生物化学 8 生物氧化与氧化磷酸化
生物化学复习要点-生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化一、教学大纲基本要求教学大纲基本要求讲解生物氧化与氧化磷酸化,1.生物能学简介,包括化学反应的自由能,自由能变化与化学反应平衡常数的关系,标准自由能变化的加和性,高能磷酸化合物,生物氧化的概念和特点。
2.线粒体电子传递,包括线粒体电子传递过程,电子传递链,电子传递链有关的酶和载体,电子传递链的抑制剂。
3.氧化磷酸化作用,包括氧化磷酸化的,P/O比和由ADP形成ATP的部位,电子传递和ATP形成的偶联及调节机制概念,氧化磷酸化的偶联机理,氧化磷酸化的解偶联。
二、本章知识要点1、本章概述有机物分子在生物细胞内被逐步氧化生成CO2,并释放出能量。
电子传递和氧化磷酸化作用使NADH和和FADH2再氧化并以ATP捕获释放出的能量。
真核生物电子传递和氧化磷酸化作用在线粒体内膜进行,而原核生物中过程在质膜上进行。
2、自由能变、反应平衡常数、氧化还原电位体系内能用于做功的能量称为自由能。
对化学反应来说,可以把自由能看成促使化学反应达到平衡的一种驱动力。
反应物自由能的总和与产物的自由能总和之差就是该反应的自由能变化(△G)。
当△G<0时体系未达到平衡,反应可以自发正向进行;当△G>0时体系未达到平衡,必须供能反应才能正向进行;当△G=0时反应处于平衡状态。
在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为一个大气压(0.1MPa),温度为25℃、pH=0的条件下进行反应时自由能的变化称为标准自由能变化(△G0)。
标准自由能变化具有加和性。
对生物化学反应而言,在参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa,温度为25℃、pH=7.0的条件下进行反应时自由能变为标准自由能变化(△G0)。
生化反应中自由能变与反应的平衡常数间的关系可以用△G0=-RTlnK′eq =-2.303RTlogK′eq。
氧化-还原电位(E)是物质对电子亲和力的量度。
生化反应的标准氧化-还原电势(E0 )是在标准状况(参加反应物质的浓度为1mol/L、压力为0.1MPa,温度为25℃)和pH7的条件下测量的,用伏特表示。
医学生物化学(第八章)生物氧化
* 铁硫蛋白为单电子传递体 ( Fe2+-e Fe3+)
+e
20
3. 泛醌(ubiquinone , Q) 又称辅酶Q (Coenzyme Q , CoQ)
21
**泛醌的特点 1)是双电子传递体 2)不与蛋白结合的游离存在的电子载体 3)是复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ之间的连接者,
是多种底物的电子进入呼吸链的中心点
53
四、 ATP与能量的释放、储存和利用
H2O+CO2 ATP
有机物氧化 产能
生物大分子 主动
合成
运输
肌肉 收缩
遗传信 息传递
O2 ADP+Pi
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一、 ATP分子中的高能磷酸基的来源 (一) 氧化磷酸化: 主要来源 (二) 底物水平磷酸化 概念: 在反应过程中,由于分子内部能 量重新分配,形成高能磷酸化合物,进一 步将高能磷酸基转移给ADP,形成ATP
67
AH2
2H+
2Cu2+
O2-
H2O
A 2Cu+
1/2O2
属氧化酶主要有:细胞色素氧化酶、 酚氧化酶、 抗坏血酸氧化酶等
68
(二)需氧脱氢酶 (aerobic dehydrogenase)
特点: 使作用物氢活化, 受氢体:除氧以外还有其他试剂 产物之一是H2O2
69
AH
FMN(FAD)
H2O2
氧化磷酸化
4
糖
脂肪
葡萄糖 脂肪酸 + 甘油
乙 酰CoA
蛋白质
氨基酸
TCA cycle
CO2
H++e (进 入 呼 吸 链 )
生成H2O 及释 放 出 能 量
5
生物氧化与氧化磷酸化
生物氧化与氧化磷酸化知识要点生物氧化的实质是脱氢、失电子或与氧结合,消耗氧生成CO 2和H 2O ,与体外有机物的化学氧化(如燃烧)相同,释放总能量都相同。
