生物氧化生物能詳解演示文稿

生物氧化生物能詳解演示文稿當前1頁，總共61頁。優(yōu)選生物氧化生物能當前2頁，總共61頁。6.1生物氧化的方式和特點6.1.1生物氧化的方式生物氧化是在一系列氧化-還原酶催化下分步進行的。每一步反應，都由特定的酶催化。在生物氧化過程中，主要包括如下幾種氧化方式。當前3頁，總共61頁。1．脫氫氧化反應（1）脫氫在生物氧化中，脫氫反應占有重要地位。它是許多有機物質(zhì)生物氧化的重要步驟。催化脫氫反應的是各種類型的脫氫酶。當前4頁，總共61頁。烷基脂肪酸脫氫琥珀酸脫氫琥珀酸脫氫酶琥珀酸延胡索酸當前5頁，總共61頁。醇脫氫成醛酮乳酸脫氫酶乳酸脫氫酶乳酸丙酮酸當前6頁，總共61頁。（2）加水脫氫酶催化的醛氧化成酸的反應即屬于這一類。當前7頁，總共61頁。2．氧直接參加的氧化反應這類反應包括：加氧酶催化的加氧反應和氧化酶催化的生成水的反應。加氧酶能夠催化氧分子直接加入到有機分子中。例如，

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O甲烷單加氧酶當前8頁，總共61頁。氧化酶主要催化以氧分子為電子受體的氧化反應，反應產(chǎn)物為水。在各種脫氫反應中產(chǎn)生的氫質(zhì)子和電子，最后都是以這種形式進行氧化的。當前9頁，總共61頁。3．生成二氧化碳的氧化反應（1）直接脫羧作用氧化代謝的中間產(chǎn)物羧酸在脫羧酶的催化下，直接從分子中脫去羧基。例如丙酮酸的脫羧。當前10頁，總共61頁。（2）氧化脫羧作用氧化代謝中產(chǎn)生的有機羧酸,在氧化脫羧酶系的催化下，在脫羧的同時，也發(fā)生氧化（脫氫）作用。例如蘋果酸的氧化脫羧生成丙酮酸。蘋果酸丙酮酸當前11頁，總共61頁。6.1.2生物氧化的特點1，生物氧化是在生物細胞內(nèi)進行的酶促氧化過程，反應條件溫和（水溶液，pH7和常溫）。2，氧化進行過程中，必然伴隨生物還原反應的發(fā)生。3，水是許多生物氧化反應的氧供體。通過加水脫氫作用直接參予了氧化反應。4，在生物氧化中，碳的氧化和氫的氧化是非同步進行的。氧化過程中脫下來的氫質(zhì)子和電子，通常由各種載體，如NADH等傳遞到氧并生成水。當前12頁，總共61頁。5，生物氧化是一個分步進行的過程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反應的產(chǎn)物都可以分離出來。這種逐步進行的反應模式有利于在溫和的條件下釋放能量，提高能量利用率。6，生物氧化釋放的能量，通過與ATP合成相偶聯(lián)，轉(zhuǎn)換成生物體能夠直接利用的生物能ATP。當前13頁，總共61頁。6.2生物能及其存在形式6.2.1生物能和ATP1.ATP是生物能存在的主要形式ATP是能夠被生物細胞直接利用的能量形式。光合磷酸化：光能通過光合作用轉(zhuǎn)變成ATP氧化磷酸化：化學能通過生物氧化轉(zhuǎn)變成ATP生物能的化學本質(zhì)是存儲于ATP分子高能磷酸鍵中的化學能當前14頁，總共61頁。ATP的特點是一種瞬時自由能供體。一經(jīng)生成，立馬通過水解或磷?；磻蚋鞣N需能活動提供能量，而本身則變成ADP或AMPATP、ADP、Pi在細胞內(nèi)始終處于動態(tài)平衡狀態(tài)ATP和ADP的循環(huán)速率非?？飚斍?5頁，總共61頁。2.生物化學反應的自由能變化生物化學反應與普通的化學反應一樣,也服從熱力學的規(guī)律。?G?’=+14kJ/mol?G?’?G?’=-31kJ/mol=-17kJ/mol當前16頁，總共61頁。6.2.2生物體系中的高能磷酸酯類化合物磷酸酯類化合物在生物體的能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要作用。許多磷酸酯類化合物在水解過程中都能夠釋放出自由能。一般將水解時能夠釋放21kJ/mol(5千卡/mol)以上自由能(?G?’<-21kJ/mol)的化合物稱為高能化合物。ATP是生物細胞中最重要的高能磷酸酯類化合物。根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。當前17頁，總共61頁。

1,磷氧鍵型（—O~P)(1)酰基磷酸化合物1,3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾當前18頁，總共61頁。(1)?；姿峄衔锇奔柞Ａ姿狨；佘账岚滨；佘账岙斍?9頁，總共61頁。（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾當前20頁，總共61頁。（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾當前21頁，總共61頁。2,氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。當前22頁，總共61頁。3,硫酯鍵型5‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A當前23頁，總共61頁。4,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸當前24頁，總共61頁。6.3線粒體呼吸鏈和ATP合成

