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第七章 生物氧化 Biological Oxidation. 第一节 概 述 Introduction. 糖. 脂肪. 蛋白质. 一、生物氧化的概念. 物质在生物体内进行的氧化称为 生物氧化 ,主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量,最终生成 CO 2 和 H 2 O 的过程。亦称 “ 组织氧化 ” 、 “ 组织呼吸 ” 或 “ 细胞氧化 ” 。. O 2. CO 2 和 H 2 O. ADP+Pi. 能量. ATP. 热能. 二、生物氧化的特点. * 生物氧化与体外氧化之相同点.

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第七章 生物氧化 Biological Oxidation


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    Presentation Transcript
    1. 第七章生物氧化 Biological Oxidation

    2. 第一节 概 述 Introduction

    3. 脂肪 蛋白质 一、生物氧化的概念 物质在生物体内进行的氧化称为生物氧化,主要指糖、脂肪、蛋白质等有机物质在生物体内氧化分解并逐步释放能量,最终生成CO2 和 H2O的过程。亦称“组织氧化”、“组织呼吸”或“细胞氧化”。 O2 CO2和H2O ADP+Pi 能量 ATP 热能

    4. 二、生物氧化的特点 *生物氧化与体外氧化之相同点 • 生物氧化中物质的氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵循氧化还原反应的一般规律。 • 物质在体内外氧化时所消耗的氧量、最终产物(CO2,H2O)和释放能量均相同。

    5. *生物氧化与体外氧化之不同点 生物氧化 体外氧化 • 在高温、高压以及干燥的条件下进行,是剧烈的自由基反应,能量是突发式释放的。产生的能量以光与热的形式散发在环境中。 • 产生的CO2、H2O是由物质中的碳和氢直接与氧结合生成。 • 是在细胞内温和的有水环境中(体温,pH接近中性),经一系列酶促反应逐步缓慢进行,能量逐步释放,以ATP形式储存和转运,有利于机体捕获能量,提高ATP生成的效率。 • 物质的氧化方式是脱氢反应,脱下的氢在酶、辅酶和电子传递系统参与下经一系列传递与水结合生成H2O;二氧化碳(CO2 )是由于糖、脂类和蛋白质转变成含羧基的化合物(有机酸)直接脱羧或氧化脱羧产生。 ◆场所:真核细胞在线粒体内膜,原核细胞在质膜上进行。

    6. 生物氧化中CO2生成的方式 1.-单纯脱羧: NH2 ︱ RCHCOOH RCH2NH2 +CO2 氨基酸脱羧酶

    7. 2.-氧化脱羧:

    8. 3. -氧化脱羧:

    9. 糖原 三酯酰甘油 蛋白质 氨基酸 脂肪酸+甘油 葡萄糖 * 生物氧化的一般过程 乙酰CoA TCA CO2 ADP+Pi ATP 2H H2O 呼吸链

    10. 三、生物氧化中自由能变化及氧化还原电位 1、自由能(Gibbs,G)的概念: 是指在一个反应体系的总能量中,在恒温恒压条件下能够用以作功的那一部分能量。 即生物体中进行生物氧化所提供的能。 恒温恒压条件下自由能变化公式为 ΔG =ΔH -T ΔS 意义:1)用其判断一个反应是否能发生; 2)生物体用以作功的能为体内生化反应放出的自由能; 3)生物氧化所提供的能是机体可利用的自由能。

    11. 自由能和化学反应的关系 ΔG与反应途径、反应机理无关。 任何反应,当: ΔG<0 反应可自发进行,为放能反应; ΔG>0 反应不能自发进行,为吸能反应; ΔG=0 体系处于平衡状态,反应可逆。

    12. 2、自由能变化与氧化还原电位差的关系 生物氧化过程包括一系列的氧化还原反应,参与氧化还原反应的每种物质都有氧化态和还原态,称为氧还对;而参与反应的每一氧还对转移电子的势能(即氧化还原体系中失去或获得电子的趋势的高低)叫做氧化还原电位,标准氧化还原电位以E0’表示。 E0’值越小,供出电子的倾向越强,即还原能力越强; E0’值越大,接受电子的倾向越强。在生物体内氧化还原过程中,电子总是从E0’值较小的物质移向E0’值较大的物质,即从还原剂(电子供体)移向氧化剂(电子受体)。后者的E0’值减去前者的E0’值,叫做生化标准氧化还原电位差,用Δ E0’值表示。

