第4章 生物能学与生物氧化.ppt
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标题: 第4章 生物能学与生物氧化(bioenergetic and Biological Oxidation)
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蛋白质
多糖
脂类
氨基酸
己糖、戊糖
脂肪酸、甘油
丙酮酸
乙酰-CoA
三羧酸循环
H2O
NH3
CO2
第一阶段
第二阶段
第三阶段
O2
氧化磷酸化
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
ADP+Pi
ATP
所有有机物都有共同的代谢过程
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标题: 所有有机物都有共同的代谢过程
正文: 第Ⅰ阶段,有机物分解为它们的组成前体物质。 第Ⅱ阶段,小的燃料分子分解为几种常见的中间物,主要是丙酮酸和乙酰-CoA,可放出少量能量。 第Ⅲ阶段,有一条途径组成,即Krebs循环,又叫柠檬酸循环或三羧酸(TCA)循环。中间物被完全氧化成CO2,生成的电子传递给NAD+或FAD并释放少量能量,其中的中间物又可作为生物合成的原料。
第Ⅳ阶段,包括电子传递和氧化磷酸化,电子传递给O2,H2O生成,释放的大量能量用于ATP的生成。
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标题: 第一节 生物能学概述 A survey of bioenergetics
正文: 1.1 Biological Oxidation(生物氧化) 1.1.1 concept of biological oxidation and its significances 生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物活细胞内进行的一系列氧化分解作用,最终生成H2O和CO2,同时释放能量的过程,又称细胞呼吸或组织呼吸。 相当于分解(异化)作用。
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正文: 1948年,Eugene Kenned Albert Lehninger发现,线粒体是真核生物氧化磷酸化的场所。 线粒体有两层膜结构,外膜对小分子(Mr?5000)和离子为自由透过(通过跨膜通道)。内膜对大多数小分子及离子不透过(包括H+),只有内膜上存在特异运输体的物质可以透过。
标题: 1.1.2 生物氧化发生的场所
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标题: 1.1.3 生物氧化的特点
正文: 体外燃烧 : (CH) +O2?H2O+CO2+热能。 H2O的生成:为氢和氧的直接化合 CO2的生成:为碳和氧的直接化合 能量为骤然释放,以光和热的形式
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标题: 生物氧化的特点(续)
正文: 生物氧化: (CH) +O2?H2O+ CO2+热能 H2O的生成是有机物在酶的作用下脱氢,H经一系列的递氢和递电子反应,最终与O2接合生成H2O。 CO2的生成是有机物在酶的作用下脱羧形成的。 生物氧化要求在温和的条件下进行,为逐步氧化。 能量的释放是一步一步缓慢释放,释放的能量以高能磷酸键的形式贮存,不会使周围温度升高而伤害有机体。
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正文: 生物体系是一个开放体系:与周围环境既有物质交换,又有能量转换。 生物化学过程发生在常温常压下: ΔP ≈ 0 生物化学反应发生在固相或液相: ΔV ≈ 0 ∴ ΔH ≈ ΔU (焓变近似于内能变化)
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标题: 1.2 生物氧化与能量转换
正文: 1.2.1 热力学定律 First law of thermodynaics: 能量守恒原理 根据热力学第一定律,两个系统如果是始态和终态是相同的,那么,这两个系统的能量变化是相同的。 例如:葡萄糖的体外燃烧值是686 千卡 (1196 kJ/mol) 葡萄糖在体内彻底氧化为C2O和水时也释放同样的能量
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1.2 生物氧化与能量转换
Second law of thermodynamics: 熵(entropy) 增大原理 一切自发过程都向着最小势能水平的方向进行;即自发过程伴随着自由能的降低。熵达到最大时,达到平衡。
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标题: 1.2.2 自由能 (free energy)
正文: 自由能是指在恒温、恒压的体系中发生变化时,总能量变化中的用于做功的那部分能量。 ΔG = ΔH - TΔS
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标题: 1.2.2.1 标准自由能变化与平衡常数
反应:aA + bB = cC + dD 自由能变化:△G = G产物 -G底物 标准自由能变化(△Go): 反应物与产物的浓度都是1M; 反应条件:25℃(298 oK) , 1 atm.;
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标题: 生化反应中标准条件的修正
正文: 水的反应浓度以1.0 M计算; 在生化反应中,[H+]为10-7(pH = 7.0) 自由能的变化能量单位以焦耳(J/mol)或千焦耳(kJ/mol)表示 自由能的变化表示为:△Go’
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在一 生化反应中:
反应达平衡时: △G’ = 0 ∴
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正文: R = 1.987 cal/mol?K = 8.315 J/mol?K 当 T = 25℃(298 oK)时
当 T = 37℃(310 oK)时
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标题: 1.2.2.2 计算举例:
正文: 例1 在25℃ pH 7.0 时,向0.020 M G-1-P溶液中加入磷酸葡萄糖变位酶,最后平衡时,混合物的浓度分别为: [G-1-P] = 0.001 M; [G-6-P] = 0.019 M 求其标准自由能变化。
