能量代謝與生物能的利用

關(guān)于能量代謝與生物能的利用一切生命活動都需要能量，維持生命活動的能量主要有兩個來源：光能（太陽能）：光合自養(yǎng)生物通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變成有機物中穩(wěn)定的化學能。（植物和某些藻類）化學能：異養(yǎng)生物或非光合組織通過生物氧化作用將有機物質(zhì)（主要是各種光合作用產(chǎn)物）氧化分解，使存儲的穩(wěn)定的化學能轉(zhuǎn)變成ATP中活躍的化學能，ATP直接用于需要能量的各種生命活動。第2頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第一節(jié)概述一、生物氧化的方式和特點二、參與生物氧化的酶類三、同化作用和異化作用第3頁,共80頁,2024年2月25日，星期天一、生物氧化的方式和特點生物氧化：有機物在生物體內(nèi)的氧化還原作用稱為生物氧化。由于需要消耗氧并放出CO2，又稱組織呼吸或細胞呼吸。第4頁,共80頁,2024年2月25日，星期天1生物氧化的主要方式生物體內(nèi)物質(zhì)的氧化方式包括失電子、加氧和脫氫（1）失電子

Fe2+→Fe3++e-（2）加氧醛+1/2O2→酸（3）脫氫醇→酸+2H第5頁,共80頁,2024年2月25日，星期天A:

-單純脫羧

NH2︱氨基酸脫羧酶

RCHCOOHRCH2NH2+CO2

2.生物氧化中CO2生成的方式第6頁,共80頁,2024年2月25日，星期天B:

-氧化脫羧第7頁,共80頁,2024年2月25日，星期天C:

-氧化脫羧第8頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

3、水的生成

在脫氫酶、傳遞體、氧化酶組成的體系催化下生成第9頁,共80頁,2024年2月25日，星期天4、能量的生成當有機物被氧化成CO2和H2O時，釋放的能量怎樣轉(zhuǎn)化成ATP

主要是通過呼吸鏈

底物水平磷酸化

氧化磷酸化第10頁,共80頁,2024年2月25日，星期天生物氧化的一般過程TCA第11頁,共80頁,2024年2月25日，星期天5、生物氧化的特點（1）酶的催化（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）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。（5）生物氧化是一個分步進行的過程，能量通過逐步氧化釋放，不會引起體溫的突然升高，而且可使放出的能量得到最有效的利用。（6）生物氧化釋放的能量一般都貯存于一些特殊的化合物中，主要是ATP.第12頁,共80頁,2024年2月25日，星期天生物氧化和有機物在體外氧化（燃燒）的實質(zhì)相同，都是脫氫、失電子或與氧結(jié)合，消耗氧氣，都生成CO2和H2O，所釋放的能量也相同。但二者進行的方式和歷程卻不同：生物氧化體外燃燒1、細胞內(nèi)溫和條件高溫或高壓、干燥條（常溫、常壓、中性pH、水溶液）2、一系列酶促反應無機催化劑逐步氧化放能，能量利用率高能量爆發(fā)釋放3、釋放的能量轉(zhuǎn)化成ATP被利用轉(zhuǎn)換為光和熱，散失第13頁,共80頁,2024年2月25日，星期天二、參與生物氧化的酶類包括脫氫酶、氧化酶、傳遞體等1脫氫酶以黃素核苷酸為輔基以煙酰胺為輔酶黃素單核苷酸FMN黃素腺嘌呤二核苷酸FADNAD（CoⅠ）NADP（CoⅡ）第14頁,共80頁,2024年2月25日，星期天2氧化酶含Cu2+或Fe3+的酶3傳遞體遞氫體：黃素蛋白傳遞體及輔酶Q遞電子體：細胞色素、鐵硫蛋白第15頁,共80頁,2024年2月25日，星期天三、同化作用和異化作用1同化作用生物從環(huán)境中獲取物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為體內(nèi)的新物質(zhì)，這一過程稱為同化作用。需要能量，小分子合成大分子2異化作用生物體內(nèi)的舊物質(zhì)轉(zhuǎn)化為環(huán)境中的物質(zhì)，這一過程成為異化作用。釋放能量，大分子分解成小分子第16頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第二節(jié)線粒體氧化體系一線粒體膜結(jié)構(gòu)第17頁,共80頁,2024年2月25日，星期天參與生物氧化的各種酶類如脫氫酶、電子傳遞體系、偶聯(lián)磷酸化酶類等都分布在線粒體內(nèi)膜和嵴上。第18頁,共80頁,2024年2月25日，星期天二呼吸鏈

1、呼吸鏈的概念

2、呼吸鏈的組成

3、呼吸鏈的電子傳遞順序

第19頁,共80頁,2024年2月25日，星期天1、呼吸鏈的概念在生物氧化過程中，代謝物上脫下的氫經(jīng)過一系列的按一定順序排列的氫傳遞體和電子傳遞體的傳遞，最后傳遞給分子氧并生成水，這種氫和電子的傳遞體系稱為呼吸鏈。又稱電子傳遞鏈。第20頁,共80頁,2024年2月25日，星期天2、呼吸鏈的組成NADH呼吸鏈（以NAD為輔酶的脫氫酶催化的物質(zhì)氧化）FADH2呼吸鏈（琥珀酸氧化呼吸鏈）:以FAD為輔基的脫氫酶催化的物質(zhì)氧化第21頁,共80頁,2024年2月25日，星期天NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+

細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第22頁,共80頁,2024年2月25日，星期天NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈第23頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

NADH：還原型輔酶I

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。第24頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

鐵硫蛋白(簡寫為Fe-S)是一種與電子傳遞有關(guān)的蛋白質(zhì)，它與NADH

Q還原酶的其它蛋白質(zhì)組分結(jié)合成復合物形式存在。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，故稱鐵硫中心。鐵硫蛋白通過Fe3+

Fe2+

變化起傳遞電子的作用鐵硫蛋白第25頁,共80頁,2024年2月25日，星期天NADH

泛醌還原酶

簡寫為NADH

Q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。NADH

Q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。

NADH

Q還原酶

NADH+Q+H+=========NAD++QH2第26頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

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。泛醌第27頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

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。細胞色素第28頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

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。細胞色素c（cyt.c）第29頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

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。活性部分主要包括cyt.a和a3。細胞色素c氧化酶第30頁,共80頁,2024年2月25日，星期天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.aa3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。第31頁,共80頁,2024年2月25日，星期天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。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。琥珀酸-Q還原酶第32頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第三節(jié)能量代謝中生物能的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和儲存一、氧化還原與自由能變化二、高能磷酸鍵的生成機制三、線粒體外的氧化磷酸化四、氧化磷酸化的解偶聯(lián)和抑制作用第33頁,共80頁,2024年2月25日，星期天一、氧化還原與自由能變化1反應方向與趨勢（一）自由能（G）（1878）指在一個體系的總能量中，在恒溫恒壓條件下能夠做功的那一部分能量。用符號G表示。自由能變化（ΔG）

AB

ΔG=GB-GA第34頁,共80頁,2024年2月25日，星期天生物化學反應中標準自由能變化△G0’:在1mol/L濃度、1個標準大氣壓、溫度為298K（25℃）、pH=7條件下，反應的自由能變化。△G0’=-nF△E0’△G0’<0或△E0’>0，反應可以自發(fā)進行第35頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第36頁,共80頁,2024年2月25日，星期天二、高能磷酸鍵的生成機制高能鍵：一般將水解或基團轉(zhuǎn)移時能釋放出20.9kJ/mol以上能量的化學鍵稱為高能鍵。高能化合物：含有高能鍵的化合物稱為高能化合物。氧化磷酸化非氧化磷酸化第37頁,共80頁,2024年2月25日，星期天1氧化磷酸化

（1）概念氧化磷酸化是指代謝物在脫氫（氧化）時所釋放的能量用于ATP的生成。根據(jù)生物氧化方式，可將氧化磷酸化分為

底物水平磷酸化

呼吸鏈磷酸化

第38頁,共80頁,2024年2月25日，星期天呼吸鏈磷酸化：是指當電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系(呼吸鏈)傳遞給氧形成水時，同時伴有ADP磷酸化為ATP的全過程。通常所說的氧化磷酸化是指呼吸鏈磷酸化。第39頁,共80頁,2024年2月25日，星期天底物水平磷酸化：在代謝底物脫氫（氧化時），分子內(nèi)部發(fā)生能量重新分配而形成高能鍵并用于ATP生成。

(如3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)變?yōu)?-磷酸甘油酸)第40頁,共80頁,2024年2月25日，星期天CHOHCH2OCHOPCHOHCH2OCOO～PP+NAD++Pi+NADH+H+HH3-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸+ADP+ATP第41頁,共80頁,2024年2月25日，星期天（2）氧化磷酸化的作用機制A.ATP產(chǎn)生的數(shù)量

研究氧化磷酸化最常用的方法是測定線粒體或其制劑的P/O比值和電化學實驗。

P/O比值:是指每消耗一摩爾氧所消耗無機磷酸的摩爾數(shù)。根據(jù)所消耗的無機磷酸摩爾數(shù)，可間接測出ATP生成量。又可以看作是當一對電子通過呼吸鏈傳至O2所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。實驗表明：NADH呼吸鏈的P/O值是3，即每消耗一摩爾氧原子就可形成3摩爾ATP，F(xiàn)ADH2呼吸鏈的P/O值是2，即消耗一摩爾氧原子可形成2摩爾ATP。第42頁,共80頁,2024年2月25日，星期天B.ATP產(chǎn)生的部位ATP產(chǎn)生的部位都是有大的電位差變化的地方，例如，NADH呼吸鏈生成ATP的三個部位是：E0'值在此三個部位有大的“跳動”。第43頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第44頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第45頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第46頁,共80頁,2024年2月25日，星期天C.能量偶聯(lián)假說氧化與磷酸化作用的偶聯(lián)目前主要有三個學說：化學耦聯(lián)學說結(jié)構(gòu)耦聯(lián)學說化學滲透學說第47頁,共80頁,2024年2月25日，星期天(a).化學偶聯(lián)假說（1953）

認為電子傳遞過程產(chǎn)生一種活潑的高能共價中間物。它隨后的裂解驅(qū)動氧化磷酸化作用。(b).構(gòu)象偶聯(lián)假說（1964）

認為電子沿電子傳遞傳遞使線粒體內(nèi)膜蛋白質(zhì)組分發(fā)生了構(gòu)象變化，形成一種高能形式。這種高能形式通過ATP的合成而恢復其原來的構(gòu)象。第48頁,共80頁,2024年2月25日，星期天(c).化學滲透學說（1961）認為電子傳遞釋放出的自由能和ATP合成是與一種跨線粒體的質(zhì)子梯度相偶聯(lián)的。呼吸鏈存在于線粒體內(nèi)膜之上，當氧化進行時，呼吸鏈起質(zhì)子泵作用，質(zhì)子被泵出線粒體內(nèi)膜之外側(cè)，造成了膜內(nèi)外兩側(cè)間跨膜的化學電位差，后者被膜上ATP合成酶所利用，使ADP與Pi合成ATP。遞H體與遞e體交替排列遞H體有H泵作用，將2H+泵出內(nèi)膜，2e傳給遞電子體，整個過程共泵出3對H+線粒體膜對H+不通透，造成H+跨膜梯度H+通過ATP合成酶回流，生成ATP第49頁,共80頁,2024年2月25日，星期天質(zhì)子的流向內(nèi)外第50頁,共80頁,2024年2月25日，星期天電子的流向第51頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ADP+PATP化學滲透假說示意圖呼吸鏈ATP合成酶第52頁,共80頁,2024年2月25日，星期天化學滲透假說第53頁,共80頁,2024年2月25日，星期天質(zhì)子梯度的形成

電子傳遞使復合體Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ推動H+跨過線粒體內(nèi)膜到線粒體的間隙，線粒體間隙與細胞溶膠相接觸。H+跨膜流動的結(jié)果造成線粒體內(nèi)膜內(nèi)部基質(zhì)的H+離子濃度低于間隙。線粒體基質(zhì)形成負電勢，而間隙形成正電勢，這樣產(chǎn)生的電化學梯度即電動勢稱為質(zhì)子動勢或質(zhì)子動力勢。其中蘊藏著自由能即是ATP合成的動力。第54頁,共80頁,2024年2月25日，星期天質(zhì)子轉(zhuǎn)移的機制有兩種假設