    13. Δ G=-nF Δ E0’ n=转移电子差;F:法拉第常数(99.496kJ/V.mol) 标准自由能变化ΔG0 :标准状况下,产物自由能与反应物自由能之差。单位:kJ/mol ΔG’= ΔG0 -RTln[B]/[A] ΔG0’:pH=7时,标准自由能的变化。 每一化学反应有其特定的ΔG0’ ΔG0’的大小依赖于反应的平衡常数K: 当ΔG0=0时, ΔG’= -RTln[B]/[A]= -2.303RT lgK

    14. 由此 1)可从[产物]和[反应物]或反应平衡常数,计算 出标准自由能变化。这在生物化学中有较大意义。 2)自由能变化的可加性: 如反应序列:A→B→C→D 则:反应A→D自由能变化为: ΔG0A-D= ΔG0A-B + ΔG0B-C + ΔG0C-D 只要ΔG0总和<0 ,则该途径可自发进行。 一个热力学上不能进行的反应可由与此偶联的容易进行的反应驱动。

    15. 第二节 ATP

    16. 一、ATP的形成与作用

    17. 焦磷酸 ATP(三磷酸腺苷)

    18. 二、生物能学 ATP的特殊作用 机械能--运动 化学能--合成 渗透能--分泌吸收 电能--生物电 热能--体温 光能--生物发光 荧火虫 ATP是生物系统能量交换的中心

    19. 一般情况下,ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。一般情况下,ATP将磷酸基团转移给肌酸生成磷酸肌酸将能量贮存起来。 磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。

    20. 磷酸肌酸与ATP的转换 磷酸肌酸、磷酸精氨酸(无脊椎动物肌肉中) ——贮能作用

    21. 磷酸肌酸 磷酸精氨酸

    22. 肌酸 磷酸 肌酸 ~P 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 ~P ATP的生成和利用 ATP 机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温) ADP 生物体内能量的储存和利用都以ATP为中心。

    23. 体内有些合成反应不直接利用ATP供能,而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP,生成UTP、CTP、GTP,作为能量的直接来源参与合成反应。体内有些合成反应不直接利用ATP供能,而是由ATP将高能磷酸键转给UDP、CDP和GDP,生成UTP、CTP、GTP,作为能量的直接来源参与合成反应。 如UTP用于糖原的合成,CTP用于磷脂合成,GTP用于蛋白质合成等。

    24. 核苷二磷酸激酶的作用 ATP + UDP ADP + UTP ATP + CDP ADP + CTP ATP + GDP ADP + GTP 腺苷酸激酶的作用 ADP + ADP ATP + AMP

    25. 二、高能化合物 生物体内的放能反应与吸能反应偶联,最基本的形式是通过高能化合物实现的。 1、高能化合物的概念:指含有高能键,在标准条件下(pH=7,250C,1mol/L)发生水解时可释放大量自由能的化合物。 • 高能化合物的共同特点是含有容易断裂的“活泼键”,水解时可释放大于21KJ/mol的能量,常用符号表示。

    26. 2、高能化合物的类型:根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意:并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。2、高能化合物的类型:根据分子中是否含有磷酸可分为磷酸类高能化合物和非磷酸类高能化合物。必须注意:并非所有的磷酸化合物都是高能化合物。 • 高能磷酸键 水解时释放的能量大于21KJ/mol的磷酸酯键,常表示为 P。 • 高能磷酸化合物 含有高能磷酸键的化合物

    27. 也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。也可根据分子结构的特点和所含高能键的特征进行分类。 1)磷氧键型:如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸等 2)磷氮键型:如磷酸肌酸等 3)硫酯键型:如脂酰CoA等 4)甲硫键型:S-腺苷甲硫氨酸