細胞內(nèi)的線粒體是生物氧化的主要場所，主要功能是將代謝物脫下的氫通過多種酶及輔酶所組成的電子傳遞體系的傳遞，最終與氧結(jié)合生成水。由供氫體、傳遞體、受氫體以及相應的酶催化系統(tǒng)組成的這種代謝途徑一般稱為生物氧化還原鏈，當受氫體是氧時，稱為呼吸鏈。釋放的能量用來合成ATP。

當前25頁，總共61頁。6.3.1線粒體膜的結(jié)構(gòu)特點外膜：平滑有彈性。含脂質(zhì)較多，含酶蛋白較少。內(nèi)膜：向內(nèi)折疊突起，稱為嵴。分布的酶和蛋白質(zhì)很多，ATP合成電子傳遞過程在內(nèi)膜上進行?；|(zhì)：內(nèi)膜內(nèi)含有的膠體狀物質(zhì)。富含酶和蛋白質(zhì)，還有DNA、RNA和核糖體。糖的有氧分解在基質(zhì)中進行。當前26頁，總共61頁。分布在內(nèi)膜上。由四種酶蛋白復合物組成，以超分子的形式存在。6.3.2線粒體呼吸鏈的組成當前27頁，總共61頁。NADH-輔酶Q氧化還原酶復合體

輔酶Q-細胞色素C氧化還原酶復合體細胞色素C氧化酶復合體

琥珀酸-輔酶Q氧化還原酶復合體當前28頁，總共61頁。線粒體呼吸鏈當前29頁，總共61頁。NADH：還原型輔酶它是由NAD+接受多種代謝產(chǎn)物脫氫得到的產(chǎn)物。NADH所攜帶的高能電子是線粒體呼吸鏈主要電子供體之一。當前30頁，總共61頁。當前31頁，總共61頁。鐵硫蛋白鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關的蛋白質(zhì)，是NADHQ還原酶的活性部位，與其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復合物形式存在。當前32頁，總共61頁。鐵硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有兩個活潑的無機硫和兩個鐵原子。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+變化起傳遞電子的作用當前33頁，總共61頁。NADH泛醌還原酶簡寫為NADHQ還原酶,即復合物I，它的作用是催化NADH的氧化脫氫以及Q的還原。所以它既是一種脫氫酶，也是一種還原酶。NADHQ還原酶最少含有16個多肽亞基。它的活性部分含有輔基FMN和鐵硫蛋白。FMN的作用是接受脫氫酶脫下來的電子和質(zhì)子，形成還原型FMNH2。還原型FMNH2可以進一步將電子轉(zhuǎn)移給Q。

NADHQ還原酶NADH+Q+H+=========NAD++QH2當前34頁，總共61頁。NADH泛醌還原酶當前35頁，總共61頁。當前36頁，總共61頁。泛醌（簡寫為Q）或輔酶-Q（CoQ）：它是電子傳遞鏈中唯一的非蛋白電子載體。為一種脂溶性醌類化合物。當前37頁，總共61頁。輔酶-Q的功能Q(醌型結(jié)構(gòu))很容易接受電子和質(zhì)子，還原成QH2（還原型）；QH2也容易給出電子和質(zhì)子，重新氧化成Q。因此，它在線粒體呼吸鏈中作為電子和質(zhì)子的傳遞體。當前38頁，總共61頁。泛醌細胞色素c還原酶簡寫為QH2-cyt.c還原酶,即復合物III,它是線粒體內(nèi)膜上的一種跨膜蛋白復合物，其作用是催化還原型QH2的氧化和細胞色素c（cyt.c）的還原。

QH2-cyt.c還原酶QH2+2cyt.c(Fe3+)====Q+2cyt.c(Fe2+)+2H+QH2-cyt.c還原酶由9個多肽亞基組成。活性部分主要包括細胞色素b和c1，以及鐵硫蛋白（2Fe-2S）。當前39頁，總共61頁。當前40頁，總共61頁。細胞色素(簡寫為cyt.)是含鐵的電子傳遞體，輔基為鐵卟啉的衍生物，鐵原子處于卟啉環(huán)的中心，構(gòu)成血紅素。各種細胞色素的輔基結(jié)構(gòu)略有不同。線粒體呼吸鏈中主要含有細胞色素a,b,c和c1等，組成它們的輔基分別為血紅素A、B和C。細胞色素a,b,c可以通過它們的紫外-可見吸收光譜來鑒別。細胞色素主要是通過Fe3+

Fe2+的互變起傳遞電子的作用的。當前41頁，總共61頁。細胞色素c（cyt.c）它是電子傳遞鏈中一個獨立的蛋白質(zhì)電子載體，位于線粒體內(nèi)膜外表，屬于膜周蛋白，易溶于水。它與細胞色素c1含有相同的輔基，但是蛋白組成則有所不同。在電子傳遞過程中，cyt.c通過Fe3+