生物氧化的特点是:作用条件温和,通常在常温、常压、近中性pH 及有水环境下进行;有酶、辅酶、电子传递体参与,在氧化还原过程中逐步放能;放出能量大多转换为ATP 分子中活跃化学能,供生物体利用。
体外燃烧则是在高温、干燥条件下进行的剧烈游离基反应,能量爆发释放,并且释放的能量转为光、热散失于环境中。
(一)氧化还原电势和自由能变化1.自由能生物氧化过程中发生的生化反应的能量变化与一般化学反应一样可用热力学上的自由能变化来描述。
自由能(free energy )是指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,又称为Gibbs 自由能,用符号G 表示。
物质中的自由能(G )含量是不易测定的,但化学反应的自由能变化(ΔG )是可以测定的。
ΔG 很有用,它表示从某反应可以得到多少有用功,也是衡量化学反应的自发性的标准。
例如,物质A 转变为物质B 的反应:B A −→← ΔG =G B —G A当ΔG 为负值时,是放能反应,可以产生有用功,反应可自发进行;若ΔG 为正值时,是吸能反应,为非自发反应,必须供给能量反应才可进行,其逆反应是自发的。
][][ln B A RT G G o +∆=∆ 如果ΔG =0时,表明反应体系处于动态平衡状态。
此时,平衡常数为K eq ,由已知的K eq 可求得ΔG °:ΔG °=-RT ln K eq2. 2.化还原电势在氧化还原反应中,失去电子的物质称为还原剂,得到电子的物质称为氧化剂。
还原剂失去电子的倾向(或氧化剂得到电子的倾向)的大小,则称为氧化还原电势。
将任何一对氧化还原物质的氧化还原对连在一起,都有氧化还原电位的产生。
如果将氧化还原物质与标准氢电极组成原电池,即可测出氧化还原电势。
标准氧还原电势用E °表示。
生物氧化与氧化磷酸化
第八章生物氧化与氧化磷酸化第一节生物氧化概述一切生物都靠能量维持生存,生物体所需的能量大都来自体内糖、脂肪、蛋白质等有机物的氧化。
生物体内的氧化和生物体外的燃烧在化学本质上虽然最终产物都是水和CO2,所释放的能量也完全相等,但二者所进行的方式却大不相同。
糖、脂肪、蛋白质在生物体内彻底氧化之前,都先经过分解代谢,在不同的分解代谢过程中都伴有代谢物的脱氢过程和辅酶NAD+或FAD的还原。
这些携带着氢离子和电子的还原型辅酶,在最终将氢离子和电子传递给氧时,都经历一段相同的过程,即生物氧化过程。
一、生物氧化的概念人们把有机分子在体内氧化分解成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化(biological oxidation)。
生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化-还原反应,是在细胞或组织中发生的,所以又称为细胞氧化或细胞呼吸,有时也称为组织呼吸。
二、生物氧化的特点生物氧化是发生在生物体内的氧化-还原反应,它具有自然界物质发生氧化-还原反应的共同特征,这主要表现在被氧化的物质总是失去电子,而被还原的物质总是得到电子,并且物质被氧化时,总伴随能量的释放。
有机物在生物体内完全氧化和在体外燃烧而被彻底氧化,在化学本质上是相同的。
例如1mol的葡萄糖在体内氧化和在体外燃烧都是产生CO2和H2O,放出的总能量都是2 867.5kJ。
这并不奇怪,因为氧化作用释放的能量等于这一物质所含化学能与其氧化产物所含的化学能差,放出的总能量的多少与该物质氧化的途径无关,只要在氧化后所生成的产物相同,放出的总能量必然相同。
但是,由于生物氧化是在活细胞内进行的,故它与有机物在体外燃烧有许多不同之处,即生物氧化有它本身的特点:(1)有机物在空气中燃烧时,CO2和H2O的生成是空气中氧直接与碳、氢原子结合的产物。
而有机物在细胞中氧化时,CO2是在代谢过程中经脱羧反应释放出来的,H2O的生成则是通过更复杂的过程完成的。
(2)生物氧化是在一系列酶的催化下、在恒温恒压下进行的反应,而有机分子在体外燃烧时需要高温。
第八章 生物化学-生物氧化
鱼藤酮、 安密妥、 杀粉蝶素
抗霉 素A
CN –、N3 – CO、H2S
第三节 氧化磷酸化
一、概念:通过生物氧化放能和ADP磷酸化生成ATP 相偶联的过程。
二、类型: 底物水平磷酸化:高能磷酸化合物在酶的 作用下将高能磷酸基团转移给ADP合成ATP的过程。
2019/10/22
COOH
C O~ P
CH2 PEP
该复合体又称为细胞色素氧化酶、 呼吸链末端氧化酶。
