生物電化學短講 生物體能量 呼吸作用 生物電子傳遞系 糖與醣 葡萄糖 糖解作用 檸檬酸循環(TCA cycle) 電子傳遞鏈 傳導概論 傳導機制 生物電子傳遞系 生物體能量 內容以醣類為主 ，以及介紹如何將葡糖糖轉換成生物體所能使用的能量的作用 ，稱作呼吸作用。 呼吸作用分成三個步驟 糖解作用 檸檬酸循環 以及電子傳遞練 然而這些會在後面將會做詳細的介紹 Reporter : 王竣弘, Adviser : Hsien-Chang Chang, 2011.10.04

Cell and Life 維持生物體所需基本能量代謝(ex:ATP, NADPH ) 複製及儲存遺傳訊息(ex:DNA, RNA, protein ) 毒物代謝及能量儲存(ex:H2O2, phosphate ) 對抗及消滅外來物 (ex:吞噬作用、細胞激素) 細胞是生命的單位，生物是由細胞構成，探討生命現象可由研究細胞開始。 細胞的功用有很多種: 如維持生物體所需的能量 調控生物體功能表現 以及複製與儲存遺傳訊息 等等 。這篇短講的內容是在維持生物體所需的能量。 2

生物體能量 生物體需要的養分中，醣類、脂質與蛋白質為大分子的物質。 大份子養分經由分解作用產生小分子的物質，才能被細胞吸收。 細胞吸收小分子物質與氧氣，經由氧化作用產生能量並釋放二氧化碳。 養分經氧化作用產生能量，部份被細胞利用來維持生命，部份以熱的形式被釋放出來。 首先稍微說明一下生物體能量從何而來 當生物攝取養分時候 此時為大分子物質(醣類 脂質 蛋白質) 不能被細胞所吸收，必須經由一系列分解和氧化作用 分解成小細胞再釋出能量 以來維持生物的生命現象 然而這一系列分解氧化作用稱之為呼吸作用 1.ATP → ADP (釋能) 2. ADP就是只含有兩個磷酸根;ATP=ADP+pi(表示磷酸根) 3. ATP的重要性:a.提供細胞能量b.活化酵素(如細胞信號傳遞過程) 4.如果水解斷裂都能釋放出約8千卡的能量供生命活動利用。即ATP→ADP＋Pi＋能量，ADP→AMP＋Pi＋能量，只是ADP→AMP這一過程在細胞中較少發生，因為離A端近的這一高能磷酸鍵不容易水解斷裂，而離A端遠的那一個高能磷酸鍵很容易水解斷裂，也容易形成。 3

食物與消化系統 intake 澱粉酵素(Amylase) 胃液素(Pepsin) 脂肪分解酵素(Lipase) 澱粉酵素(Amylase) 胰蛋白(Trypsin) 胰凝乳蛋白酵素 (Chymotrypsin) 脂肪分解酵素(Lipase)……等 人類從食物中得到養分 在消化系統內有許多消化腺會產生各種酵素來進行分解 water 腸激素(Enterokinase) 蔗糖酵素(Sucrase) 乳糖酵素(Lactase) 麥芽糖酵素(Maltase) 核甘酸酵素(Nucleotidase)….等 http://219.239.238.40/images/200503/pic_82756.jpg

Energy from Food Protein Fat glucose amino acid fatty acid, glycerol Polysaccharide disaccharide amino acid:胺基酸 fatty acid:脂肪酸 Glycerol:甘油醇 Polysaccharide:多醣類 Disaccharide:雙醣

醣與糖 醣 又稱碳水化合物，分子式Cn(H2O)m 糖 個別的醣稱之，如葡萄糖、蔗糖等 種類 單醣個數 特 性 例 子 單醣 1個 特 性 例 子 單醣 1個 有甜味、溶於水 核糖和去氧核糖 葡萄糖、果糖、半乳糖 雙醣 2個 乳糖、蔗糖、麥芽糖 寡醣 3~10個 低熱量 促進腸內有益細菌繁殖 棉籽糖、水蘇糖 多醣 10個以上 無甜味、不溶於水 澱粉、纖維素 黏多糖、半纖維素 醣類是供給生物體內能量的主要來源，主要由碳、氫、氧(C 、 H 、 O)三種元素所構成，且多數醣類，其氫、氧原子之比例與水一樣，所以又稱為「碳水化合物」。 單醣: 雙醣:由兩個單醣分子間發生脫水反應後所形成之化合物。 寡醣:可水解成2~10個單醣單元的糖類，也就是(CH2O)n，其中2≦n ≦10的糖類。 多醣類:多醣存在於每個人的皮膚、骨骼、血管、眼角膜、…等部位，是組成人體結構的重要成份之一。 6