∴
解:反应式 G-1-P G-6-P
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正文: 例2 在25℃ pH 7.0 时,酶促水解反应G-6-P,生成Glucose 和磷酸,反应开始时,G-6-P的浓度为0.1 M, 平衡时G-6-P的浓度为原始浓度的0.05%。求(1)G-6-P的水解K’eq; (2)此水解反应的△Go’; (3)无机磷酸与葡萄糖合成G-6-P时的K’eq (4)无机磷酸与葡萄糖合成G-6-P时的△Go’ 解 :水解反应式:G-6-P + H2O G + Pi
(1)
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(2)
ΔGo’ = - RT lnkeq= -5707 × log 199.8 = -3138 cal/mol = -13130 J/mol
(3)
一个反应平衡常数的倒数就是它的逆反应的平衡常数
(4)
ΔGo’ = - RT lnk’eq= -5707 × log 5×10-3 = 3138 cal/mol = 13130 J/mol
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标题: 1.2.2.3 偶联反应中自由能的加合性
正文: 一个放能反应可以与一个吸能反应相偶联
例如: A B + 63 kJ/mol
偶联有高能键形成时: A B + 29.3 kJ/mol
x + y
x~y
x~y捕获的能量可用于其它需能反应:
C + D C-D + 12.55 kJ/mol
x~y
x + y
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正文: ΔGo’总= ΔG1o’+ ΔG2o’+……… K’eq总 = Keq1?Keq2? ……
ΔGo’总=-5707 ? lg Keq总
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正文: 例题3: 反应 ATP + H2O ADP + Pi △Go’= -30.54 kJ/mol G-6-P + H2O G + Pi △Go’= -13.35 kJ/mol 求: G + ATP G-6-P + ADP △Go’= ?
解:变换以上反应式:
ATP + H2O ADP + Pi △Go’= -30.54 kJ/mol
G + Pi G-6-P + H2O △Go’= 13.35 kJ/mol
+)
ATP + H2O + G + Pi ADP + Pi + G-6-P + H2O
ATP + G ADP + G-6-P
∴ △Go’ = -17.19 kJ/mol
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标题: 1.3 氧化还原电位与自由能
正文: 1.3.1 氧化还原电位与电偶 电偶(redox pair): 由同一物质的两种氧化态构成的电对,也称为半电池。 氧化态(型)/还原态(型)
Cu2+/Cu 和 Zn2+/Zn
Eo’Cu2+/Cu = 0.34 V Eo’Zn2+/Zn = -0.763 V
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通过与氢电极比较,可以测出各电极对的氧化还原电位。
Eo’Cu2+/Cu = 0.34 V Eo’Zn2+/Zn = -0.763 V
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正文: 1.3.2 在一个完全的氧化还原反应中,必须由两个电偶反应组成,并且两个电对之间必须有电位差?E°。 For example: A氧 + B还 A还 + B氧 Cu2+ + Zn° Cu° + Zn2+
高电位氧化态
低电位还原态
正极
负极
被还原
被氧化
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标题: 电势差: ?Eo’= E+极o’ – E-极o’
标准电位差与标准自由能变化的规定相同。
在非标准条件下,每个电对的电位要发生变化:
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标题: 在非标准条件下,两个电对间的电势差也要发生变化:
当反应达到平衡时, ΔE’= 0
∴
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标题: 1.3.3 标准电位与标准自由能
∴ ?Go’ = -nF ?Eo’= - 46.124 ?Eo’
2.303 RT logkeq = nF?Eo’
氧化还原反应所构成的电池所做的最大功
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正文: 例题4: 将乳酸脱氢酶(LDH)加入丙酮酸溶液中,同时溶液中还含有NAD+和NADH,这一反应系统处于标准条件下,求这一氧化还原反应的自由能变化。
解:反应式中 pyruvate + NADH?H+ lactate + NAD+ 有两个电偶:
pyruvate + 2e- + 2H+ lactate Eo’= -0.19 V NAD+ + 2e- + 2H+ NADH?H+ Eo’= -0.32 V
电势差:?Eo’= E+极o’– E-极o’ = -0.19 – (-0.32) = +0.13 V
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将?Eo’ = +0.13 V 代入公式: ΔGo’ = -nF ΔEo’
∴ ΔGo’ = -nF ΔEo’ = -2 × 23063 × 0.13 = -5969 (cal/mol) = -24974 (J/mol)
正文: 如果在非标准状态,则应将反应物的浓度代入公式,求出实际电位差:
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标题: 第二节 高能化合物(“High energy”compounds)
正文: 2.1 Concepts 高能化合物是指含有通过高能键连接的转移势高的基团的化合物。 生物化学中:高能键是指该键在水解或断裂时可以放出大量的自由能,以~表示。
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标题: “High energy”compounds
正文: 在生物体内,最重要和最主要的高能化合物是高能磷酸化合物。 一般将含有5000卡/mol(20920J/mol)以上的自由能的磷酸化合物叫做高能磷酸化合物。