Cytc 2e-
2H+
2e-
a
a3
1/2O2 + H+
H2O
2019/10/22
17
三、工作机理:1. 呼吸链组分排列顺序及氧化还原电位:
NADH FMN CoQ b c1 c aa3 O2 -0.32 –0.30 0~0.1 +0.07 +0.22 +0.25 +0.385 +0.816
第八章 生物氧化与氧化磷酸化
内容提示: 1、弄清生物氧化的方式、特点、意义;CO2和H2O生成方式; 2、清楚高能键、高能化合物类型;ATP作为能流通货的原因; 3、线粒体呼吸链组成成分及工作机理:电子传递机理、能量计算; 4、生物体中ATP的生成方式:底物磷酸化、氧化磷酸化;偶连部位;
氧化磷酸化机理:化学渗透学说要点; 5、明确下列概念及其生物学意义;能荷磷氧比值(P/O);末端氧化
S
S
Fe
Fe
S
S
S
肽
S
Fe —S(半胱)
(半胱) S —Fe
S
(半胱) S —Fe
S
S
Fe — S(半胱)
Fe2+
生物化学复习资料
⽣物化学复习资料第六章⽣物氧化与氧化磷酸化(⼀)名词解释1、⽣物氧化(biological oxidation):有机物质在⽣物体内氧化分解⽣成⼆氧化碳和⽔并释放能量的过程。
2、电⼦传递链⼜称呼吸链(electron transter chain ETC):指存在于线粒体内膜(原核⽣物存在于质膜)上的⼀系列氢传递体和电⼦递体,按⼀定的顺序组成了从供氢体到氧之间传递电⼦的链。
3、氧化磷酸化作⽤(oxidative phosphorylation):指电⼦在电⼦传递链上传递和ATP形成相互偶联的过程。
即与⽣物氧化作⽤相伴⽽⽣的磷酸化作⽤。
4、磷氧⽐(P/O ratio):指在⽣物氧化中,每消耗⼀个氧原⼦所⽣成的ATP分⼦数,或每消耗⼀摩尔原⼦氧⽣成的ATP摩尔数。
(⼆)问答题1、何谓⽣物氧化?它有何特点?其作⽤的关键是什么?⽣物氧化的⽅式?①见名词解释“⽣物氧化”;②特点:A、活细胞内,反应条件温和;B、⼀系列酶的催化下逐步进⾏;C、能量逐步释放,部分能量可被利⽤,利⽤效率较⾼;③作⽤的关键;⼀是代谢物分⼦中的氢如何脱出,⼆是脱出的氢如何与分⼦氧结合成⽔并释放能量;④⽅式:通常为三种氧化⽅式A:加氧:在⼀种物质分⼦上直接加氧NH3-CH2-COOH+1/2O2→O=CHCOOH+NH4+H2O -2HB:脱氢:加⽔脱氢:CH3CHO——→CH3 – CH – OH——→CH3COOH|OH-2H直接脱氢:HOOC—CH2—CH2—COOH——→HOOC—CH=CH—COOHC:脱电⼦:-eCyt(Fe2+)——→Cyt(Fe3+)2、举例说明⾼能化合物可分为哪⼏种键型。
(1)磷氧键型,如1,3—⼆磷酸⽢油酸、ATP、磷酸烯醇式丙酮酸;(2)磷氮键型,如磷酸肌酸;(3)硫脂键型,如⼄酰CoA;(4)甲硫键型,如S—腺苷甲硫氨酸;(5)碳氧键型,如氨酰——tRNA。
3、电⼦传递链上有哪⼏类电⼦传递体?各如何作⽤?(1)烟酰胺核苷酸类。
第六(8)章生物氧化与氧化磷酸化
,故称为细胞色素。
细胞色素通过辅基中的铁离子价的可逆变 化进行电子传递。它在呼吸链中作为单电子传 递体。
血红素
Cyt.类基本结构
Cys 蛋白质部分 S H3C- CH H3C-
多肽链
Cys CH3 S
细 胞 色 素
N
铁卟啉 H3CCH2 CH2 COO-
-CH - CH3 Fe N 3+ N -CH3
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 。
CH3CH2OH
乙醇脱氢酶
CH3CHO
NAD+
NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2
O=
2H+
H2 O
(4)当有机物被氧化成CO2和H2O时,释放的 能量怎样转化成ATP。
2)磷氮键型
O NH C N NH CH3 P O O
NH C N NH CH3 O P O NH2 O
CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
磷酸肌酸是易兴奋组织(如肌肉、脑、神经)唯一的能起 暂时储能作用的物质。 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质
[ATP]+1/2[ADP] 能荷= [ATP]+[ADP]+[AMP]
