Überblick
biologisches Oxidationskonzept
Der Prozess, bei dem organische Verbindungen (Zucker, Fett und Protein) in biologischen Zellen oxidiert und zersetzt werden, um CO2 und H2O zu erzeugen und Energie freizusetzen.
3 Hauptfragen
Wie wandeln Zellen C in organischen Verbindungen durch chemische Veränderungen in CO2 um?
Metaboliten wie Zucker, Lipide und Proteine werden durch eine Reihe von Dehydrierungs-, Wasserzugabe- und anderen Reaktionen unter der Katalyse von Enzymen in Verbindungen mit Carboxylgruppen umgewandelt. Anschließend wird durch Decarboxylierungsreaktionen CO2 erzeugt.
Wie nutzen Zellen O, um H in organischen Molekülen zu H2O zu oxidieren?
Das H auf den Metaboliten wird durch die Wirkung der Dehydrogenase abgebaut, vom entsprechenden Wasserstoffträger (NAD, NADP, FAD, FMN usw.) aufgenommen und dann über eine Reihe von Wasserstoffübertragungskörpern oder Elektronenübertragungskörpern auf Sauerstoff übertragen H2O erzeugen
Wie wird die Energie freigesetzt, wenn organische Verbindungen in den geernteten Zellen oxidiert werden?
Ein großer Teil der von der Elektronentransportkette freigesetzten Energie wird durch Phosphorylierung in ATP umgewandelt
Freie Energie
Freie Energie G: bezieht sich auf den Teil der Energie, der zur Verrichtung nützlicher Arbeit in einem System verwendet werden kann, dargestellt durch das Symbol G.
△G: Änderung der freien Energie unter beliebigen Bedingungen. △G<0 ist eine notwendige Bedingung für den spontanen Ablauf der Reaktion. Enzyme können nur Reaktionen katalysieren, bei denen △G einen negativen Wert hat.
△G◦′: Dies ist die Änderung der freien Energie unter Standardbedingungen, d. h. die Ausgangskonzentration der Reaktanten beträgt 1 mol/L, die Temperatur beträgt 25℃ und △G bei pH = 7,0. Jede chemische Reaktion hat ihre spezifische Standardänderung der freien Energie (dh △G◦′), die einen festen Wert darstellt
ΔG-Berechnung
Reaktion A→B: ΔG = ΔGº′ RT ln[B]/[A]
Reaktionsgleichgewichtskonstante K′
[Produkt]/[Substrat], wenn die Reaktion unter Standardbedingungen das Gleichgewicht erreicht. K′ ist für eine bestimmte Reaktion eine Konstante
ΔGº ′= -2,303 RT lgK′= -5706 lgK′ (J/mol)
K′<1, ΔGº′ ist positiv, es ist eine endotherme Reaktion und kann nicht spontan ablaufen.
K′>1, ΔGº′ ist negativ, exergonische Reaktion, kann spontan ablaufen
Oxidations-Reduktionspotential E
Gibt an, wie leicht es für das Reduktionsmittel ist, Elektronen zu verlieren (wie leicht es für das Oxidationsmittel ist, Elektronen zu gewinnen),
E0: Standard-Redoxpotential
Vergleichen Sie unter Standardbedingungen die erhaltene Potentialdifferenz mit der Standard-Wasserstoffelektrode
E0′
E0 des biologischen Redoxpaares gemessen bei pH=7
ΔE0′: Potenzialänderung
ΔE0′＝ E0′ hoch − E0′ niedrig
Die Beziehung zwischen ΔG0′ und ΔE0′
Hochenergetische Phosphatverbindungen
Phosphatverbindungen, die bei Hydrolyse mehr als 25 kJ Energie pro Mol Phosphatgruppe freisetzen können. Hochenergetische Bindungen werden durch ~ dargestellt
Einstufung
Phosphor-Sauerstoff-Bindungstyp -O～P
①Acylphosphatverbindungen: wie Carbamoylphosphat
② Enolphosphatverbindungen: wie Phosphoenolpyruvat
③Pyrophosphatverbindungen: wie Pyrophosphat, ATP (Adenosintriphosphat)
Phosphor-Stickstoff-Bindungstyp -N～P: wie Kreatinphosphat, das eine Rolle bei der Energiespeicherung im Körper spielt
ATP
Die durch Hydrolyse und Spaltung der beiden Phosphatgruppen (β, γ) im ATP-Molekül freigesetzten freien Energien betragen -32,2 KJ/mol bzw. -30,5 KJ/mol.
Funktion
Es ist ein chemisches Kopplungsmittel für energieerzeugende und energieverbrauchende Reaktionen in Zellen.
Die Währung der Energie in lebenden Organismen und nicht das Energiespeichermaterial
Es ist ein Zwischenträger für den intrazellulären Phosphatgruppentransfer.
Mitochondrien und ihr oxidatives System
Struktur der Mitochondrien
Elektronentransportkette
Basiskonzept
Bei der biologischen Oxidation von Atmungssubstraten (Metaboliten) in der mitochondrialen Matrix wird H auf dem Substrat durch eine Reihe von Wasserstoffträgern oder Elektronenträgern übertragen und schließlich auf O2 übertragen, um H2O zu erzeugen. Das gesamte System wird deshalb Elektronentransportkette genannt seiner Funktion steht in direktem Zusammenhang mit der Atmung, auch Atmungskette genannt.