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标题: 2.2 Types of “high energy” compounds
按键型分四类
磷氧键型
氮磷键型
硫酯键型
甲硫键型
酰基磷酸化合物
焦磷酸化合物
烯醇式磷酸化合物
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标题: 2.2.1 磷氧键型(—O~P)
(1)酰基磷酸化合物
3-磷酸甘油酸磷酸
乙酰磷酸
ΔGo’= -10.1 kCal/mol = -42.2 kJ/mol
ΔGo’= -11.8 kCal/mol = -49.3 kJ/mol
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标题: (1)酰基磷酸化合物
氨甲酰磷酸
酰基腺苷酸
氨酰基腺苷酸
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标题: (2)焦磷酸化合物
ATP(三磷酸腺苷)
焦磷酸
ΔGo’=-7.3 kCal/mol =-30.5 kJ/mol
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标题: (3)烯醇式磷酸化合物
磷酸烯醇式丙酮酸
ΔGo’= -14.8 kCal/mol = -61.9 kJ/mol
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标题: 2.2.2 氮磷键型
磷酸肌酸
磷酸精氨酸
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
ΔGo’= -10.3 kCal/mol = -43.1 kJ/mol
ΔGo’= -7.7 kCal/mol = -32.2 kJ/mol
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标题: 2.3.3 硫酯键型
3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
酰基辅酶A
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标题: 2.2.4 甲硫键型
S-腺苷甲硫氨酸
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标题: 2.3 Significance of ATP in bioenergys
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2.3 Significance of ATP in bioenergys
2.3.1 ATP是生物能量的载体 ATP-ADP系统是化学能转移的媒介 ADP是接受高能磷酸键的受体 ATP是转移高能磷酸健的供体 细胞内几乎所有的磷酸基转移反应的酶对ATP-ADP系统是专一性的 ATP提供能量时主要是通过基团转移的形式,或转移磷酸基团,或转移AMP
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产物 分解代谢 (氧化作用) 光合作用 底物
ATP ADP
~p
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、发酵热)
光能(生物发光)
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标题: 2.3.2 ATP水解的标准自由能变化及其结构基础
正文: Hydrolysis of each of the two phosphoanhydride bonds in ATP releases a large amount of free energy: ?Go’ = -30.5 kJ/mol ?G’ = -50 to -65 kJ/mol
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标题: 2.3.2 ATP水解的标准自由能变化及其结构基础
正文: 已知: ATP + Glucose ADP + G-6-P ?G1o’ = -4.0 kcal/mol G-6-P水解: G-6-P + H2O Glucose + Pi ?G2o’ = -3.3 kcal/mol 求:反应 ATP + H2O ADP + Pi 的?G1o’ 和K’eq
己糖激酶
G-6-P磷酸酶
例题5:
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标题: 2.3.2 ATP水解的标准自由能变化及其结构基础
正文: 计算: 根据自由能的加合性,反应 ATP + H2O ADP + Pi 可分解成两个反应式: ATP + Glucose ADP + G-6-P + ) G-6-P + H2O Glucose + Pi ATP + Glucose + G-6-P + H2O = ADP + G-6-P + Glucose + Pi ATP + H2O ADP + Pi ∴ ?Go’ = ?G1o’ + ?G2o’ = (-4.0) + (-3.3) = -7.3 kcal/mol = -30.5 kJ/mol 因此可以求出: K’eq = 1.631 × 105
例题5:
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正文: 由于胞内为非标准条件 在红细胞内 [ATP] = 2.25 mM [ADP] = 0.25 mM [AMP] = [Pi] = 1.65 mM ∴ ?G’ = -51.8 kJ/mol
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连接了镁离子的结构才有利于酶分子对其的结合
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正文: Relief of electrostatic repulsion in ATP; The phosphoanhydride bonds is easy hydrolyzed than other phosphate ester bonds; Pi is more stabilized by resonance not possible in ATP; ADP2- immediately ionizes to ADP3- ([ADP2-] decreases); ?G0’ also depends on [Mg2+] and [Ca2+].