能荷可调节代谢,能荷高时,抑制物质分解代谢,促 进物质的合成代谢;能荷低,促进物质分解代谢,抑制 物质的合成代谢。
能荷调节主要是通过 ATP 、ADP、AMP作为一些 调节酶的变构效应物而起 作用的。 如糖酵解中磷酸果糖 激酶的调控:高浓度的ATP 是该酶的变构抑制剂,ATP 的抑制作用可被AMP解除。
第10章 生物氧化与氧化磷酸化
第二节
生物能及其存在形式
一、生物能和 ATP 1. ATP 是生物能存在的主要形式 ATP 是能够被生物细胞直接利用的能量形式 2. 生物化学反应的自由能变化 生物化学反应与普通的化学反应一样,也服从热力学的规律 二、高能化合物 1.概念 一般将水解时能够释放 21kJ/mol(5 千卡/mol)以上自由能(G’< -21 kJ / mol) 的化合物称为高能化合物。 2. 种类 根据生物体内高能化合键的特性可以把他们分成以下几种类型: (1).磷氧键型(-O~P) ①酰基磷酸化合物 ②酰基磷酸化合物 ③烯醇式磷酸化合物
(2).黄素蛋白
(3).铁硫蛋白
(4).辅酶 Q
(4).细胞色素体系 细胞色素(cytochromes)Cyt 是一类含铁卟啉辅基(即血红素)的蛋白质 把电子从 CoQ 传递到分子氧的过程中起着重要作用 Cyt a Cyt a Cyt Cyt b Cyt c Cyt c Cyt c1 Cyt a3 都是完全的膜结合蛋白
③加水脱氢
H R C O H 2O H R C OH OH 酶 O R C OH + 2H + + 2e -
2、氧直接参加的氧化反应 加氧酶催化的加氧反应 ①加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中
②氧化酶催化的生成水的反应 氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应, 反应产物为水。 在各种脱氢反应中产 生的氢质子和电子,最后都是以这种形式进行氧化的。 3、生成二氧化碳的氧化反应 ①直接脱羧作用 氧化代谢的中间产物羧酸在脱羧酶的催化下,直接从分子中脱去羧基。例如 a-酮戊二 酸的氧化脱羧 ②氧化脱羧作用 氧化代谢中产生的有机羧酸(主要是酮酸)在氧化脱羧酶系的催化下,在脱羧的同时, 也发生氧化(脱氢)作用。例如异柠檬酸的氧化脱羧 三、生物氧化的特点 1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程,反应条件温和(水溶液,pH7 和常温) 2、氧化进行过程中,必然伴随生物还原反应的发生
第八章 氧化磷酸化
5
10
13
有
有
—
+0.02
+0.20
0.57
—
有
有
(2) 电子来自两个方向: 复合体Ⅰ、复合体Ⅱ
(3) 复合体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中含有 FeS蛋白帮助电子的传递。
(4) ATP形成的部分。
线粒体内膜呼吸链的电子传递过程与 ADP的磷酸化过程偶联示意图
3.呼吸链的抑制剂:
能够切断呼吸链中某一部位电 子流的物质称为电子传递抑制剂(呼 吸链抑制剂)。如果把电子传递链中 断,那么,正常的生命现象活动就要 受到干扰或因此而告终。已知呼吸链 上有三处进行氧化磷酸化的偶联反应, 在三个部位分别受到不同的抑制剂抑 制。
(2) 这个顺序从热力学关系上看也是合理的, 大量的实验已经证明,它也符合细胞本身 的电子传递顺序。
电子载体的氧化还原电位
氧化还原对
NAD+/NADH FMN/FMNH2(酶结合型) Fe3+-S/Fe2+-S(平均)
CoQ/CoQH2 Cyt b(Fe3+)/Cyt b(Fe2+) Fe3+-S/Fe2+-S Cyt c1(Fe3+)/Cyt c1(Fe2+) Cyt c(Fe3+)/Cyt c(Fe2+) Cyt a(Fe3+)/Cyt a(Fe2+) Cu2+/Cu+(平均) Cyt a3(Fe3+)/Cyt a3(Fe2+) 1/2O2/H2O
总之:能荷由ATP、ADP和AMP的相对数量决
定,它在代谢中起控制作用。高能荷抑制ATP的生成( 分解代谢)途径而激活ATP利用(合成代谢)途径。
第一节 电子传递链 (呼吸链)
生物氧化与氧化磷酸化
例如,物质 A 转变为物质 B 的反应:
A
B
