Visão geral
conceito de oxidação biológica
O processo no qual compostos orgânicos (açúcar, gordura e proteína) são oxidados e decompostos dentro das células biológicas para gerar CO2 e H2O e liberar energia.
3 questões principais
Como as células convertem C em compostos orgânicos em CO2 por meio de alterações químicas?
Metabólitos como açúcares, lipídios e proteínas são convertidos em compostos com grupos carboxila por meio de uma série de desidrogenação, adição de água e outras reações sob a catálise de enzimas, e então o CO2 é produzido por meio de reações de descarboxilação.
Como as células usam O para oxidar H em moléculas orgânicas em H2O?
O H nos metabólitos é retirado sob a ação da desidrogenase, aceito pelos transportadores de hidrogênio correspondentes (NAD, NADP, FAD, FMN, etc.) e depois transferido para o oxigênio através de uma série de corpos de transferência de hidrogênio ou corpos de transferência de elétrons para gerar H2O
Como a energia é liberada quando os compostos orgânicos são oxidados nas células colhidas?
Uma grande quantidade de energia liberada pela cadeia de transporte de elétrons é convertida em ATP através da fosforilação
Energia livre
Energia livre G: refere-se à parte da energia que pode ser utilizada para realizar trabalho útil em um sistema, representada pelo símbolo G.
△G: Mudança livre de energia sob quaisquer condições. △G<0 é uma condição necessária para que a reação prossiga espontaneamente. As enzimas só podem catalisar reações nas quais △G é um valor negativo.
△G◦′: É a variação de energia livre em condições padrão, ou seja, a concentração inicial dos reagentes é 1mol/L, a temperatura é 25℃ e o △G quando pH=7,0. Cada reação química tem sua mudança de energia livre padrão específica (ou seja, △G◦′), que é um valor fixo
Cálculo ΔG
Reação A→B: ΔG = ΔGº′ RT ln[B]/[A]
Constante de equilíbrio de reação K′
[Produto]/[Substrato] quando a reação atinge o equilíbrio sob condições padrão. K′ para uma reação particular é uma constante
ΔGº ′= -2,303 TR lgK′= -5706 lgK′ (J/mol)
K′<1, ΔGº′ é positivo, é uma reação endotérmica e não pode ocorrer espontaneamente.
K′>1, ΔGº′ é negativo, a reação exergônica pode ocorrer espontaneamente
Potencial de oxidação-redução E
Indica quão fácil é para o agente redutor perder elétrons (quão fácil é para o agente oxidante obter elétrons),
E0: potencial redox padrão
Sob condições padrão, compare a diferença de potencial obtida com o eletrodo de hidrogênio padrão
E0'
E0 do par redox biológico medido em pH = 7
ΔE0′: mudança potencial
ΔE0′＝ E0′ alto − E0′ baixo
A relação entre ΔG0 ′ e ΔE0 ′
Compostos de fosfato de alta energia
Compostos de fosfato que podem liberar mais de 25 kJ de energia por mol de grupo fosfato após hidrólise. Ligações de alta energia são representadas por ~
Classificação
Ligação fósforo-oxigênio tipo -O～P
①Compostos de acil fosfato: como carbamoil fosfato
② Compostos de enol fosfato: como fosfoenol piruvato
③Compostos de pirofosfato: como pirofosfato, ATP (trifosfato de adenosina)
Ligação fósforo-nitrogênio tipo -N～P: como fosfato de creatina, que desempenha um papel no armazenamento de energia no corpo
ATP
As energias livres liberadas pela hidrólise e clivagem dos dois grupos fosfato (β, γ) na molécula de ATP são -32,2 KJ/mol e -30,5 KJ/mol respectivamente.
Função
É um agente de acoplamento químico para reações produtoras de energia e reações que exigem energia nas células.
A moeda de energia nos organismos vivos, em vez do material de armazenamento de energia
É um transportador intermediário para transferência intracelular de grupos fosfato.
Mitocôndrias e seu sistema oxidativo
estrutura das mitocôndrias
cadeia de transporte de elétrons
conceito básico
Durante a oxidação biológica de substratos respiratórios (metabólitos) na matriz mitocondrial, o H no substrato é transferido através de uma série de transportadores de hidrogênio ou transportadores de elétrons e, finalmente, transferido para O2 para gerar H2O. Todo o sistema é chamado de cadeia de transporte de elétrons porque. de sua função Diretamente relacionada à respiração, também conhecida como cadeia respiratória.
