生物化學第三部分

生物化學第三部分第一頁，共五十七頁，2022年，8月28日一、生物膜的結構和功能

1、生物膜的結構模型—流動鑲嵌模型2、生物膜的主要功能（1）物質運輸（主動運輸，被動運輸）（2）能量轉化（生物氧化）（3）信息傳遞（細胞識別，激素、神經(jīng)等信號轉導）第二頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、生物體內(nèi)能量的產(chǎn)生和轉化

1、生物能學簡介（1）自由能(G0′)的概念及意義（2）反應平衡常數(shù)及其與自由能計算的關系（3）氧化還原電位及其與自由能計算的關系（4）高能化合物第三頁，共五十七頁，2022年，8月28日2、生物氧化

（1）生物氧化的定義、特點和方式（2）生物體獲取能量的三個階段（3）線粒體呼吸鏈電子傳遞系統(tǒng)（4）氧化磷酸化作用（5）呼吸鏈和氧化磷酸化的抑制（6）非線粒體氧化體系第四頁，共五十七頁，2022年，8月28日第六章電子傳遞體系與氧化磷酸化主要內(nèi)容和要求：重點討論線粒體電子傳遞體系的組成、電子傳遞機理和氧化磷酸化機理。對非線粒體氧化體系作一般介紹。返回思考第五頁，共五十七頁，2022年，8月28日目錄第一節(jié)生物氧化概述第二節(jié)線粒體電子傳遞體系第三節(jié)氧化磷酸化作用第四節(jié)非線粒體氧化體系（自學）第六頁，共五十七頁，2022年，8月28日第一節(jié)生物氧化概述

一、生物氧化的概念和特點二、生物能學簡介三、高能化合物第七頁，共五十七頁，2022年，8月28日生物氧化的特點和方式

生物氧化的特點生物氧化過程中CO2的生成和H2O的生成

糖類、脂肪、蛋白質等有機物質在細胞中進行氧化分解生成CO2和H2O并釋放出能量的過程稱為生物氧化（biologicaloxidation），其實質是需氧細胞在呼吸代謝過程中所進行的一系列氧化還原反應過程。第八頁，共五十七頁，2022年，8月28日生物氧化的特點

在活的細胞中（pH接近中性、體溫條件下），有機物的氧化在一系列酶、輔酶和中間傳遞體參與下進行，其途徑迂回曲折，有條不紊。氧化過程中能量逐步釋放，其中一部分由一些高能化合物（如ATP）截獲，再供給機體所需。在此過程中既不會因氧化過程中能量驟然釋放而傷害機體，又能使釋放的能量盡可得到有效的利用。第九頁，共五十七頁，2022年，8月28日CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。

類型：α-脫羧和β-脫羧氧化脫羧和單純脫羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH

O丙酮酸脫氫酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脫羧酶CH2-NH2R第十頁，共五十七頁，2022年，8月28日H2O的生成

代謝物在脫氫酶催化下脫下的氫由相應的氫載體（NAD+、NADP+、FAD、FMN等）所接受，再通過一系列遞氫體或遞電子體傳遞給氧而生成H2O。CH3CH2OHCH3CHONAD+

NADH+H+乙醇脫氫酶例：1\2O2NAD+電子傳遞鏈

H2O2eO=2H+第十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結構單位

生物氧化的三個階段第十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、生物能學簡介1、生物能的轉換及生物系統(tǒng)中的能流2、自由能的概念及化學反應自由能的計算第十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日自由能（freeenergy）的概念

定義式：ΔＧ=ΔH-TΔS

物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*(體系中能對環(huán)境作功的能量)

自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行，即：

ΔG<0，反應能自發(fā)進行

ΔG>0，反應不能自發(fā)進行

ΔG=0，反應處于平衡狀態(tài)

在參與反應的物質濃度為1moL.L-1,溫度為250C，pH=0的條件下進行反應，其自由能的變化稱為標準自由能變化，用ΔＧ0表示。由于機體內(nèi)的生化反應一般是在pH=7的條件下進行，在pH=7和上述濃度、壓力、溫度下的標準自由能變化用ΔＧ0表示。第十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日化學反應自由能的計算

利用化學反應平衡常數(shù)計算基本公式：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)

ΔG°′=-RTlnKeq

例：計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化

利用標準氧化還原電位（E°）計算（限于氧化還原反應）基本公式：ΔG°′=－nFΔE°′(ΔE°′=E+°′-E-°′)