△G = GB-GA 当△G 为正值时,反应是吸能的,不能自发进行,必须从外界获得能量才能被动进行,
192
但其逆反应则是自发的;当△G 是负值时,反应是放能的,能自发进行,自发反应进行的
推动力与自由能的降低成正比。一个物质所含的自由能越少就越稳定。由此可见△G 值的
(oxidation-reduction potentials)相对地表示各种化合物对电子亲和力的大小。
生物体内任何的氧化还原物质连在一起,都可以有氧化-还原电位产生。生物体内许多
重要的生化物质氧化-还原体系的氧化-还原电位已经测出,其数据见表 6-1。
因为氧化还原电位较高的体系,其氧化能力较强;反之,氧化还原电位较低的体系,
可以看出,△G 不但取决于反应物和产物的化学结构,还取决于它们的浓度,因为浓 度决定反应的方向。
化学反应的自由能随环境温度和物质浓度(活度)而改变,在比较自由能变化时,必 须在标准状况下进行测定,即 25℃,溶液中溶质的标准状态为单位摩尔浓度,若为气体, 则为 101.325kPa,所测得的值称为标准自由能变化,用△G 表示。
本章首先介绍生物氧化的基本概念、特点及方式,然后侧重讨论各类有机物(糖、蛋 白质、脂肪等)在细胞内进行生物氧化所经历的一段共同的终端氧化过程中,代谢中间物 脱氢生成的还原型辅酶(NADH 和 FADH2)如何经电子传递链(呼吸链)的电子传递被分 子氧氧化,电子传递过程如何与 ADP 磷酸化生成 ATP 的过程相偶联。
在化学反应中,自由能和化学反应平衡常数 Keq 之间有如下的关系△G =-RTlnKeq。 在生物体内参与反应的物质浓度都很低,往往不是在标准状况,所测得的自由能变化并不 是标准自由能变化,用△G 表示。△G 与标准自由能变化△G 之间有一定的关系,可用公 式表示△G=△G +RTlnKeq。
生物氧化与氧化磷酸化
3. 生物氧化的方式
• 加氧 • 脱氢 • 脱电子
二、氧化还原电势和自由能
1.自由能(free energy) 指物质能用于做功的能量。 恒温恒压下体系自由能变化 △ G = △H - T△S
△ G <0 反应能自发进行,为放能反应 △ G >0 反应不能自发进行,需补充自由能 才能推动反应进行,为吸能反应 △ G =0 反应达到平衡状态
一.线粒体的结构基础
外膜(对小分子和离子通透)
嵴
内膜
(只允许非极性的小分子如 O2和CO2通过)
H+不能通过扩散跨过内膜
(基质)
外膜上蛋白质种类很少
内膜上蛋白质种类很多 转运蛋白 电子传递链上的各种组分和ATP合酶等 膜间隙
线粒体
基质中含有很多氧化途径的酶类,还有线粒体基因组 复制,转录和翻译所需要的全部酶类。
注意:
• 反应可以自动发生并不意味着反应的速度 就很快。反应速度与活化能有关。 • 一个开放体系的熵可以降低,代价是消耗 额外的能量。 • 整个生命过程的自由能变化是负值,所以 生命是一个不可逆的过程。
热力学第二定律的核心: 宇宙总是趋向于越来越无序。
• 自然界孤立体系中的一切变化都是自发的 向混乱度增加的方向进行,△S>0。
n=6-10
完全氧化的状态
部分氧化的半醌式自由基中间体
血红素C
细胞色素c的血红素 以共价键与蛋白相结合
血红素A
d类细胞色素仅在细菌中发现,其辅基为铁二氢卟啉
• 高等动物线粒体电子传递链中至少有5种细 胞色素:b,c1,c,a和a3. • 细胞色素c是膜的外周蛋白,位于线粒体内 膜的外侧,能被盐溶液抽提;其他的细胞 色素都紧紧地与线粒体内膜相结合,需要 高浓度的去垢剂才能把它们增溶下来。
生物化学名词解释
生物氧化与氧化磷酸化1.生物氧化:生物体内有机物质氧化而产生大量能量的过程称为生物氧化。
生物氧化在细胞内进行,氧化过程消耗氧放出二氧化碳和水,所以有时也称之为“细胞呼吸”或“细胞氧化”。
生物氧化包括:有机碳氧化变成CO2;底物氧化脱氢、氢及电子通过呼吸链传递、分子氧与传递的氢结成水;在有机物被氧化成CO2 和H2O的同时,释放的能量使ADP 转变成A TP。
2.呼吸链:有机物在生物体内氧化过程中所脱下的氢原子,经过一系列有严格排列顺序的传递体组成的传递体系进行传递,最终与氧结合生成水,这样的电子或氢原子的传递体系称为呼吸链或电子传递链。
电子在逐步的传递过程中释放出能量被用于合成A TP,以作为生物体的能量来源。
3.氧化磷酸化:在底物脱氢被氧化时,电子或氢原子在呼吸链上的传递过程中伴随ADP 磷酸化生成A TP 的作用,称为氧化磷酸化。
