生物氧化专业知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、生 物 氧 化Biological Oxidation第1页有机物(主要指糖、脂肪、蛋白质等)在生物细胞内进行氧化分解而生成CO2 和 H2O并释放能量过程称生物氧化(Biological Oxidation),又称细胞氧化或细胞呼吸.糖 脂肪 蛋白质 CO2和H2O O2能量ADP+PiATP热能生物氧化概念 第2页有机物中C CO2(脱羧作用:TCA)有机物中H+O2 H2O(ETS)当有机物被氧化成CO2 和H2O时,释放能量怎样储存于ATP(氧化磷酸化)广义生物氧化狭义生物氧化第3页生物氧化特点和方式 条件温和(常温常压、近中性pH、有 水活细胞中)酶促反应(是在一系列酶、辅酶和中间
2、传递体作用下逐步进行 逐步放能,释放能量储备在ATP中第4页 与磷酸化偶联 CO2是代谢物经脱羧作用产生 碳氧化与氢氧化是非同时进行 原核生物在细胞膜上进行,真核生物 在线粒体进行第5页COCO2 2生成生成 方式:糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基中间化合物,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CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例:例:+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第6页H2O生成生成 代谢物在脱氢酶催化下脱下氢由对应氢载体(NAD+、NA
3、DP+、FAD、FMN等)所接收,再经过一系列递氢体或递电子体传递给氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶例:例:12 O2NAD+电子传递链电子传递链 H2O2eO=2H+第7页化学反应自由能计算 a.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自由能改变 b.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G第8页计算磷酸葡萄糖异构酶反应自由能改变达平衡时 =Keq=19解:G=-RTlnKeq =-
4、2.3038.314 311 log19=-7.6KJ.mol-1G=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到达平衡时,G-1-P占5%,G-6-P占95%,求 G0。假如反应未到达平衡,设G-1-P=0.01mol.L,G-6-P=0.001mol.L,求反应 G是多少?例题:第9页例题:计算下反应式例题:计算下反应式GGNADH+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
5、.3G-nFE -2964850.82-(-0.32)-220 KJmol-1 第10页 生物氧化与体外氧化之相同点生物氧化中物质氧化方式有加氧、脱氢、失电子,遵照氧化还原反应普通规律。物质在体内外氧化时所消耗氧量、最终产物(CO2,H2O)和释放能量均相同。第11页是在细胞内温和环境中(体温,pH靠近中性),在一系列酶促反应逐步进行,能量逐步释放,有利于机体捕捉能量,提升ATP生成效率。进行广泛加水脱氢反应使物质能间接取得氧,并增加脱氢机会;脱下氢与氧结合产生H2O,有机酸脱羧产生CO2。生物氧化与体外氧化之不一样点生物氧化体外氧化能量是突然释放。产生CO2、H2O由物质中碳和氢直接与氧结合
6、生成。第12页ATP相当于生物体内能量“转运站”生物氧化过程产生能量通常都先贮存在一些特殊高能化合物中,主要是腺苷三磷酸,即ATP,然后经过ATP再供给机体需能反应,所以,是能量“流通货币”ATP是细胞内“能量通货”ATP是细胞内磷酸基团转移中间载体第13页ATPATP特点特点 在pH=7环境中,ATP分子中三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷离子形式(ATP4-),含有较大势能,加之水解产物稳定,因而水解自由能很大(G=-30.5千焦/摩尔)。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O O P P O O P P O O P P O O-O OO OO OO O-O O-O O-+MgMg2 2+ATP4-+H
7、2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1第14页糖原糖原 三酯酰甘油三酯酰甘油 蛋白质蛋白质 葡萄糖葡萄糖 脂酸脂酸+甘油甘油 氨基酸氨基酸 乙酰乙酰CoA TAC TAC 2H 2H 呼呼吸吸链链 H H2 2O O ADP+Pi ATP COCO2 2 *生物氧化普通过程第15页生物氧化方式 加氧反应 物质分子中直接加入氧分子或氧原子,这种物质即被氧化。【甲烷单加氧酶甲烷单加氧酶】CHCH4 4+NADH +O+NADH +O2 2 CH CH3 3-OH +NAD-OH +NAD+H +H2 2O
8、O第16页脱氢反应从作用物分子中脱下一对质子和一对电子。琥珀酸脱氢第17页加水脱氢反应向作用物分子中加入水分子,同时脱去两个质子和两个电子,其总结果是底物分子中加入一个来自水分子氧原子。脱电子(e)反应从作用物分子中脱下一个电子。细胞色素氧化酶Fe2+Fe3+e-第18页电子传递和氧化呼吸链第19页电子传递链(呼吸链)线粒体基质是呼吸底物氧化场所,底物在这里氧化所产生NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜载体上,经过一系列氢载体和电子载体传递,最终传递给O2生成H2O。这种由载 体 组 成 电 子 传 递 系 统 称 电 子 传 递 链(eclctron transfer chain),因