tipo
1. Cadeia respiratória de oxidação de NADH (a maioria)
NADH → Complexo I → CoQ → Complexo III → Cyt c → Complexo IV → O2
2. Cadeia respiratória FADH2 (alguns, como ácido succínico, acil-CoA graxo, fosfato de a-glicerol, etc.)
Ácido succínico →Complexo II →CoQ →Complexo III →Cyt c →Complexo IV →O2
Fosforilação oxidativa
conceito
Durante o processo de transferência de elétrons na cadeia respiratória, a energia livre liberada quando os elétrons são transferidos do substrato oxidado para o oxigênio (ou seja, o H é oxidado para formar H2O) impulsiona a fosforilação do ADP para gerar ATP.
mecanismo básico
Quando os elétrons do metabólito intermediário NADH ou FADH2 são transferidos para o oxigênio através da cadeia de transporte de elétrons para gerar água, uma grande quantidade de energia é liberada. Essa parte da energia pode levar ADP e Pi a sintetizar ATP.
Acoplamento oxidativo-fosforilação
Razão fósforo/oxigênio P/O
Conceito: Durante o processo de fosforilação oxidativa, o número de moles de fósforo inorgânico (ou ADP) consumido ou o número de moles de ATP gerados para cada 1 mol de oxigênio consumido
O P/O da cadeia respiratória NADH é 2,5 e o P/O da cadeia respiratória FADH é 1,5.
mecanismo de acoplamento
teoria da osmose química
① Na cadeia respiratória, os corpos transmissores de hidrogênio e os corpos transmissores de elétrons estão dispostos alternadamente na membrana interna das mitocôndrias intactas, permitindo que a reação de oxidação-redução prossiga de maneira direcionada.
②A cadeia de transporte de elétrons tem a função de uma bomba de prótons, que pode bombear prótons de dentro da membrana mitocondrial interna para fora da membrana interna.
③A membrana mitocondrial interna intacta é seletivamente permeável aos íons e não pode permitir que os prótons bombeados para o exterior da membrana interna retornem livremente para a membrana interna. Isso resulta em uma diferença na concentração de prótons e no potencial através da membrana, que se torna a força motriz. para que os prótons retornem para o interior da membrana interna (prótons).
④Quando os prótons do lado de fora da membrana são impulsionados pelo potencial dinâmico do próton e passam pelo canal especial FO na enzima do complexo ATP incorporada na membrana mitocondrial interna, a energia livre é liberada para conduzir ADP e Pi para formar ATP.
ATPase (bomba de prótons ATP sintase, F1F0-ATPase, complexo V)
A função de F1 é catalisar a geração de ATP, e a função de F0 é formar um canal para prótons.
regulação da fosforilação oxidativa
Controle da respiração
Devido ao efeito regulador das alterações na relação ADP/ATP na fosforilação oxidativa, é chamado de controle respiratório, e a substância chave para a regulação é o ADP
Quando a proporção ADP/ATP aumenta, a fosforilação oxidativa aumenta; quando a proporção ADP/ATP diminui, a fosforilação oxidativa diminui;
desacoplamento e inibição
agente desacoplador
A destruição do gradiente eletroquímico de prótons através da membrana interna estabelecida pelo processo de transferência de elétrons faz com que a energia armazenada no gradiente eletroquímico seja liberada na forma de energia térmica e a geração de ATP seja inibida. Tais como: dinitrofenol (DNP);
inibidores da cadeia respiratória
Bloqueia o processo de transporte de elétrons da fosforilação oxidativa. Tal como rotenona A; antimicina A;
Inibidor da ATP sintase
Pode impedir que os prótons retornem do canal de prótons F0 e inibir a produção de ATP.
Fosforilação oxidativa do NADH extramitocondrial
lançadeira de fosfato de alfa-glicerol
Transporte malato-aspartato
A cadeia respiratória de oxidação de NADH bombeia 10 H: 10/4 = 2,5 (ATP molecular)
A cadeia respiratória de oxidação FADH2 bombeia 6 H: 6/4 = 1,5 (ATP molecular)
Ubiquinona e Cyt c não estão incluídos nos quatro complexos (papel de mensageiro)
n, a quantidade de substância que transfere elétrons (mol);
F, constante de Faraday, 96,5 KJ/V.mol
Os elétrons sempre fluem de um par redox de baixo potencial (E0′ baixo) para um par redox de alto potencial (E0′ alto) (isto é, direção da reação)
Temperatura (unidade K) T = Celsius 273
Constante de gás R=8,314
[Pontos-chave] Domine alguns conhecimentos básicos envolvidos no metabolismo material e no metabolismo energético, domine os tipos e composições das cadeias respiratórias oxidativas biológicas e domine a fosforilação oxidativa e outros métodos de geração de ATP.
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