氧化磷酸化是生物体内的糖、脂肪、蛋白质氧化分解合成A TP 的主要方式。
4、磷氧比:电子经过呼吸链的传递作用最终与氧结合生成水,在此过程中所释放的能量用于ADP 磷酸化生成A TP。
经此过程消耗一个原子的氧所要消耗的无机磷酸的分子数(也是生成A TP 的分子数)称为磷氧比值(P/O)。
如NADH 的磷氧比值是3,FADH2 的磷氧比值是2。
底物水平磷酸化:在底物被氧化的过程中,底物分子内部能量重新分布产生高能磷酸键(或高能硫酯键),由此高能键提供能AD(GD磷酸化生A T(GT的过程称为底物水平磷酸化此过程与呼吸链的作用无关以底物水平磷化方式只产生少A T如在糖酵EM的过程中3磷酸甘油醛脱氢后产生1,3二磷酸甘油酸在磷酸甘油激酶催化下形成A TP 的反应以及磷酸甘油酸脱水后产生的磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶催化形A TP的反应均属底物水平的磷酸化反应。
另外在三羧酸环TC)中,也有一步反应属底物水平磷酸化反应,酮戊二酸经氧化脱羧后生成高能化合物琥珀酰CoA,其高能酯键在琥珀CoA合成酶的催化下转移GDP生GT。
《生物化学》生物氧化与氧化磷酸化
电子体传递给被氧化酶激活的氧而生成H2O 。
乙醇脱氢酶 CH3CH2OH
CH3CHO
NAD+ NADH+H+
NAD+
2e
电子传递链
1\2 O2 O-
2H+
H2O
第一节 生物氧化概述
二、 生物化学反应的自由能变化
1、自由能(free energy)的概念 物理意义:恒温恒压下,体系中能对环境作功的那部分能 量称为自由能,又称Gibbs自由能,用G表示)。
抑[例制1电]2,子4-二传硝递。基苯酚(dinitrophenol, DNP)
NO2 H+Fra bibliotekNO2 O-NO2
外 线内 粒
体
NO2
内 膜
OH
NO2
NO2
NO2
OH H+
NO2 O-
第三节 氧化磷酸化
五、线粒体穿梭系统
胞液中生成的NADH不能自由通过线粒体内膜 转运胞液NADH的机制主要有: ➢磷酸甘油穿梭系统(肌细胞) ➢苹果酸-天冬氨酸穿梭系统(肝细胞)
CH3-C-COOH
CoASH NAD+
NADH+H+
R CH2-NH2 +CO2
CH3COSCoA+CO2
第一节 生物氧化概述
一、生物氧化的概念
(三)生物氧化中CO2和H2O 的产生 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
第一节 生物氧化概述
三、高能化合物
(一)生物体内的高能化合物
2、磷氮键型 3、硫碳键型
《生物化学》生物氧化与氧化磷酸化 (2)
FADH2 2e-
-55.6kJ/mol -34.7kJ/mol
呼吸链的 偶联部位
-102.1kJ/moL
第三节 氧化磷酸化
二、氧化磷酸化与电子传递的偶联 (一)呼吸链中电子传递时自由能的下降
NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化
FADH2
2e-
ΔG’ = - n FΔEӨ′ = - 2×96.5×[0.82-(-0.32)] = - 220.07 kJ·mol-1
第二节电子传递链(呼吸链)
二、电子传递链 (一)电子传递链的组成
1. 黄素蛋白(flavoprotein, FP) 2. 铁硫蛋白(iron—sulfur protein) 3. 泛醌(ubiquinone) 4. 细胞色素(cytochromes)
第二节电子传递链(呼吸链)
二、电子传递链
(一)电子传递链的组分
EӨ愈大表明该物质获得电子的倾向愈大, EӨ愈小则失去电子的 倾向愈大。
因此,在氧化还原体系中,电子总 是由低电位物质流向高电位物质。
第一节 生物氧化概述
氧化还原电位与自由能之间的关系:
在氧化还原反应系统中,标准自由能变化与标准氧化还原电位 变化之间存在下列关系:
ΔGӨ’ = - n F ΔEӨ’
Cyt氧化酶
辅基 FMN,Fe-S FAD,Fe-S,Cytb
铁卟啉,Fe-S
铁卟啉,Cu
第二节电子传递链(呼吸链) 琥珀酸等
二、电子传递链 (二)线粒体呼吸链
(FAD)
NADH
(FMN)
铁硫蛋白
呼吸链中的电子传递有着严格的方 铁硫蛋白 向和顺序,即电子从EӨ’低的传递 (Fe-S)
体依次通过EӨ’较高的传递体逐步