Chemical basis of high free energy release of ATP hydrolysis
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标题: 2.4 高能磷酸健的贮存Storage of high energic phosphate bounds
正文: ATP is not a long-term storage form of free energy. Bank currency
贮能物质
脊椎动物:磷酸肌酸(phosphocreatine)
无脊椎动物:磷酸精氨酸 (phosphoarginine)
细菌:多聚偏磷酸
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肌肉中磷酸肌酸的浓度是20 mM,约是肌肉细胞内ATP浓度的10倍
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标题: 2.5 ATP磷酸基的转移
正文: ATP可以将末端磷酸基转移给水解后?Go’比它低的磷酸化合物的其它受体 ATP也可以将末端磷酸基转移给同类低级水平的其它受体 如: ATP + AMP 2ADP ?Go’ ? 0 ATP可以通过核苷二磷酸激酶使其它核苷二磷酸形成核苷三磷酸 其它核苷三磷酸与ATP一起参与特殊的生物合成作用
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高能磷酸健
ATP
UTP
ATP
糖与多糖
ATP
ATP
ATP
ATP
GTP
蛋白质
CTP
脂类
CTP
GTP
UTP
RNA
dATP
dGTP
dCTP
dTTP
DNA
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标题: 2.5 AMP与焦磷酸的作用
正文: 在ATP参与的某些反应中,ATP末端的两个磷酸基以焦磷酸的形式被脱掉; 焦磷酸马上被水解为两个磷酸; 两步的水解放出大量的自由能,促进正反应进行 ATP + H2O AMP + PPi ?Go’= -7.7 kcal/mol PPi + H2O 2Pi ?Go’= -6.9 kcal/mol
ATP + 2H2O AMP + 2Pi ?Go’=-14.6 kcal/mol = - 61.1 kJ/mol
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标题: 2.6 能荷与磷酸化势能
正文: 能荷 = 胞内能荷值:0< 能荷<1 磷酸化势能 =
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标题: 第三节 脱氢辅酶
NAD(P)+的结构
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标题: 3.1 氧化还原辅酶的生物功能
正文: 参与生物体内的氧化还原反应; NAD+和FAD主要参与分解代谢,接受H+和电子,还原型NADH和FADH2在呼吸过程中重新被氧化,伴随ATP的产生;(葡萄糖氧化的90%的自由能)。 NADP+在分解代谢中接受H+和电子,还原型的NADPH主要参与生物合成代谢,为合成反应提供H+和电子。
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正文: 体内[NAD+ + NADH] ? 10-5 M (0.01mM), [NAD+] /[NADH] ≈ 700 体内[NADP+ + NADPH] ? 10-6 M (0.001mM), [NADP+]/[NADPH] ≈ 0.014 The high ratio of [NAD+] /[NADH] favors metabolite oxidation, while keeping their [NADP+]/[NADPH] ratio near 0.01, which favors metabolite reduction.
