第9章生物氧化.ppt
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1、1,第9章 生物氧化,教学目的: 1. 熟悉新陈代谢与生物氧化的功能及特点。 2. 熟悉氧化磷酸化与光合磷酸化的区别。 3. 了解电子传递链的组成。 4. 了解光合作用的过程。 教学重点: 氧化磷酸化与光合磷酸化的概念和区别。,2,一 新陈代谢概述,新陈代谢是生物体内进行的所有化学变化的总称,是生命活动的重要特征之一。其功能:从环境中获得营养物质。将营养物质转变为自身需要的结构元件。将结构元件组装成自身的大分子。形成和分解生物体特殊功能所需的生物分子。提供生命活动所需的能量。 物质代谢包括分解代谢和合成代谢。在物质代谢过程中还伴随能量代谢。,3,二 新陈代谢中常见的反应,生物体内的代谢反应都是
2、在酶的催化下进行的,酶催化的反应形式有:酸碱催化、共价催化、金属离子催化和静电催化。 生物体内的生物化学反应可分为4类: 基团转移反应; 氧化还原反应; 消除、异构化和重排反应; 碳-碳键的形成或断裂反应。,4,三 氧化磷酸化作用,氧化磷酸化作用是在细胞内的有机分子经氧化分解形成CO2和H2O,并释放出能量使ADP和Pi合成ATP的过程。氧化磷酸化是生物氧化的主要内容,其实质是需氧细胞通过一系列酶促作用实现的以电子传递为基础的氧化还原反应。在此过程中,电子先从代谢物转移到特殊电子载体上,再经特殊的电子传递体传递给O2,同时将释放出的能量贮存到ATP中。氧化磷酸化包括电子传递和产生ATP。,5,
3、生物氧化的特点,生物氧化是在活细胞内的生理条件下进行的,常温常压,pH中性。 生物氧化要经历复杂的反应历程,由多种酶催化逐步完成。 生物氧化过程中释放的化学能转化为高能键形式的生物能。 生物氧化受细胞的精确调控,可随环境和生理变化而变化。,6,A 反应物的还原型 e 电子 An+ 反应物的氧化型 n 转移电子的数目,氧化还原反应是可逆的,反应平衡式为:,1 氧化还原电位,7,将反应物的氧化型和还原型混合组成的反应体系称为“氧化还原对”。氧化还原对获得电子或失去电子的趋势,称为氧化还原电位,在标准条件下与标准氢电极之间的电位差为其标准氧化还原电位,用E表示,E是个常数。 在标准条件下,标准氧化还
4、原电位(E)越小,其还原能力越大,给出电子的趋势越强。反之,则氧化能力强。在由两个氧化还原对组成的反应体系中,根据标准氧化还原电位(E)的大小,可判断反应进行的方向。,8,例如,在标准条件下,等摩尔浓度的草酰乙酸、苹果酸、NAD+和NADH四种化合物组成的反应体系,从P349表21-1可知: NAD+ + 2H+ + 2eNADH + H+ E= -0.320 草酰乙酸 + 2H+ + 2e苹果酸 E= -0.166 NADH给出电子的能力比苹果酸强,草酰乙酸接受电子的能力比NAD+强,所以反应式为: 草酰乙酸 + NADH + H+苹果酸 + NAD+ 反应平衡向生成苹果酸的方向进行。,9,
5、3 线粒体的电子传递链,1)呼吸链的概念,呼吸链又叫电子传递链,是由位于线粒体内膜中的一系列电子递体按标准氧化还原电位,由低到高顺序排列成的一种能量转换体系。其功能是接受还原型辅酶上的氢原子对(2H+2e),使辅酶分子氧化,并将电子对顺序传递,直至激活O2,使O2-与2H+结构生成H2O。电子对在传递过程中逐步氧化放能,驱动ADP磷酸化反应生成ATP。,10,2)呼吸链的组成成分,以NAD为辅酶的脱氢酶 以FMN或FAD为辅基的脱氢酶 (Fe-S)蛋白 辅酶Q(CoQ) 细胞色素(Cyt),11,3)呼吸链中各组分的排列顺序,NAD呼吸链 以NAD+为辅酶的各种不需氧脱氢酶催化产生的还原型辅酶
6、NADH+H+都要经线粒体内膜上的NADH脱氢酶(FMN黄素蛋白)汇入呼吸链。先传给CoQ而生成CoQH2。这时质子对与电子对分离,质子对游离,电子对则由细胞色素依次传递,直至激活O2。,12,NAD呼吸链的电子传递历程,13,FAD呼吸链 琥珀酸脱氢酶(FP2)、磷酸甘油脱氢酶(FP3)、脂酰CoA脱氢酶(FP4)等不需氧脱氢酶的氢原子对都要经过CoQ汇入呼吸链。但反应历程不尽相同,FP2、FP3 皆为膜上蛋白,可直接与自由移动的CoQ反应。FP4不在膜上,需要由膜上的电子传递黄素蛋白(ETF-FAD)将氢原子传给CoQ。 这个电子传递体系是由汇集黄素不需氧脱氢酶的氢原子对开始的,故称为FA
7、D呼吸链。FAD呼吸链比NAD 呼吸链的传递历程短,产能也少。,14,15,4 氧化磷酸化偶联机制,氧化磷酸化要求内膜结构完整无损,如有破裂, 则偶联反应不能发生。1961年Mitchell提出了化学渗透学说,认为:线粒体内膜相当于质子泵,利用电子传递过程中产生的能量将质子(2H+)从内膜内铡(内室)泵到外侧(外室)。结果造成膜内外的pH梯度,外室pH低,内室pH高,形成跨膜电位。外室的高浓度H+有跨入内室的趋势。在线粒体内膜上的特异质子通道与膜上基粒(ATP合成酶)相联。当质子在浓度梯度推动下,从质子通道返回内室时,释放自由能,推动ATP合成。,16,17,四 光合磷酸化作用,1 光合作用,
8、绿色植物及其他光养生物吸收光能并利用CO2和H2O,经过复杂的转变而合成糖类并释放O2的过程,称为光合作用。 6CO2 + 12H2OC6H12O + 6O2 光合作用是生物界规模最大的生化过程,是生物界物质转化和能量转化的基础,为生物的生存和发展提供了必需的碳源、能源、氢源和氧源。,18,2 叶绿体的结构,叶绿体是植物进行光合作用的场所, 能将光能转换成化学能, 完成将化学能贮存到有机物中的生物过程。,19,3 光合色素,光合色素包括叶绿素、类胡萝卜素、藻胆素和细菌光合色素等。 叶绿素有a, b, c, d四种。类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素。藻胆素包括藻红素和藻蓝素。 叶绿素a被称为天线色
9、素,吸收光量子后进入激发态,并将激发能量传递到光反应中心,在光反应中心电子激发能被转变成化学能,引起一系列化学反应。其他色素都是辅助色素,将其吸收的光能传递给叶绿素a,再传到光反应中心。,20,1)光系统,光系统(PS)与NADP+的光还原有关,约含有200个叶绿素a和50个类胡罗卜素分子、细胞色素f和质蓝素各1分子、2个细胞色素b563、12个膜结合铁氧还蛋白和1个P700分子。PS反应中心叶绿素a的最大吸收波长为700nm,固将这个叶绿素a命名为P700,他是特殊叶绿素a分子的二聚体,是PS的最初电子供体。,21,2)光系统,光系统(PS)与水的光氧化放O2有关,约含有200个叶绿素a和5
10、0个类胡罗卜素分子、4个质体醌、2个细胞色素b559和1个P680分子。PS反应中心叶绿素a的最大吸收波长为680nm,固将这个叶绿素a命名为P680,也是叶绿素a的一种特殊形式。 这两个反应系统都是由叶绿素a激发,但这两个系统的叶绿素a不同。其他色素的作用主要是向光系统的反应中心传递激发能。,22,4 光合作用的一般过程,光合作用包括两个过程: 先是将光能转化成化学能,即叶绿素利用光能产生ATP和NADPH的反应,称为光反应;再是利用光反应产生的ATP和NADPH将CO2还原成糖的反应,称为暗反应。共3个反应。,23,5 光合磷酸化,Arnon等1954年发现,离体叶绿体将光能转变成化学能是
11、通过ADP磷酸化形成ATP来实现的。这种利用光能使ADP与Pi反应生成ATP的过程称为光合磷酸化。光合磷酸化与氧化磷酸化是不同的,光合磷酸化是在电子传递过程中形成的,除了吸收光能外,没有其他的化学作用提供能量。 根据电子的传递方式,将光合磷酸化分为环式磷酸化和非环式磷酸化。,24,1)环式磷酸化,环式光合磷酸化是包括光SP在内的环式电子流。叶绿素(P700)经光照后,变为激发态P700,激发出1个电子,经SP交给铁硫中心,铁硫中心将电子转移给氧化态的铁氧还蛋白,使其成为还原态,还原态的铁氧还蛋白将电子交给细胞色素b,然后将电子传回到P700。电子在环形流动中与磷酸化作用相偶联,使ADP磷酸化成
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