食品生物化学名词解释
名词解释1.生物氧化:糖、脂肪和蛋白质等有机物在体内逐步氧化分解成CO2和H2O,并释放出能量的过程称为生物氧化。
2.联合脱氨基作用:转氨基作用和氧化脱氨基作用配合进行的叫做联合脱氨基作用。
分为①氨基酸的脱氨基借转氨基与Glu的氧化脱氨偶联;②氨基酸的脱氨基与嘌呤核苷酸循环偶联。
3.别构效应:蛋白质的构象并不是固定不变的,当有些蛋白质表现其生物功能时,其构象发生改变,从而改变了整个分子的性质,这种现象称为别构效应。
4.冈崎片断:DNA半不连续复制的过程中,一条链是连续合成的,另一条链的合成是不连续的,即先合成若干短片段,再通过酶的作用将这些短片段连在一起构成第二条链。
这些短的片段就称为冈崎片段。
5.增色效应:核酸变性后,260nm的紫外吸收值明显增加。
6、同工酶:是指能催化相同的化学反应,但其分子组成及结构不同,理化性质和免疫学性质彼此存在差异的一类酶。
它们可以存在于同以种属的不同个体,或同一个体的不同组织器官,甚至存在于同一细胞的不同亚细胞结构中。
7、糖原异生作用:由简单的非糖前体转变为糖的过程。
糖异生不是糖酵解的简单逆转。
虽然由丙酮酸开始的糖异生利用了糖酵解中的七步进似平衡反应的逆反应,但还必需利用另外四步酵解中不曾出现的酶促反应,绕过酵解过程中不可逆的三个反应。
8.氧化磷酸化:生物体通过生物氧化所产生的能量,一部分用以维持体温外,大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物ATP中。
这种伴随放能的氧化作用而进行的磷酸化称为氧化磷酸化。
9、诱导契合假说::认为酶分子的结构并非与底物分子正好互补,而是具有一定的柔性,当酶分子与底物分子靠近时,酶受底物分子诱导,其构象发生有利于与底物结合的变化,酶与底物在此基础上互补契合进行反应。
10、超二级结构:在蛋白质分子中特别是球状蛋白质中经常可以看到若干相邻的二级结构元件(主要是α螺旋和β折叠)组合在一起,彼此相互作用,形成种类不多的,有规则的二级结构组合或者二级结构串,在多种蛋白质中充当三级结构的构建,称之为超二级结构。
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O
O O-
C O P O-
CH OH O
O
O
H3N+ C O P OO-
氨甲酰磷酸
乙酰磷酸
CH2 O P O-
10.1千卡/摩尔
O-
O
O
O
O
1,3-二磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔
RC O P O O-
酰基腺苷酸
A
RCH C O P O
N+H3
O-
氨酰基腺苷酸
A
2)焦磷酸化合物
OO
NH2
O- P O P O-
电子载体
1. 烟酰胺核苷酸类 2. 黄素蛋白类 (flavoproteins, FP) 3. 铁-硫蛋白类 (iron—sulfur proteins) 4. 泛醌(辅酶Q) (ubiquinone,亦写作CoQ) 5. 细胞色素类 (cytochromes)
琥珀酸等
黄素蛋白 (F AD)
铁硫蛋白 (Fe-S)
键,常表示为 P。 高能磷酸化合物
含有高能磷酸键的化合物
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
(1)磷氧键型(—O~P)
1)酰基磷酸化合物
NADH
黄素蛋白 (FMN)
铁硫蛋白 (Fe-S)
辅酶Q (CoQ)
Cyt b
Fe-S 细胞色素类 Cyt c1
Cyt c
Cyt aa3
O2
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上。
生物氧化与氧化磷酸化
内容提要
生物氧化概述 电子传递链(呼吸链) 氧化磷酸化 其他末端氧化酶系统
一、生物氧化概述
❖ 生物氧化的概念 ❖ 生物氧化的特点 ❖ 生化反应的自由能变化 ❖ 高能化合物
(一)生物氧化的概念
1 、概念
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,因此又称为细胞呼吸、细胞氧化或 组织呼吸。
为反应达到平衡时的浓度。代入(1) ΔGθ’= -RTln Keq = -2.303RT lgKeq 标况下,T=298K, R=1.987 cal/mol.