    28. 磷氧键型(—O~P) (1)酰基磷酸化合物 乙酰磷酸 1,3-磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔 10.1千卡/摩尔

    29. 酰基磷酸化合物 酰基腺苷酸 氨甲酰磷酸 氨酰基腺苷酸

    30. (2)焦磷酸化合物 焦磷酸 ATP(三磷酸腺苷) 7.3千卡/摩尔

    31. (3)烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔

    32. 磷氮键型 磷酸肌酸 磷酸精氨酸 10.3千卡/摩尔 7.7千卡/摩尔 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

    33. 硫酯键型 酰基辅酶A 3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸

    34. 甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸

    35. 第三节 呼吸链与氧化磷酸化The Oxidation System of ATP Producing

    36. 一、呼吸链的定义 • 定义 • 在生物氧化过程中,从代谢物脱下的成对氢原子(2H)通过多种酶和辅酶所催化的连锁反应逐步传递,最终与氧结合生成水,这一系列酶和辅酶组成的连锁传递体系称为呼吸链(respiratory chain)又称电子传递链(electron transfer chain)。呼吸链是代谢物上氢原子被脱氢酶激活脱落后,经一系列电子传递体,最后传递给被激活的氧分子而生成水的过程。 • 组成:递氢体和电子传递体(2H  2H+ + 2e),存在于线粒体内膜上

    37. 线粒体的结构

    38. 多肽链数 多肽链数 复合体 复合体 酶名称 酶名称 辅基 辅基 复合体 复合体 Ⅰ Ⅰ 39 39 NADH NADH - - FMN FMN Fe Fe - - S S , , Q还原酶 4 4 复合体 复合体 Ⅱ Ⅱ - - 琥珀酸 琥珀酸 Q还原酶 FAD FAD Fe Fe - - S S , , 10 10 复合体 复合体 Ⅲ Ⅲ - - C C QH2 细胞色素 细胞色素 Fe Fe - - S S 铁卟啉, 铁卟啉, 13 13 复合体 复合体 Ⅳ Ⅳ c c 细胞色素 细胞色素 氧化酶 氧化酶 Cu Cu 铁卟啉, 铁卟啉, 二、呼吸链的组成 呼吸链共包括四种具有传递电子功能的酶复合体(complex,由相应酶和传递体共同组成) 和两种单独成分。 线粒体呼吸链复合体 * Q(泛醌) 和 细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。

    39. 呼吸链各复合体在线粒体内膜中的位置

    40. 呼吸链中包括5类电子载体: ①烟酰胺核苷酸类: 主要作为一类不需氧脱氢酶的的辅酶。有NAD+和NADP+,大多脱氢酶以NAD +为辅酶。 电子和氢离子一起被接受,还原型CoⅠ将氢移到NADH(黄素)脱氢酶上。

    41. NAD+和NADP+的结构 R=H: NAD+; R=H2PO3:NADP+

    42. NAD+(NADP+)和NADH(NADPH)相互转变 氧化还原反应时变化发生在五价氮和三价氮之间。

    43. ②黄素脱氢酶类 黄素脱氢酶(NADH脱氢酶)是黄素蛋白,其辅基FMN( FAD )接受2个氢原子成还原型的黄素单核苷酸。

    44. FMN结构中含核黄素,发挥功能的部位是异咯嗪环,氧化还原反应时不稳定中间产物是FMN•

    45. ③铁硫蛋白类 NADH脱氢酶还有几个非血红素铁原子与酸不稳定的硫原子结合,组合成铁-硫中心(iron-sulfurcenter)。借铁的变价(Fe 3+ →Fe 2+)接受电子并转给辅酶Q。 铁-硫中心:存在于微生物、动物组织中,在NADH呼吸链中有多个不同的铁-硫中心。 NADH脱氢酶复合物包括两个电子传递系统 (酶,FMN,铁-硫中心)。

    46. 铁硫蛋白中辅基铁硫簇(Fe-S)含有等量铁原子和硫原子,其中铁原子可进行Fe2+  Fe3++e 反应传递电子。 Ⓢ 表示无机硫

    47. 半胱氨酸硫 S S 无机硫 铁硫蛋白