Panoramica
concetto di ossidazione biologica
Il processo in cui i composti organici (zucchero, grassi e proteine) vengono ossidati e decomposti all'interno delle cellule biologiche per generare CO2 e H2O e rilasciare energia.
3 domande principali
In che modo le cellule convertono il C presente nei composti organici in CO2 attraverso cambiamenti chimici?
Metaboliti come zuccheri, lipidi e proteine vengono convertiti in composti con gruppi carbossilici attraverso una serie di deidrogenazione, aggiunta di acqua e altre reazioni sotto la catalisi di enzimi, e quindi la CO2 viene prodotta attraverso reazioni di decarbossilazione.
In che modo le cellule utilizzano l'O per ossidare l'H nelle molecole organiche in H2O?
L'H presente sui metaboliti viene eliminato sotto l'azione della deidrogenasi, accettato dai corrispondenti trasportatori di idrogeno (NAD, NADP, FAD, FMN, ecc.), e quindi trasferito all'ossigeno attraverso una serie di corpi di trasferimento di idrogeno o corpi di trasferimento di elettroni a generare H2O
Come viene rilasciata l'energia quando i composti organici vengono ossidati all'interno delle cellule raccolte?
Una grande quantità di energia rilasciata dalla catena di trasporto degli elettroni viene convertita in ATP attraverso la fosforilazione
Energia gratis
Energia libera G: si riferisce alla parte di energia che può essere utilizzata per compiere lavoro utile in un sistema, rappresentato dal simbolo G.
△G: variazione di energia gratuita in qualsiasi condizione. △G<0 è una condizione necessaria affinché la reazione proceda spontaneamente. Gli enzimi possono catalizzare solo reazioni in cui △G è un valore negativo.
△G◦′: è la variazione di energia libera in condizioni standard, ovvero la concentrazione iniziale dei reagenti è 1mol/L, la temperatura è 25℃ e △G quando pH=7,0. Ogni reazione chimica ha la sua specifica variazione standard di energia libera (cioè △G◦′), che è un valore fisso
Calcolo del ΔG
Reazione A→B: ΔG = ΔGº′ RT ln[B]/[A]
Costante di equilibrio della reazione K′
[Prodotto]/[Substrato] quando la reazione raggiunge l'equilibrio in condizioni standard. K′ per una particolare reazione è una costante
ΔGº′= -2.303 RT lgK′= -5706 lgK′ (J/mol)
K′<1, ΔGº′ è positivo, è una reazione endotermica e non può procedere spontaneamente.
K′>1, ΔGº′ è negativo, la reazione esergonica può procedere spontaneamente
Potenziale di ossidoriduzione E
Indica quanto è facile per l'agente riducente perdere elettroni (quanto è facile per l'agente ossidante ottenere elettroni),
E0: potenziale redox standard
In condizioni standard, confrontare la differenza di potenziale ottenuta con l'elettrodo a idrogeno standard
E0′
E0 della coppia redox biologica misurata a pH=7
ΔE0′: cambiamento potenziale
ΔE0′＝ E0′ alto − E0′ basso
La relazione tra ΔG0′ e ΔE0′
Composti fosfatici ad alta energia
Composti fosfatici che possono rilasciare più di 25kJ di energia per mole di gruppo fosfato dopo idrolisi. I legami ad alta energia sono rappresentati da ~
Classificazione
Tipo di legame fosforo-ossigeno -O～P
①Composti acilfosfati: come carbamilfosfato
② Composti enolfosfati: come fosfoenolo piruvato
③Composti pirofosfati: come pirofosfato, ATP (adenosina trifosfato)
Legame fosforo-azoto di tipo -N～P: come la creatina fosfato, che svolge un ruolo nell'immagazzinare energia nel corpo
ATP
Le energie libere rilasciate dall'idrolisi e dalla scissione dei due gruppi fosfato (β, γ) nella molecola di ATP sono rispettivamente -32,2 KJ/mol e -30,5 KJ/mol.
Funzione
È un agente di accoppiamento chimico per reazioni che producono energia e reazioni che richiedono energia nelle cellule.
La valuta dell'energia negli organismi viventi, piuttosto che il materiale di stoccaggio dell'energia
È un trasportatore intermedio per il trasferimento intracellulare del gruppo fosfato.