Typ
1. NADH-Oxidation Atmungskette (am meisten)
NADH → Komplex I → CoQ → Komplex III → Cyt c → Komplex IV → O2
2. FADH2-Atmungskette (einige, wie Bernsteinsäure, Fettacyl-CoA, a-Glycerinphosphat usw.)
Bernsteinsäure →Komplex II →CoQ →Komplex III →Cyt c →Komplex IV →O2
Oxidative Phosphorylierung
Konzept
Während des Elektronentransferprozesses in der Atmungskette treibt die freie Energie, die freigesetzt wird, wenn Elektronen vom oxidierten Substrat auf Sauerstoff übertragen werden (d. h. H wird zu H2O oxidiert), die Phosphorylierung von ADP zur Erzeugung von ATP an.
grundlegender Mechanismus
Wenn die Elektronen des Zwischenmetaboliten NADH oder FADH2 über die Elektronentransportkette auf Sauerstoff übertragen werden, um Wasser zu erzeugen, wird eine große Energiemenge freigesetzt. Dieser Teil der Energie kann ADP und Pi zur ATP-Synthese antreiben.
Oxidations-Phosphorylierungs-Kopplung
Phosphor-Sauerstoff-Verhältnis P/O
Konzept: Während des oxidativen Phosphorylierungsprozesses die Anzahl der verbrauchten Mol an anorganischem Phosphor (oder ADP) oder die Anzahl der erzeugten Mol ATP pro 1 Mol verbrauchtem Sauerstoff
Der P/O der NADH-Atmungskette beträgt 2,5 und der P/O der FADH-Atmungskette beträgt 1,5.
Kupplungsmechanismus
Theorie der chemischen Osmose
① In der Atmungskette sind wasserstoffübertragende Körper und elektronenübertragende Körper abwechselnd auf der Innenmembran intakter Mitochondrien angeordnet, was gerichtete Oxidations-Reduktions-Reaktionen ermöglicht.
②Die Elektronentransportkette hat die Funktion einer Protonenpumpe, die Protonen von der Innenseite der inneren Mitochondrienmembran zur Außenseite der inneren Membran pumpen kann.
③Die intakte innere Mitochondrienmembran ist selektiv durchlässig für Ionen und kann nicht zulassen, dass die zur Außenseite der inneren Membran gepumpten Protonen ungehindert zur inneren Membran zurückkehren. Dies führt zu einem Unterschied in der Protonenkonzentration und im Potential über die Membran hinweg, was zur treibenden Kraft wird damit Protonen in das Innere der inneren Membran zurückkehren (dynamisches Protonenpotential).
④Wenn die Protonen auf der Außenseite der Membran durch das dynamische Protonenpotential angetrieben werden und durch den speziellen Kanal FO des in der inneren Mitochondrienmembran eingebetteten ATP-Komplex-Enzyms gelangen, wird freie Energie freigesetzt, um ADP und Pi zur Bildung von ATP anzutreiben.
ATPase (Protonenpumpen-ATP-Synthase, F1F0-ATPase, Komplex V)
Die Funktion von F1 besteht darin, die Erzeugung von ATP zu katalysieren, und die Funktion von F0 besteht darin, einen Kanal für Protonen zu bilden.
Regulierung der oxidativen Phosphorylierung
Atem kontrolle
Aufgrund der regulatorischen Wirkung von Änderungen des ADP/ATP-Verhältnisses auf die oxidative Phosphorylierung spricht man von Atemkontrolle, und die Schlüsselsubstanz für die Regulierung ist ADP
Wenn das ADP/ATP-Verhältnis steigt, nimmt die oxidative Phosphorylierung zu; wenn das ADP/ATP-Verhältnis sinkt, verlangsamt sich die oxidative Phosphorylierung.
Entkopplung und Hemmung
Entkopplungsmittel
Durch die Zerstörung des durch den Elektronentransferprozess entstandenen elektrochemischen Protonengradienten über die innere Membran wird die im elektrochemischen Gradienten gespeicherte Energie in Form von Wärmeenergie freigesetzt und die ATP-Erzeugung gehemmt. Wie zum Beispiel: Dinitrophenol (DNP); Entkopplungsprotein
Inhibitoren der Atmungskette
Blockiert den Elektronentransportprozess der oxidativen Phosphorylierung. Wie Rotenon; Amobarbital;
ATP-Synthase-Inhibitor
Es kann den Rückfluss von Protonen aus dem F0-Protonenkanal verhindern und die ATP-Produktion hemmen.
Oxidative Phosphorylierung von extramitochondrialem NADH
Alpha-Glycerinphosphat-Shuttle
Die Atmungskette der NADH-Oxidation pumpt 10 H aus: 10/4=2,5 (molekulares ATP)
Die FADH2-Oxidationsatmungskette pumpt 6 H aus: 6/4=1,5 (molekulares ATP)
Ubiquinon und Cyt c sind nicht in den vier Komplexen enthalten (Kurierrolle)
n, die Substanzmenge, die Elektronen überträgt (Mol);
F, Faradaysche Konstante, 96,5 KJ/V.mol
Elektronen fließen immer von einem Redoxpaar mit niedrigem Potenzial (E0′ niedrig) zu einem Redoxpaar mit hohem Potenzial (E0′ hoch) (d. h. Reaktionsrichtung).
Temperatur (Einheit K) T=Celsius 273
Gaskonstante R=8,314
[Wichtige Punkte] Beherrschen Sie einige Grundkenntnisse im Stoff- und Energiestoffwechsel, beherrschen Sie die Arten und Zusammensetzungen biologischer oxidativer Atmungsketten und beherrschen Sie die oxidative Phosphorylierung und andere Methoden zur ATP-Erzeugung.
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