生物化学第六章生物氧化

主讲教师：季祥邮箱：[e-mail]§8-1、生物能学的基本概念§8-2、线粒体氧化体系（生物氧化的三大类产物的生成途径）[目的要求]1.了解能量的基本性质；内能、焓、熵、自由能的概念；自由能的变化与化学反应的关系；ATP的结构特点及其对物质代谢的重要意义。2.了解生物氧化的概念；生物氧化的种类；生物氧化中物质氧化的方式。3.掌握生物氧化产物二氧化碳生成方式；呼吸链的概念及其组成；氧化磷酸化的概念及ATP的生成途径；磷氧比的概念及两类呼吸链的磷氧比。[目的要求]4.了解氧化磷酸化的偶联机制：化学渗透学说；了解呼吸作用的控制；各种抑制剂对氧化磷酸化的抑制机理；了解偶联剂的作用机理。5.了解线粒体外NADH2的氧化途径；会计算常见的底物氧化产生的ATP数。功能：为生命活动提供能源与碳源实质：生物细胞利用氧气对细胞内的有机物质（糖、脂肪和蛋白质）进行氧化分解产生CO2和H2O并释放出能量的过程。生物氧化通常需要消耗氧，所以又称为细胞呼吸、组织呼吸或内呼吸。生物氧化概述概念：有机物在生物体内的氧化作用称为生物氧化。返回1.反应由酶催化，反应条件温和；2.反应分步进行，顺序性3.能量逐步放出，且放出的能量以化学能的方式储存于ATP中，能量利用率高。特点：生物氧化的种类：1、根据有无氧的参与，分有氧氧化：有O2参与，产物为CO2、H2O,底物氧化完全，产能多无氧氧化：无O2参与，产物为乙醇、乳酸等,底物氧化不完全，产能少2、根据发生场所，分线粒体氧化体系：与ATP的生成有关，产能的氧化作用，线粒体内发生（原核生物在质膜上发生）。微粒体氧化体系：与ATP的生成无关，光滑内质网上发生，机体对非营养物质发生的生物转化，与机体排毒及排出异物有关。生物氧化物质的氧化方式生物氧化遵循氧化－还原的基本原理常见的有：1、脱电子反应：如Fe2+→Fe3+＋e而电子不能单独存在于生物体内，有物质失去电子，就有物质得到电子：A2+B2+B3+A3+其中：A为电子供体，B为电子受体。2、脱氢反应：最主要的生物氧化方式如：TCA3:异柠檬酸草酰琥珀酸NAD+NADH+H+FADFADH2琥珀酸延胡索酸TCA7:TCA9:EMP6:苹果酸1、3－二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛草酰乙酸NAD+NADH+H+Pi＋NAD+NADH+H+3、加氧反应：－O212+OH二、能量的守恒与转化一、能量的性质四、最重要的高能化合物—ATP五、关于生物化学中能量变化的一些规定三、热力学第二定律与熵返回一、能量的性质能量在一定状态的物质中体现，其绝对值难于测定。当物质的状态确定后，能量也就确定。能量的两种形式：热：由于温差而产生的能量传递方式，常伴随着质点的无序运动。功：体系与环境间的另外一种能量交换方式。任何一种功都伴随着体系质点的有序运动。返回二、能量的守恒与转化1、内能与焓2、热力学第一定律:△U=Q-W内能（U）：体系内部质点能量总和。焓（H）：体系的内能与该体系压力、体积的乘积之和。其中：△U：体系内能的变化，Q：体系吸收的热量W：体系对外做功。△H=△QP恒压过程吸收的热量在数值上等于体系的焓变。生物体是恒温、恒压环境，△U≈△H，合称能量的变化。返回△U=△QV恒容过程吸收的热量在数值上等于内能的变化。三、热力学第二定律与熵熵（S）：表示体系能量分散程度的状态函数称为熵。热力学第二定律：自发过程是体系与环境总熵增加的过程。△S=Q/T=△S体系+△S环境≥O返回自由能:自由能变化(ΔG）:ΔG=ΔH-TΔSABΔG=GB-GA自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。ΔG是衡量过程自发性的标准：ΔG0，放能，过程可自发进行，产生有用的功；ΔG0，吸能，过程不可自发进行，须供给能量才能进行；ΔG=0,过程处平衡状态。化学反应中自由能的变化及其意义:化学反应:aA+bBcC+dD1)当反应处平衡状态时，ΔG’=0则：无论各个ΔG数值大小如何，该链式反应可以自发进行。2)当A→B→C→D若：△G=△GAB+△GBC+△GCD≤0四、最重要的高能化合物—ATP1、ATP的分子结构特点返回（2）ATP水解产物具有更大的共振稳定性，其水解产物ADP3-和Pi的某些电子的能量水平远远小于ATP。（3）H+的低浓度导致ATP4-向分解方向进行。（4）酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键。▲总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使ATP水解释放大量能量。2、ATP水解释放大量自由能，其主要原因是：②ATP分子内存在相反共振现象.由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因P=O和P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响ATP分子的结构稳定性。（1）ATP分子结构存在不稳定因素：①ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），产生静电斥力，促使ATP水解成ADP3-，而减弱斥力。①ATP是生物体通用的能量货币。②ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。ATP在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。3、ATP在能量转化中的作用ATPADPAMPPiPi△G0’=－7.3Kcal/mol△G0’=－7.3Kcal/molATP是磷酸基团转移反应的中间载体:磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。磷酸基团转移势能在数值上等于其水解反应的ΔG0’。磷酸基团转移势能（kcal/mol)246810121416ATPPEP1，3-二磷酸-甘油酸6-P-葡萄糖3-P-甘油ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用:ΔG01’=-7.7(Kcal/mol)=-32.19(KJ/mol)ΔG02’=-6.9(Kcal/mol)=-28.842(KJ/mol)ΔG0’=ΔG01’+ΔG02’=-61.028KJ/molATP+RCOOH+CoA-SHAMP+PPi+RCO-S-CoAΔG0’=－0.2(Kcal/mol)=－0.836(KJ/mol)ATP+H2OAMP+PPiPPi+H2O2Pi意义：萤火虫发光物质的形成由ATP降解为AMP+PPi来提供腺苷酸；为一些接近平衡的反应提供驱动力：4、能荷ATP是生命活动中能量的主要直接供体，因此ATP不断产生又不断消耗，ATP、ADP和AMP的转换率非常高。但它们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。例如：一个静卧的人24小时内消耗约40公斤ATP。细胞所处的能量状态用ATP、ADP和AMP之间的关系式来表示，称为能荷，公式如下：[ATP]+1/2[ADP][ATP]+[ADP]+[AMP]腺苷酸库能荷=能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1。高能荷抑制ATP的生成，促进ATP的利用，即促进机体内的合成代谢。大多数细胞的能荷处于0.8-0.95之间。进一步说明细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的状态。（同位素实验）五、关于生物化学中的能量变化的一些规定1、任何情况下，在一个稀释的水溶液中，当有水存在时，水的活度规定为1.0。2、生物化学所说的标准状态定义为0.1MPa，25℃，PH7.0。标准状态下的自由能变化以△Go’表示。3、△Go’用于生物化学能量学，假定每个反应物和产物能够解离的标准状态是它的未解离形式与解离学说的混合物状态，两种混合物存在的条件正是PH7.0的环境。4、△Go’的单位为焦耳或千焦耳每摩尔。返回一、生物氧化中CO2生成的方式二、呼吸链四、线粒体外NADH2的氧化三、氧化磷酸化：ATP的生成途径主要内容返回线粒体是生物氧化的发生场所一、生物氧化中CO2生成的方式基本方式：底物脱羧脱羧基作用α-脱羧（羧基位置）β-脱羧分类:单纯脱羧（不伴随脱氢）氧化脱羧（伴随脱氢）返回1、α-单纯脱羧COOHC=OCH2COOHαβ2、β-单纯脱羧COOHC=O+CO2CH3O‖CH3CH+CO2O‖CH3CCOOH（二）氧化脱羧1、α-氧化脱羧2、β-氧化脱羧O‖CH3－C－COOH+CoASH+NAD+O‖CH3－C～SCoA+NADH+H++CO2COOHC=O+CO2+NADPH+H+CH3COOHC=O+NADP+CH2COOHβα二、呼吸链1.呼吸链的种类2.呼吸链的组成3.呼吸链中传递体的排列顺序定义:分布于线粒体内膜，由递氢体和递电子体按一定顺序排列构成的氧化还原体系，与细胞利用氧的呼吸过程有关，通常称为呼吸链，又称电子传递链。(NADH呼吸链和FADH2呼吸链)返回1.呼吸链的种类返回呼吸链的电子传递过程2.呼吸链的组成(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(2)NADH-Q还原酶(3)铁硫蛋白(4)辅酶Q(5)细胞色素还原酶(6)细胞色素氧化酶(7)琥珀酸-Q还原酶复合物呼吸链由一系列的氢传递体和电子传递体组成。返回(1)以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-(尼克酰胺核苷酸类)功能：将底物上的氢激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+OR尼克酰胺核苷酸的作用原理：RHCONH2N+CRHHCONH2N+H+e+H++H+2HHHeH+HNAD(P)+NAD(P)H+H++2H-2H(2)NADH-Q还原酶（复合物Ⅰ）NADH-Q还原酶是一个大的蛋白质复合体，FMN和铁-硫聚簇（Fe-S）是该酶的辅基，辅酶Q是该酶的辅酶，由辅基或辅酶负责传递电子和氢。以FMN或FAD为辅基的蛋白质统称黄素蛋白。FMN通过氧化还原变化可接收NADH+H+的氢以及电子。FMNFMNH2NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个氢转移到FMN辅基上，电子经铁硫蛋白的铁硫中心传递给辅酶Q。NADH+H++FMNFMNH2+NAD+铁硫蛋白复合物CoQee辅酶FMN传递电子的过程：复合物Ⅰ的结构与电子传递过程NADH-Q还原酶各辅基（辅酶）的氧化还原循环：MMH2NAD+NADH2FMNFMNH22Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2Fe3+2Fe2+2(Fe-S)CoQH2CoQ2H+2H+NADH-Q还原酶泵到线粒体内膜外侧铁硫聚簇（Fe-S中心）主要以(Fe-0S)(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在，铁硫聚簇与蛋白质结合称为铁硫蛋白。(3)铁硫蛋白铁硫聚簇通过Fe3+Fe2+变化，将氢从FMNH2上脱下传给CoQ，同时起传递电子的作用，每次传递一个电子.CysSSSCysFe3+Fe3+CysSSSCysCysSSSCysFe3+Fe2+CysSSSCys+e-(4)辅酶Q（泛醌、亦简称Q。是许多酶的辅酶)如：NADH-Q还原酶、琥珀酸-Q还原酶、脂酰-CoA脱氢酶等是脂溶性醌类化合物，而且分子较小，可在线粒体内膜的磷脂双分子层的疏水区自由扩散。功能基团是苯醌,通过醌/酚的互变传递氢，Q(醌型结构)很容易接受2个电子和2个质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出2个电子和2个质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。(5)细胞色素还原酶（细胞色素bc1复合体、复合体Ⅲ）含有两种细胞色素（细胞色素b、细胞色素c1）和一铁硫蛋白（2Fe-2S）。细胞色素bc1复合体的作用是将电子从QH2转移到细胞色素c：QH2cyt.bFe-Scyt.c1cyt.ccytbc1细胞色素（cytochrome,cyt）是以铁卟啉（血红素）为辅基的蛋白质（有颜色），高等动物线粒体呼吸链中主要含有5种细胞色素a、a3、b、c、c1等，细胞色素b,c1,c的辅基都是铁-原朴啉Ⅳ，细胞色素a、a3的辅基为血红素A。细胞色素主要是通过辅基中Fe3+Fe2+的互变起传递电子的作用。一个细胞色素每次传递一个电子。细胞色素中的血红素QH2将电子传给cytbc1细胞色素b