Fe2+的互變起電子傳遞中間體作用。當前42頁，總共61頁。由于QH2是一個雙電子載體，而參與上述反應過程的其它組分(如cyt.c)都是單電子傳遞體，所以，實際反應情況比較復雜。QH2所攜帶的一個高能電子通過鐵硫蛋白，傳遞給cyt.c，本身形成半醌自由基（QH）；另一個電子則傳遞給cyt.b。還原型cyt.b可以將QH還原成QH2。其結(jié)果是通過一個循環(huán)，QH2將其中的一個電子傳遞給cyt.c。當前43頁，總共61頁。細胞色素c氧化酶簡寫為cyt.c氧化酶，即復合物IV，它是位于線粒體呼吸鏈末端的蛋白復合物，由12個多肽亞基組成?；钚圆糠种饕╟yt.a和a3。當前44頁，總共61頁。Cyt.a和a3組成一個復合體，除了含有鐵卟啉外，還含有銅原子。Cyt.a和a3可以直接以O2為電子受體。在電子傳遞過程中，分子中的銅離子可以發(fā)生Cu+

Cu2+的互變，將cyt.c所攜帶的電子傳遞給O2。當前45頁，總共61頁。細胞色素c氧化酶當前46頁，總共61頁。琥珀酸-Q還原酶琥珀酸是生物代謝過程（三羧酸循環(huán)）中產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，它在琥珀酸-Q還原酶（復合物II）催化下，將兩個高能電子傳遞給Q。再通過QH2-cyt.c還原酶、cyt.c和cyt.c氧化酶將電子傳遞到O2。當前47頁，總共61頁。琥珀酸-Q還原酶也是存在于線粒體內(nèi)膜上的蛋白復合物,它比NADH-Q還原酶的結(jié)構(gòu)簡單，由4個不同的多肽亞基組成。其活性部分含有輔基FAD和鐵硫蛋白。琥珀酸-Q還原酶的作用是催化琥珀酸的脫氫氧化和Q的還原。當前48頁，總共61頁。1.NADH氧化呼吸鏈NADH→復合體Ⅰ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O22.琥珀酸氧化呼吸鏈

琥珀酸→復合體Ⅱ→Q→復合體Ⅲ→Cytc→復合體Ⅳ→O2當前49頁，總共61頁。電子傳遞鏈當前50頁，總共61頁。二、氧化-還原電勢與自由能的變化在生物氧化反應中，氧化與還原總是相互偶聯(lián)的。一個化合物（還原劑）失去電子，必然伴隨另一個化合物(氧化劑）接受電子。在線粒體呼吸鏈中，推動電子從NADH傳遞到O2的力，是由于NAD+/NADH+H+和1/2O2/H2O兩個半反應之間存在很大的電勢差。(a)?O2+2H++2e-

H2OE?’=+0.82V(b)NAD++H++2e-

NADHE?’=-0.322V將(a)減去(b)，即得(c)式：(c)?O2+NADH+2H+

H2O+NAD+E?’=+1.14VG?’=-nFE?’=-2965001.14=-220kJ/mol當前51頁，總共61頁。6.3.4電子傳遞和ATP的合成

NADH或琥珀酸所攜帶的高能電子通過線粒體呼吸鏈傳遞到O2的過程中，釋放出大量的能量。這種高能電子傳遞過程的釋能反應與ADP和磷酸合成ATP的需能反應相偶聯(lián)，是ATP形成的基本機制。當前52頁，總共61頁。1.ATP酶復合體

線粒體內(nèi)膜的表面有一層規(guī)則地間格排列著的球狀顆粒，稱為ATP酶復合體，是ATP合成的場所。當前53頁，總共61頁。F1為ATP酶，含有5種不同的亞基（按3、3、1、1和1

的比例結(jié)合）。OSCP為一個蛋白，是能量轉(zhuǎn)換的通道。F0為一個疏水蛋白，是與線粒體電子傳遞系統(tǒng)連接的部位。F0OSCPF1當前54頁，總共61頁。2.ATP合成反應-氧化磷酸化生物氧化的釋能反應與ADP的磷酰化反應偶聯(lián)合成ATP的過程，稱為氧化磷酸化。根據(jù)氧化-還原電勢與自由能變化關系式，計算出在NADH氧化過程中，有三個反應的G’<-30.5kJ/mol。

FMNH2

Qcyt.bcyt.c1cyt.aa3

O2G’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL這三個反應分別與ADP的磷?；磻悸?lián)，產(chǎn)生3個ATP。這些反應稱為呼吸鏈的偶聯(lián)部位。從琥珀酸O2只產(chǎn)生2個ATP.當前55頁，總共61頁。當前56頁，總共61頁。呼吸鏈的組成四種具有傳遞電子功能的酶復合體(complex)*泛醌和Cytc均不包含在上述四種復合體中。人線粒體呼吸鏈復合體當前57頁，總共61頁。3.電子傳遞反應與ATP合成偶聯(lián)機制化學滲透假說的要點是：a.線粒體內(nèi)膜的電子傳遞鏈是一個質(zhì)子泵；b.