò)線粒體膜，將膜內(nèi)H+帶進(jìn)基質(zhì),破壞了H+梯度.

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