例：計算NADH氧化反應的ΔG°′第十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化

達平衡時=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.6+2.3038.314311

log0.1未達平衡時=Qc=0.1反應G-1-PG-6-P在380C達到平衡時，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求

G0。如果反應未達到平衡，設[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反應的

G是多少？例題：第十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日例題：計算下反應式ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負極反應：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

第十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日生物系統(tǒng)中的能流第十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日生物界的能量傳遞及轉化過程第十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日高能化合物高能化合物的類型

ATP的特點及其特殊作用

生化反應中，在水解時或基團轉移反應中可釋放出大量自由能（>21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。第二十頁，共五十七頁，2022年，8月28日高能化合物類型第二十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日ATP的特點

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1第二十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日ATP的特殊作用

★

ATP是細胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉移的中間載體★ATP以偶聯(lián)方式推動體內(nèi)非自發(fā)反應

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌醇（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第二十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日線粒體電子傳遞體系

線粒體結構特點電子傳遞呼吸鏈的概念呼吸鏈的組成機體內(nèi)兩條主要的呼吸鏈及其能量變化第二十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日線粒體呼吸鏈

線粒體基質是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質子和電子轉移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈（eclctrontransferchain),因為其功能和呼吸作用直接相關，亦稱為呼吸鏈。第二十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日呼吸鏈的組成1.黃素蛋白酶類（flavoproteins,FP）2.鐵-硫蛋白類（iron—sulfurproteins)3.輔酶Ｑ（ubiquinone,亦寫作CoQ）4.細胞色素類（cytochromes）NADH輔酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黃素蛋白（FAD）黃素蛋白（FMN）細胞色素類鐵硫蛋白（Fe-S）鐵硫蛋白（Fe-S）第二十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日NADH呼吸鏈H2O12O2O2-MH2還原型代謝底物FMNFMNH2CoQH2CoQNAD+NADH+H+2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c-c1-aa3

FeS2H+M氧化型代謝底物FADH2呼吸鏈FADFADH2琥珀酸

FeS2Fe2+2Fe3+細胞色素b-c1-c-aa3CoQH2CoQ12O2O2-2H+H2O延胡索酸第二十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日NADH呼吸鏈和FADH2呼吸鏈

FADH2

↓FeS↓

NADH→FMN→FeS→CoQ→Cytb→FeS→Cytc1→Cytc→Cytaa3→O2NADH呼吸鏈FADH2呼吸鏈第二十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日電子傳遞鏈中各中間體的順序NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFMNFe-S琥珀酸等復合物II復合物IV復合物I復合物IIINADH脫氫酶輔酶Q-細胞色素還原酶細胞色素C還原酶琥珀酸-輔酶Q還原酶第二十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日呼吸鏈中電子傳遞時自由能的下降FADH22e-NADH第三十頁，共五十七頁，2022年，8月28日NADH呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化總反應:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1總反應：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸鏈電子傳遞過程中自由能變化第三十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日煙酰胺脫氫酶類

特點：以NAD+

或NADP+為輔酶，存在于線粒體、基質或胞液中。

傳遞氫機理:NAD(P)++2H++2eNAD(P)H+H+第三十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日黃素蛋白酶類

特點：以FAD或FMN為輔基，酶蛋白為細胞膜組成蛋白類別：黃素脫氫酶類（如NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶）需氧脫氫酶類（如L—氨基酸氧化酶）加單氧酶（如賴氨酸羥化酶）遞氫機理：FAD(FMN)+2HFAD(FMN)H2第三十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白

+e

傳遞電子機理：Fe3+Fe2+

-e

特點：含有Fe和對酸不穩(wěn)定的S原子，F(xiàn)e和S常以等摩爾量存在（Fe2S2,Fe4S4)，構成Fe—S中心，F(xiàn)e與蛋白質分子中的4個Cys殘基的巰基與蛋白質相連結。第三十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日CoQ

特點：帶有聚異戊二烯側鏈的苯醌，脂溶性，位于膜雙脂層中，能在膜脂中自由泳動。

+2H

傳遞氫機理：CoQCoQH2

－2H第三十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日細胞色素

傳遞電子機理：

+e+eFe3+Fe2+Cu2+Cu+－e－e

特點：以血紅素（heme）為輔基，血紅素的主要成份為鐵卟啉。

類別:根據(jù)吸收光譜分成a、b、c三類，呼吸鏈中含5種（b、c、c1、a和a3)，cytb和cytc1、cytc在呼吸鏈中的中為電子傳遞體，a和a3以復合物物存在，稱細胞色素氧化酶，其分子中除含F(xiàn)e外還含有Cu