=8.314 J/mol.k
3、自由能变化与氧化还原电位差的关系
❖ 氧还对:氧化还原反应中,参与反应的每一种物 质都有氧化态和还原态,称为氧还对。
线粒体呼吸链复合体
复合体
酶名称 多肽链数 辅基
复合体Ⅰ NADH- Q还原酶
39 FMN,Fe-S
复合体Ⅱ 琥珀酸- Q还原酶
4
FAD ,Fe-S
复合体Ⅲ QH2-细胞色素C
10 铁卟啉,Fe-S
复合体Ⅳ 细胞色素c氧化酶
13 铁卟啉,Cu
* 辅酶Q(泛醌) 和 细胞色素C(Cytc)均不包含在上述四种复合体中。
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。
2、黄素蛋白酶类
以FAD或FMN为辅基,酶蛋白为细胞膜 组成蛋白接受2个氢原子成还原型的黄素单核 苷酸。
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• 。
7.3
ADP(ADP→AMP+Pi)
7.3
AMP(AMP→腺苷+Pi)
3.4
1-磷酸葡萄糖
5.0
6-磷酸葡萄糖
3.3
6-磷酸果糖
3.8
1-磷酸甘油酸
2.2
➢ ATP→ADP+Pi ΔG0’=7.3, 居中 故ATP是磷酸基团转移反应的中间载体
磷酸基团转移势能(kcal/mol)
16
PEP
14
丙酮酸激酶:PEP+ADP→丙酮酸+ATP
ΔG随温度和物质浓度而变化
2、标准自由能变化及其与平衡常数的关系
❖ 标准自由能变化(ΔGθ ):指在标准条件下, 即温度为25℃,参加反应的物质浓度为 1mol/L,若有气体,则为1个大气压,pH为7时, 测定的自由能变化。单位为J/mol,KJ/mol
ΔG = ΔGθ + RTln[B]/[A] (1) ΔG =0, [B]/[A]=Keq ,Keq 为平衡常数,[B]和[A]
① ATP是生物体通用的能量货币。 ② ATP是磷酸基团转移反应的中间载体。
ATP是通用的能量货币
➢有机物氧化分解产生的能量并不 直接用于活细胞的生理活动,而是 将ADP磷酸化生成ATP
➢当ATP+H2O →ADP + Pi时,释放 出的自由能,为生命活动提供能量; 即构成了ATP / ADP循环。
糖、脂肪和蛋白质
CO2 +H2O +能量
2 、生物氧化主要包括三方面的内容
(1)细胞如何在酶的催化下将有机化合物中的C 变成CO2?
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。
O CH3-C-COOH
CoASH
丙酮酸脱氢酶系
CH3COSCoA+CO2
NAD+
NADH+H+
H2O
(3)当有机物被氧化成CO2和H2O时,释放 的能量怎样转化成ATP?
底物水平磷酸化 氧化磷酸化
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 (氧化)
+Pi
H
三羧酸 循环
生物氧化的三个阶段
大分子降解成 基本结构单位
小分子化合物分 解成共同的中间 产物(如丙酮酸 、乙酰CoA等)
❖ 生化标准氧化还原电位( Eθ ):生化标准条件下, 发生氧化还原反应的每一氧还对的电子转移势能。 在氧化还原反应中,电子总是从Eθ ’值较小的 物质转移到Eθ ’值较大的物质,即从还原剂流向 氧化剂。
❖生化标准氧化还原电位差(Δ Eθ ’):
Δ Eθ ’= Eθ ’氧化剂- Eθ ’还原剂 ΔG0’ = —nFΔEθ ’
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。
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。
O
NH
PO
C NH O
N CH3 NH2
CH2CH2CH2CHCOOH 磷酸精氨酸
7.7千卡/摩尔
➢ 磷酸肌酸是易兴奋组织(如肌肉、脑、神经)唯一的能起 暂时储能作用的物质。
➢ 磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的储能物质。
(3)硫酯键型
O R C SCoA
酰基辅酶A
NH2
N
N
O
OS O-
O
OP O-
NN OCH2 O
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。
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
共同中间物进入 三羧酸循环,变成 CO2。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。
(二)生物氧化的特点
❖生物氧化和有机物在体外氧化(燃烧)的实 质相同,都是脱氢、失电子或与氧结合,消耗 氧气,都生成CO2和H2O,所释放的能量也相 同。但二者进行的方式和历程却不同:
生物氧化
体外氧化
温和条件 (常温、常压、中性pH、水溶液)
逐步氧化放能,能量利用率高
高温或高压、干燥条件 能量爆发释放
释在线粒体内膜,原核细胞在质膜上进行。
(三)生化反应的自由能变化
1、自由能(Gibbs,G)的概念
在恒温恒压条件下,体系可以用来对环境作功的 那一部分能量。即生物体中进行生物氧化所提供的能。
❖ 电子传递链在原核生物存在于质膜上,在真 核细胞存在于线粒体内膜上。
线粒体的结构
➢ 线粒体内膜向内折叠形成 嵴(cristae),扩大了内 膜的面积。
➢ 内膜表面含有 • 执行氧化反应的电子传递
链 • ATP合成酶 • 线粒体内膜转运蛋白
嵴褶 膜间空间 基质
外膜 内膜
(二)电子传递链组成
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。
N
N
O-
O-
焦磷酸
O O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
ATP(三磷酸腺苷) 7.3千卡/摩尔
3)烯醇式磷酸化合物
COOH O
CO PO
CH2
O
磷酸烯醇式丙酮酸