Mitocondri e il loro sistema ossidativo
catena di trasporto degli elettroni
concetto di base
Durante l'ossidazione biologica dei substrati respiratori (metaboliti) nella matrice mitocondriale, l'H sul substrato viene trasferito attraverso una serie di trasportatori di idrogeno o trasportatori di elettroni e infine trasferito all'O2 per generare H2O. L'intero sistema è chiamato catena di trasporto degli elettroni perché della sua funzione Direttamente correlata alla respirazione, detta anche catena respiratoria.
tipo
1. Catena respiratoria dell'ossidazione del NADH (la maggior parte)
NADH → Complesso I → CoQ → Complesso III → Cit c → Complesso IV → O2
2. Catena respiratoria FADH2 (alcuni, come acido succinico, acil-CoA grasso, a-glicerolo fosfato, ecc.)
Acido succinico →Complesso II →CoQ →Complesso III →Cyt c →Complesso IV →O2
Fosforilazione ossidativa
concetto
Durante il processo di trasferimento degli elettroni nella catena respiratoria, l’energia libera rilasciata quando gli elettroni vengono trasferiti dal substrato ossidato all’ossigeno (cioè H viene ossidato per formare H2O) guida la fosforilazione dell’ADP per generare ATP.
meccanismo di base
Quando gli elettroni del metabolita intermedio NADH o FADH2 vengono trasferiti all'ossigeno attraverso la catena di trasporto degli elettroni per generare acqua, viene rilasciata una grande quantità di energia. Questa parte dell'energia può spingere ADP e Pi a sintetizzare ATP.
Accoppiamento ossidativo-fosforilazione
Rapporto fosforo/ossigeno P/O
Concetto: durante il processo di fosforilazione ossidativa, il numero di moli di fosforo inorganico (o ADP) consumate o il numero di moli di ATP generate per ogni mole di ossigeno consumato
Il P/O della catena respiratoria del NADH è 2,5 e il P/O della catena respiratoria del FADH è 1,5.
meccanismo di accoppiamento
Teoria dell'osmosi chimica
① Nella catena respiratoria, i corpi che trasmettono l'idrogeno e i corpi che trasmettono gli elettroni sono disposti alternativamente sulla membrana interna dei mitocondri intatti, consentendo alla reazione di ossido-riduzione di procedere in modo diretto.
②La catena di trasporto degli elettroni ha la funzione di una pompa protonica, che può pompare protoni dall'interno della membrana mitocondriale interna all'esterno della membrana interna.
③La membrana mitocondriale interna intatta è selettivamente permeabile agli ioni e non può consentire ai protoni pompati all'esterno della membrana interna di ritornare liberamente alla membrana interna. Ciò si traduce in una differenza nella concentrazione e nel potenziale dei protoni attraverso la membrana, che diventa la forza trainante affinché i protoni ritornino all'interno della membrana interna (potenziale dinamico dei protoni).
④Quando i protoni all'esterno della membrana sono guidati dal potenziale dinamico del protone e passano attraverso lo speciale canale FO sull'enzima complesso ATP incorporato nella membrana mitocondriale interna, viene rilasciata energia libera per guidare ADP e Pi per formare ATP.
ATPasi (pompa protonica ATP sintasi, F1F0-ATPasi, complesso V)
La funzione di F1 è catalizzare la generazione di ATP e la funzione di F0 è quella di formare un canale per i protoni.
regolazione della fosforilazione ossidativa
controllo del respiro
A causa dell’effetto regolatore dei cambiamenti nel rapporto ADP/ATP sulla fosforilazione ossidativa, si parla di controllo respiratorio e la sostanza chiave per la regolazione è l’ADP
Quando il rapporto ADP/ATP aumenta, la fosforilazione ossidativa aumenta; quando il rapporto ADP/ATP diminuisce, la fosforilazione ossidativa rallenta;
disaccoppiamento e inibizione
agente disaccoppiante
La distruzione del gradiente elettrochimico protonico attraverso la membrana interna stabilito dal processo di trasferimento di elettroni fa sì che l'energia immagazzinata nel gradiente elettrochimico venga rilasciata sotto forma di energia termica e la generazione di ATP venga inibita. Come: dinitrofenolo (DNP); proteina disaccoppiante
inibitori della catena respiratoria
Blocca il processo di trasporto degli elettroni della fosforilazione ossidativa. Come rotenone A; antimicina A;
Inibitore dell'ATP sintasi
Può impedire ai protoni di rifluire dal canale protonico F0 e inibire la produzione di ATP.
Fosforilazione ossidativa del NADH extramitocondriale
navetta alfa-glicerolo fosfato
La catena respiratoria dell'ossidazione del NADH pompa fuori 10 H: 10/4=2,5 (ATP molecolare)
La catena respiratoria di ossidazione FADH2 pompa 6 H: 6/4=1,5 (ATP molecolare)
Ubichinone e Cyt c non sono inclusi nei quattro complessi (ruolo di corriere)
n, la quantità di sostanza che trasferisce gli elettroni (mol);
F, costante di Faraday, 96,5 KJ/V.mol
Gli elettroni fluiscono sempre da una coppia redox a basso potenziale (E0′ basso) verso una coppia redox ad alto potenziale (E0′ alto) (cioè la direzione della reazione)
Temperatura (unità K) T=Celsius 273
Costante dei gas R=8.314
[Punti chiave] Padroneggiare alcune conoscenze di base coinvolte nel metabolismo materiale e nel metabolismo energetico, padroneggiare i tipi e le composizioni delle catene respiratorie ossidative biologiche e padroneggiare la fosforilazione ossidativa e altri metodi di generazione di ATP.
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