9、为其功效和呼吸作用直接相关,亦称为呼吸链。第20页电子传递链主要由以下五类电子传递体组成烟酰胺脱氢酶类黄素脱氢酶类铁硫蛋白类细胞色素类辅酶Q(又称泛醌)它们都是疏水性分子。除脂溶性辅酶Q外,其它组分都是结合蛋白质,经过其辅基可逆氧化还原传递电子 NADH辅辅 酶酶 Q(CoQ)Fe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3琥珀酸等琥珀酸等黄素蛋白黄素蛋白(F AD)黄素蛋白黄素蛋白(FMN)细胞色素类细胞色素类铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)铁硫蛋白铁硫蛋白(Fe-S)第21页四种含有传递电子功效酶复合体(complex)*泛醌泛醌 和和 Cyt c 均不包含在上述四种复合体中。均不包
10、含在上述四种复合体中。人线粒体呼吸链复合体复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶辅基辅基FMN,Fe-S FAD,Fe-S 铁卟啉,铁卟啉,Fe-S 铁卟啉,铁卟啉,Cu 多肽链数多肽链数394 1013 复合体复合体酶名称酶名称复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体复合体NADH-泛醌还原酶泛醌还原酶琥珀酸琥珀酸-泛醌还原酶泛醌还原酶泛醌泛醌-细胞色素细胞色素辅基辅基FMN,Fe-S FAD,Fe-S 铁卟啉,铁卟啉,Fe-S
11、 铁卟啉,铁卟啉,Cu 多肽链数多肽链数394 1013 第22页NADH呼吸链呼吸链NADHFMNCoQFe-SCyt c1O2Cyt bCyt cCyt aa3Fe-SFADFe-S琥珀酸琥珀酸等等复合物复合物 II复合物复合物 IV复合体复合体 I复合物复合物 IIINADH脱氢酶脱氢酶细胞色素细胞色素还原酶还原酶细胞色素细胞色素氧化酶氧化酶琥珀酸琥珀酸-辅酶辅酶Q还原酶还原酶FADH2呼吸链呼吸链第23页 Cytc Q NADH+H+NAD+延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-第24页烟酰胺脱氢
12、酶类烟酰胺脱氢酶类 特特点点:以以NADNAD+或或NADPNADP+为为辅辅酶酶,存存在在于于线线粒粒体体、基质或胞液中。基质或胞液中。传递氢机理传递氢机理:NAD(P)NAD(P)+2H+2H+2e NAD(P)H+H+2e NAD(P)H+H+第25页黄素蛋白酶类黄素蛋白酶类 特点特点:以以FADFAD或或FMNFMN为辅基,酶蛋白为细胞膜组成蛋白为辅基,酶蛋白为细胞膜组成蛋白类别类别:黄素脱氢酶类(如黄素脱氢酶类(如NADHNADH脱氢酶、琥珀酸脱氢酶)脱氢酶、琥珀酸脱氢酶)需氧脱氢酶类(如需氧脱氢酶类(如L L氨基酸氧化酶)氨基酸氧化酶)加单氧酶(如赖氨酸羟化酶)加单氧酶(如赖氨酸羟
13、化酶)递氢机理:递氢机理:FAD(FMN)+2H FAD(FMN)HFAD(FMN)+2H FAD(FMN)H2 2第26页1.复合体:NADH-泛醌还原酶u 功效功效:将电子从将电子从NADHNADH传递给泛醌传递给泛醌 (ubiquinone)(ubiquinone)复合体复合体NADH NADH CoQ CoQ FMN;Fe-SFMN;Fe-SN-1a,bN-1a,b;Fe-SFe-SN-4N-4;Fe-SFe-SN-3N-3;Fe-S;Fe-SN-2 N-2 由由NADHNADH脱氢酶(一个以脱氢酶(一个以FMNFMN为辅基黄素蛋白)为辅基黄素蛋白)和一系列铁硫蛋白(铁和一系列铁硫蛋白
14、(铁硫中心)组成硫中心)组成 第27页复合体复合体功效功效 NADH+H+NAD+FMN FMNH2还原型还原型Fe-S 氧化型氧化型Fe-S QQH2第28页FMN结结构构中中含含核核黄黄素素,发发挥挥功功效效部部位位是是异异咯咯嗪嗪环环,氧氧化化还还原原反反应应时时不不稳稳定定中中间间产产物物是是FMN。第29页 铁硫蛋白铁硫蛋白 S SS S无机硫无机硫半胱氨酸硫半胱氨酸硫第30页泛醌(辅酶Q,CoQ,Q)由多个异戊二烯连接形成较长疏水侧链(人CoQ10)苯醌,氧化还原反应时可生成中间产物半醌型泛醌。第31页辅酶Q 是呼吸链中唯一非蛋白氧化还原载体,脂溶性,位于膜双脂层中,能在膜脂中自由
15、泳动。可在膜中快速移动。它在电子传递链中处于中心地位,可接收各种黄素酶类脱下氢 第32页2.复合体:琥珀酸-泛醌还原酶u 功效:将电子从琥珀酸传递给泛醌 复合体复合体琥珀酸琥珀酸 CoQFe-S1;b560;FAD;Fe-S2;Fe-S3 含有含有1 1个个FADFAD为辅基黄素蛋白、为辅基黄素蛋白、2 2个铁硫蛋白个铁硫蛋白和和1 1个细胞色素个细胞色素b b 第33页第34页琥珀酸-Q还原酶也是存在于线粒体内膜上蛋白复合物,它比NADH-Q还原酶结构简单,由4个不一样多肽亚基组成。其活性部分含有辅基FAD、Cyt b560和铁硫蛋白。琥珀酸-Q还原酶作用是催化琥珀酸脱氢氧化和Q还原。第35
16、页细 胞 色 素(Cyt-Fe)第36页第37页细胞色素种类较多已经发觉存在于高等动物线粒体电子传递链中细胞色素有b、c1、c、a和a3。其中细胞色素c为线粒体内膜外侧外周蛋白,其余均为内膜整合蛋白。第38页细胞色素排列次序在经典线粒体呼吸链中,细胞色素排列次序依次是:bc1caa3O2,其中仅最终一个a3可被分子氧直接氧化,但现在还不能把a和a3分开,故把a和a3合称为细胞色素氧化酶 在aa3分子中除铁卟啉外,尚含有两个铜原子,依靠其化合价改变,把电子从a3传到氧,故在细胞色素体系中也呈复合体排列 第39页3.复合体:泛醌-细胞色素c还原酶 u 功效:将电子从泛醌传递给细胞色素c 复合体复合
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