部分生物能的产生和储藏及代谢部分.ppt

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,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。,返回,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（biological oxidation），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：-脱羧和-脱羧 氧化脱羧和单纯脱羧,H2O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 。,例：,12 O2,NAD+,电子传递链,H2O,2e,O=,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CoA,e-,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（free energy）的概念,定义式：=H-TS 物理意义：* (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： G0，反应不能自发进行 G=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0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0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：G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) G= - 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：G=nFE (E=E+-E-) 例：计算NADH氧化反应的G,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：,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1,未达平衡时 =Qc=0.1,反应G-1-PG-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G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 负极反应：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-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（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP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,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（eclctron transfer chain),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 （ironsulfur proteins) 3. 辅酶 （ubiquinone,亦写作CoQ） 4. 细胞色素类 （cytochromes）,NADH,辅 酶 Q（CoQ）,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,琥珀酸等,黄素蛋白（F AD）,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,NADH呼吸链和FADH2呼吸链,电子传递链中各中间体的顺序,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,NADH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,FADH2,2e-,NADH,NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化,总反应: NADH+H+1/2O2NAD+H2O G=-nFE =-296.50.82-(-0.32) =-220.07千焦mol-1,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:,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）,铁硫蛋白,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FeS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。,细胞色素,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)，cyt b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+2H CoQH2,铁硫蛋白的结构及递电子机理,细胞色素的结构和递电子机理,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+PiATP）,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,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。,NADH,FADH2,H2O,H2O,例 实测得NADH呼吸链： P/O 3,实测得FADH2呼吸链： P/O 2,2e-,2e-,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,-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,FAD,FADH2,NADHFMN CoQ b c1 c aa3 O2,NADH,NAD+,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,NADH+H+,（、 、 、 为膜上的转运载体）,呼吸链,2,4-二硝基苯酚的解偶联作用,H+,H+,线粒体内膜,内,外,线粒体ATP酶,化学渗透假说示意图,2H+,2H+,2H+,2H+,NADH+H+,2H+,2H+,2H+,ADP+Pi,ATP,高质子浓度,H2O,2e-,+ + + + + + + + +,_ _ _ _ _ _ _ _ _ _,质子流,线粒体内膜,ATPase的旋转催化模型,旋转催化理论认为质子流通过Fo引起亚基III 寡聚体和及亚基一起转动,这种旋转配置 /亚基之间的不对称的相互作用,引起催化位点性质的转变, 亚基的中心 -螺旋被认为是转子,亚基I和II与亚基组合在一起组成定子,它压住 /异质六聚体.,ADP+Pi,Proten Flux,H2O H+,ATP酶作用机理,电子传递 抑制剂,NADH,FMN,CoQ,Fe-S,Cyt c1,O2,Cyt b,Cyt c,Cyt aa3,Fe-S,FMN,Fe-S,琥珀酸,复合物 II,复合物 IV,复合物 I,复合物 III,能 荷,意义： 能荷由ATP 、 ADP和AMP的相对数量决定，数值在01之间，反映细胞能量水平。 能荷对代谢的调节可通过ATP 、 ADP和AMP作为代谢中某些酶分子的别构效应物进行变构调节来实现。,化学渗透假说示意图,非线粒体氧化系统,通过线粒体细胞色素系统进行氧化的体系是一切动物、植物、微生物主要氧化途径，它与ATP的生成紧密相关。除此以外，生物体内还存在非线粒体氧化系统，其特点是从底物脱氢到H2O的生成是经过其它末端氧化酶完成的，与ATP的生成无关，但各自具有重要的生理功能。 生物体内主要的非线粒体氧化系统如下：,1、多酚氧化酶系统 2、抗坏血酸氧化酶系统 3、黄素蛋白氧化酶系统 4、超氧化物歧化酶氧化系统 5、植物抗氰氧化酶系统,问答题,1、生物氧化有何特点？以葡萄糖为例，比较体内氧化和体外氧化异同。 2、何谓高能化合物？体内ATP 有那些生理功能？ 3、氰化物和一氧化碳为什麽能引起窒息死亡？原理何在？ 名词解释 生物氧化氧化磷酸化底物水平磷酸化呼吸链 磷氧比（P0）能荷,细胞膜流动镶嵌模型,新陈代谢的概念和特点,新陈代谢的研究方法 示踪法（化合物示踪、同位素示踪） 抗代谢物和酶抑制剂的利用 体内试验（in vivo）和体外试验（no vivo）,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。与此同时细胞间和细胞与环境间进行着信息的传递与转导，使上述过程受到严格的调节控制，确保其高度有序地进行。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,