，可將電子傳遞給氧，因此亦稱其為末端氧化酶。第三十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日CoQ的結構和遞氫原理CoQ+2HCoQH2第三十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日鐵硫蛋白的結構及遞電子機理SFe1Fe0S2-4Cys2Fe2S2-4Cys4Fe4S2-4Cys傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e第三十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日細胞色素的結構和遞電子機理傳遞電子機理：Fe3+Fe2+-e+e第三十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日線粒體結構第四十頁，共五十七頁，2022年，8月28日氧化磷酸化作用

氧化磷酸化和磷氧比（P/O）的概念氧化磷酸化的偶聯(lián)機理線粒體外NADH的氧化磷酸化作用能荷

第四十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日氧化磷酸化

代謝物在生物氧化過程中釋放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,這種氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶聯(lián)的過程稱氧化磷酸化。類別：

底物水平磷酸化電子傳遞水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化過程中釋放出的自由能第四十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日磷氧比（P/O

）

呼吸過程中無機磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值稱為磷氧比。由于在氧化磷酸化過程中，每傳遞一對電子消耗一個氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi，因此P/O的數(shù)值相當于一對電子經(jīng)呼吸鏈傳遞至分子氧所產(chǎn)生的ATP分子數(shù)。NADHFADH2O212H2OH2O例實測得NADH呼吸鏈：P/O~3ADP+PiATP實測得FADH2呼吸鏈：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第四十三頁，共五十七頁，2022年，8月28日氧化磷酸化的偶聯(lián)機理

1、化學滲透假說2、氧化磷酸化的抑制

解偶聯(lián)劑和離子載體抑制劑氧化磷酸化抑制劑第四十四頁，共五十七頁，2022年，8月28日三、線粒體外NADH的氧化磷酸化作用

磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

蘋果酸—天冬氨酸穿梭系統(tǒng)酵解（細胞質）氧化磷酸化

（線粒體）第四十五頁，共五十七頁，2022年，8月28日-磷酸甘油穿梭（線粒體基質）磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油磷酸二羥丙酮3-磷酸甘油FADFADH2NADHFMNCoQbc1caa3O2NADHNAD+線粒體內(nèi)膜（細胞液）第四十六頁，共五十七頁，2022年，8月28日蘋果酸-草酰乙酸穿梭作用細胞液線粒體內(nèi)膜體天冬氨酸-酮戊二酸蘋果酸草酰乙酸谷氨酸-酮戊二酸天冬氨酸蘋果酸谷氨酸NADH+H+NAD+草酰乙酸NAD+線粒體基質蘋果酸脫氫酶NADH+H+ⅣⅠⅡⅢ蘋果酸脫氫酶谷草轉氨酶谷草轉氨酶（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為膜上的轉運載體）呼吸鏈第四十七頁，共五十七頁，2022年，8月28日2,4-二硝基苯酚的解偶聯(lián)作用NO2NO2O-NO2NO2OHNO2NO2O-NO2NO2OHH+H+線粒體內(nèi)膜內(nèi)外第四十八頁，共五十七頁，2022年，8月28日線粒體ATP酶第四十九頁，共五十七頁，2022年，8月28日化學滲透假說示意圖2H+2H+2H+2H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高質子濃度H2O2e-+++++++++__________質子流線粒體內(nèi)膜磷酸化

氧化

第五十頁，共五十七頁，2022年，8月28日ATPase的旋轉催化模型IIIIVIII定子轉子旋轉催化理論認為質子流通過Fo引起亞基III寡聚體和及亞基一起轉動,這種旋轉配置/亞基之間的不對稱的相互作用,引起催化位點性質的轉變,亞基的中心-螺旋被認為是轉子,亞基I和II與亞基組合在一起組成定子,它壓住/異質六聚體.第五十一頁，共五十七頁，2022年，8月28日ADP+PiProtenFluxH2O

H+ATP酶作用機理第五十二頁，共五十七頁，2022年，8月28日電子傳遞抑制劑

NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCyt