生物化学--第三部分

第三部分生物能的产生和储藏及生物大分子前体的合成和分解一、生物膜的结构和功能二、新陈代谢的概念及研究方法三、生物体内能量的产生和转化四、糖代谢五、脂类代谢六、蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢七、核酸的酶促降解和核苷酸的代谢一、生物膜的结构和功能1、生物膜的结构模型—流动镶嵌模型2、生物膜的主要功能（1）物质运输（主动运输，被动运输）（2）能量转化（生物氧化）（3）信息传递（细胞识别，激素、神经等信号转导）三、生物体内能量的产生和转化1、生物能学简介（1）自由能(G0´)的概念及意义（2）反应平衡常数及其与自由能计算的关系（3）氧化还原电位及其与自由能计算的关系（4）高能化合物2、生物氧化（1）生物氧化的定义、特点和方式（2）生物体获取能量的三个阶段（3）线粒体呼吸链电子传递系统（4）氧化磷酸化作用（5）呼吸链和氧化磷酸化的抑制（6）非线粒体氧化体系第六章电子传递体系与氧化磷酸化主要内容和要求：重点讨论线粒体电子传递体系的组成、电子传递机理和氧化磷酸化机理。对非线粒体氧化体系作一般介绍。思考目录第一节生物氧化概述第二节线粒体电子传递体系第三节氧化磷酸化作用第四节非线粒体氧化体系（自学）第一节生物氧化概述一、生物氧化的概念和特点二、生物能学简介三、高能化合物生物氧化的特点和方式生物氧化的特点生物氧化过程中CO2的生成和H2O的生成糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。生物氧化的特点在活的细胞中（pH接近中性、体温条件下），有机物的氧化在一系列酶、辅酶和中间传递体参与下进行，其途径迂回曲折，有条不紊。氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截获，再供给机体所需。在此过程中既不会因氧化过程中能量骤然释放而伤害机体，又能使释放的能量尽可得到有效的利用。CO2的生成方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2RH2O的生成代谢物在脱氢酶催化下脱下的氢由相应的氢载体（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶例：1\2O2NAD+电子传递链H2O2eO=2H+脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、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间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位生物氧化的三个阶段三、生物能学简介1、生物能的转换及生物系统中的能流2、自由能的概念及化学反应自由能的计算自由能（freeenergy）的概念定义式：ΔＧ=ΔH-TΔS物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*(体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：ΔG0，反应能自发进行ΔG0，反应不能自发进行ΔG=0，反应处于平衡状态在参与反应的物质浓度为1moL.L-1,温度为250C，pH=0的条件下进行反应，其自由能的变化称为标准自由能变化，用ΔＧ0表示。由于机体内的生化反应一般是在pH=7的条件下进行，在pH=7和上述浓度、压力、温度下的标准自由能变化用ΔＧ0表示。化学反应自由能的计算利用化学反应平衡常数计算基本公式：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)ΔG°′=-RTlnKeq例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化利用标准氧化还原电位（E°）计算（限于氧化还原反应）基本公式：ΔG°′=－nFΔE°′(ΔE°′=E+°′-E-°′)例：计算NADH氧化反应的ΔG°′计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ.mol-1ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ.MOL-1未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反应的G是多少？例题：例题：计算下反应式ΔG°′NADH+H++1/2O2====NAD++H2O正极反应：1/2O2+2H++2eH2OE+°′0.82负极反应：NAD++H++2eNADHE-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′-2×96485×[0.82-(-0.32)]-220KJ·mol-1生物系统中的能流生物界的能量传递及转化过程高能化合物高能化合物的类型ATP的特点及其特殊作用生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。高能化合物类型ATP的特点在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ•MOL-1ATP的特殊作用★ATP是细胞内的“能量通货”★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体★ATP以偶联方式推动体内非自发反应～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌醇（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油线粒体电子传递体系线粒体结构特点电子传递呼吸链的概念呼吸链的组成机体内两条主要的呼吸链及其能量变化线粒体呼吸链线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）NADH呼吸链H2O12O2O2-MH2还原型代谢底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c-c1-aa3FeS2H+M氧化型代谢底物FADH2呼吸链FADFADH2琥珀酸FeS2Fe2+2Fe3+细胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸NADH呼吸链和FADH2呼吸链FADH2↓FeS↓NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸链FADH2呼吸链电子传递链中各中间体的顺序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合物I复合物IIINADH脱氢酶辅酶Q-细胞色素还原酶细胞色素C还原酶琥珀酸-辅酶Q还原酶呼吸链中电子传递时自由能的下降FADH22e-NADHNADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化烟酰胺脱氢酶类特点：以NAD+或NADP+为辅酶，存在于线粒体、基质或胞液中。传递氢机理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+黄素蛋白酶类特点：以FAD或FMN为辅基，酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别：黄素脱氢酶类（如NADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶）需氧脱氢酶类（如L—氨基酸氧化酶）加单氧酶（如赖氨酸羟化酶）递氢机理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2铁硫蛋白+e传递电子机理：Fe3+Fe2+-e特点：含有Fe和对酸不稳定的S原子，Fe和S常以等摩尔量存在（Fe2S2,Fe4S4)，构成Fe—S中心，Fe与蛋白质分子中的4个Cys残基的巯基与蛋白质相连结。CoQ特点：带有聚异戊二烯侧链的苯醌，脂溶性，位于膜双脂层中，能在膜脂中自由泳动。+2H传递氢机理：CoQCoQH2－2H细胞色素传递电子机理：+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e特点：以血红素（heme）为辅基，血红素的主要成份为铁卟啉。类别:根据吸收光谱分成a、b、c三类，呼吸链中含5种（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸链中的中为电子传递体，a和a3以复合物物存在，称细胞色素氧化酶，其分子中除含Fe外还含有Cu，可将电子传递给氧，因此亦称其为末端氧化酶。CoQ的结构和递氢原理CoQ+2HCoQH2铁硫蛋白的结构及递电子机理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e细胞色素的结构和递电子机理传递电子机理：Fe3+Fe2+-e+e线粒体结构氧化磷酸化作用氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念氧化磷酸化的偶联机理线粒体外NADH的氧化磷酸化作用能荷氧化磷酸化代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别：底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能磷氧比（P/O）呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP氧化磷酸化的偶联机理1、化学渗透假说2、氧化磷酸化的抑制解偶联剂和离子载体抑制剂氧化磷酸化抑制剂三、线粒体外NADH的氧化磷酸化作用磷酸甘油穿梭系统苹果酸—天冬氨酸穿梭系统酵解（细胞质）氧化磷酸化（线粒体）-磷酸甘油穿梭（线粒体基质）磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+线粒体内膜（细胞液）苹果酸-草酰乙酸穿梭作用细胞液线粒体内膜体天冬氨酸-酮戊二酸苹果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸苹果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+线粒体基质苹果酸脱氢酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ苹果酸脱氢酶谷草转氨酶谷草转氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为膜上的转运载体）呼吸链2,4-二硝基苯酚的解偶联作用NO2NO2O-NO2NO2OH