質(zhì)子傳遞鏈的4種電子傳遞復合體中的3種復合體都和質(zhì)子轉(zhuǎn)移有密切關(guān)系。質(zhì)子主動轉(zhuǎn)移和電子傳遞產(chǎn)生的自由能相偶聯(lián)的機制當前存在兩種假說：氧化—還原回路機制質(zhì)子泵機制第55頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ATP合成機制ATP的合成是由一個酶的復合體系完成的。這個復合體系稱為ATP合酶由兩個主要的單元構(gòu)成。起質(zhì)子通道作用的單元稱為Fo單元和催化ATP合成的單元稱為F1單元。因此，ATP合酶又稱為FoF1—ATP酶第56頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ATP合酶

在分離得到四種呼吸鏈復合體的同時還可得到復合體Ⅴ，即ATP合酶。該酶主要由Fo（疏水部分）和F1（親水部分）組成。

F1在線粒體內(nèi)膜的基質(zhì)側(cè)形成顆粒狀突起。它主要由α3β3γδε亞基組成，其功能是催化生成ATP;催化部位在β亞基中，但β亞基必須與α亞基結(jié)合才有活性。

Fo鑲嵌在線粒體內(nèi)膜中。它由a1b2c9-12亞基組成。C亞基形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，a亞基位于環(huán)外側(cè)，與c亞基之間形成質(zhì)子通道。Fo與F1之間，其中心部位由γε亞基相連，外側(cè)由b2和δ亞基相連，F(xiàn)1中的α3β3

亞基間隔排列形成六聚體，部分γ亞基插入六聚體中央。第57頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ATP合酶結(jié)構(gòu)示意圖第58頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第59頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第60頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第61頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第62頁,共80頁,2024年2月25日，星期天FoF1側(cè)視圖第63頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第64頁,共80頁,2024年2月25日，星期天第65頁,共80頁,2024年2月25日，星期天

由于3個β亞基與γ亞基插入部分的不同部位相互作用，使每個β形成不同構(gòu)象。當H+順濃度遞度經(jīng)Fo中a亞基和c亞基之間回流時，γ亞基發(fā)生旋轉(zhuǎn)，3個β亞基的構(gòu)象發(fā)生改變。緊密結(jié)合型（T）β亞基變成開放型（O），釋放ATP；ADP和Pi與疏松型（L）β亞基相結(jié)合；與緊密型β亞基結(jié)合的ADP和Pi生成ATP.因此，ATP在緊密結(jié)合型β亞基中生成，在開放型中被釋放?；瘜W計算估計每生成1分子ATP需3個H+從線粒體內(nèi)膜外側(cè)回流進入基質(zhì)中。ATP合酶的工作機制第66頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ATP合酶的工作機制3個β亞基構(gòu)象不同

O開放型；T緊密結(jié)合型；L疏松型第67頁,共80頁,2024年2月25日，星期天2非氧化磷酸化代謝物在脫水、基團轉(zhuǎn)移等過程中分子內(nèi)部能量重新分布和轉(zhuǎn)移合成ATP，不需要氧，也不脫氫，是沒有氧化過程的ATP合成。第68頁,共80頁,2024年2月25日，星期天2-磷酸甘油酸脫水

形成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）

磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）2-磷酸甘油酸烯醇化酶(Mg2+/Mn2+)H2O氟化物能與Mg2+絡合而抑制此酶活性第69頁,共80頁,2024年2月25日，星期天ADPATPMg2+,K+磷酸烯醇式丙酮酸

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烯醇式丙酮酸第70頁,共80頁,2024年2月25日，星期天烯醇式丙酮酸

轉(zhuǎn)變?yōu)楸酇TP磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ADP丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸(enolpyruvate)自發(fā)進行

丙酮酸(pyruvate)第71頁,共80頁,2024年2月25日，星期天三、線粒體外的氧化磷酸化膜屏障線粒體內(nèi)膜具有屏障作用，許多物質(zhì)不能自由通過。ATP-ADP轉(zhuǎn)運酶：ATP出來，ADP進入。細胞液中產(chǎn)生的NADPH和NADH通過穿梭機制進入線粒體第72頁,共80頁,2024年2月25日，星期天2.NADPH和NADH通過穿梭作用進入線粒體內(nèi)膜異檸檬酸穿梭作用，產(chǎn)3個ATP磷酸甘油穿梭作用，