标题: 3.1 氧化还原辅酶的生物功能
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正文: 多数氧化还原酶对两者之一有专一性 烟酰胺类脱氢酶具有立体专一性: 对底物具有立体专一性 氢质子加合方向具有专一性
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标题: 3.2 还原能在线粒体内外的穿梭
正文: 胞液中的还原型NADH必须进入线粒体才能进行产ATP的反应; 线粒体内膜对NADH和NADPH具有不通透性; ∴ 需要穿梭系统(Shuttle System)
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标题: 穿梭系统(Shuttle System)
正文: 3.2.1 磷酸甘油穿梭(phosphoglycerol shuttle)
单向穿梭
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草酰乙酸
3.2.2
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标题: 3.2.3 异柠檬酸体系穿梭
正文: 线粒体内的异柠檬酸也可穿过线粒体内膜进入胞液; 在胞液内由依赖NADP+的异柠檬酸脱氢酶氧化,产生NADPH; 通过此穿梭过程有效地调节线粒体内外的NAD+ /NADH和NADP+ /NADPH的含量与比值
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标题: 3.2.4 黄素辅酶
正文: 两种形式:FAD和FMN; 与酶蛋白结合紧密,称为辅基; 参与氧化还原反应,传递氢质子与电子; 不同的酶对两种形式的辅基有选择性
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标题: 3.2.5 生物体能量流通中的ATP循环与NAD(P)+循环
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标题: 第四节 生物氧化的方式与酶类
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标题: 4.1 CO2的生成方式
正文: 有机物在酶的作用下脱羧(decarboxylation)生成。 脱羧作用根据脱羧的部位分为: ?-decarboxylation ?-decarboxylation 脱羧作用根据脱羧的性质分为: simple decarboxylation oxidative decarboxylation
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标题: 直接脱羧与氧化脱羧
正文: ?-脱羧 R-CH(NH2)-COOH—————————?RCH2NH2 ? CO2 ?-氧化脱羧 CH3COCOOH + NAD+ + CoASH ———————? CH3COSCoA + NADH+H+ + CO2 ?-脱羧 HOOCCO-CH2COOH ———————? CH3COCOOH + CO2 ?-氧化脱羧 HOOCCH(OH)-CH2COOH + NADP+ —————? CH3COCOOH + CO2 + NADPH+H+
氨基酸脱羧酶
丙酮酸羧化酶
苹果酸酶
丙酮酸脱氢酶系
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标题: 4.2 生物氧化的物质氧化方式(途径)
正文: (1)加氧(氧化)(oxidation) RCHO + 1/2O2 ? RCOOH (2)脱氢(dehydrogenation) RCH2OH –2H ? RCHO CH3CHO + H2O ? ?CH3CH(OH)(OH)? ? CH3COOH + 2H (3)脱电子(deelectronation) Fe2+ -e ? Fe3+
直接脱氢:
加水脱氢:
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标题: 4.3 生物氧化中水的生成
正文: 生物氧化过程中底物的氢经脱氢酶脱氢转给载体; 进入体内的氧必须经过氧化酶激活; 氢载体将氢传递给被活化的氧
M?2H
M
氧化型载体
还原型载体
H2O
? O2
脱氢酶
氧化酶
一个或多个递体
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标题: 4.3.1 不需传递链的生物氧化体系
正文: 4.3.1.1 由氧化酶催化的水的形成 ?反应简单 ?由一个含金属离子的氧化酶催化 ?脱下的电子经金属离子传递给氧 ?氢质子与氧直接结合生成水
还原型VC
VC
2Cu2+
2Cu+
H2O
? O2
氧化酶
2H+
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正文: 4.3.1.2 由需氧脱氢酶催化的水的形成 这类脱氢酶属黄素脱氢酶,也称之为黄素氧化酶; 酶将底物脱下的氢交给氧,生成H2O2; H2O2可被分解生成水
M?2H
M
FAD
FADH2
H2O2
O2
黄素氧化酶
H2O + ? O2
过氧化氢酶 或过氧化物酶
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标题: 4.3.2 需传递链的生物氧化体系
正文: 由多个酶进行催化 底物脱下来的电子和氢需经过一系列的传递体传递给氧
4.3.2.1 二酶体系 含黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶 4.3.2.2 多酶体系 三种以上的酶系,包括NAD+型脱氢酶、黄素脱氢酶和细胞色素氧化酶
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谷氨酸
谷氨酸
天门冬氨酸
天门冬氨酸
草酰乙酸
草酰乙酸
α-酮戊二酸
α-酮戊二酸
L-苹果酸
L-苹果酸
NADH?H+
NADH?H+
NAD+
NAD+
苹果酸-天冬氨酸体系穿梭 (Malate-aspartate shuttle)
双向穿梭