細胞能量來源─葡萄糖 (Glucose) Ribose 5-phosphate (5-磷酸核糖) 化學式C6H12O6 (MW180)，白色晶体，熔點146℃， 易溶於水，味甜。 氧化成CO2和H2O的過程會產生 -2840 kJ/mol 的標準自由能差。 能量需求時，多醣聚合物可以快速的釋放葡萄糖，在有氧或 無氧狀況下產生ATP 。 三個主要的作用 (1) 以多醣類或蔗糖形式儲存。 (2) 透過糖解氧化成兩分子的丙酮酸(pyruvate)，提供ATP 及代謝中間產物。 (3) 透過磷酸五碳糖氧化路徑，產生5-磷酸核糖及NADPH。 s Glucose Storage(儲存) oxidation via glycolysis (糖解作用) oxidation via pentose phosphate pathway (磷酸五碳糖氧化路徑) Glycogen, starch, sucrose (肝醣，澱粉，蔗糖) Ribose 5-phosphate (5-磷酸核糖) Pyruvate(丙酮酸) 葡萄糖（英語：Glucose，Glc，或者Glu），又稱為血糖、玉米葡糖、玉蜀黍糖，甚至簡稱為葡糖，分子式C6H12O6，是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖。 葡萄糖的結構

呼吸作用 是生物體細胞把有機物氧化分解並產生能量的化學過程，又稱為細胞呼吸(Cell respiration)。 細胞內完成生命活動所需的能量，都是來自呼吸作用。 粒線體是與呼吸作用最有關聯的胞器。 是一種酶促氧化反應。 目的：製造三磷酸腺苷(ATP)，是細胞最主要的能量供應者。 過程：透過一連串的反應步驟，將葡萄糖、胺基酸和脂肪酸，分解成更小的分子，透過數個步驟，將能量轉移到還原性氫中。最後經過電子傳遞鏈，把原本貯存的能量，轉移成ATP分子，供生命活動使用。 呼吸作用又稱細胞呼吸，是生物體把有機物分解產生能量的過程 。呼吸作用是經過糖解作用、克氏循環、電子傳遞鍊這些過程產生出能量供應者ATP 其中糖解作用的作用場所是在細胞質 克氏循環和電子傳遞鍊發生在粒線體

The Cell electron transport pathway TCA cycle glycolysis 此圖為動物細胞 其中 糖解作用 發生在細胞質 克氏循環在粒線體基質內 而電子傳遞鍊在粒線體的內膜上 9

Electron transport system Glycolysis nucleus Cytoplasm Electron transport system cell 此為粒線體的放大圖 粒線體是由內膜外膜所形成的(雙模)胞器 TCA cycle mitochondria 10 www.rienstraclinic.com/.../2006/2006Apr.html

呼吸作用 H Reference : wikipedia 呼吸作用的過程 一開始糖解作用_ 葡萄糖分解成丙酮酸 利用釋放出的能量把ADP合成ATP ，產生的丙酮酸進入下一步驟克氏循環 其中也會產生ATP，最後就由上兩步驟產生的NADH 及FADH2 進路電子傳遞鍊開始產生一系列的氧化還原 最後 H+ 和氧氣結合產生水 此時所產生的ATP是最多的 Reference : wikipedia

糖解作用(Glycolysis) 是所有生物細胞糖代謝過程的第一步。 於細胞質中進行反應。 葡萄糖分子被酵素催化作一系列的分解，產生兩個丙酮酸。 有一部分自由能從葡萄糖中被釋放出來，以ATP和NADP的形式保存。 某些哺乳類的的組織和細胞中，糖解為唯一代謝能量來源，很多厭氧性微生物的生存，完全依賴糖解反應。 糖解反映在種族間的差異只在於丙酮酸的形成路徑調節細節上有些許的不同。 糖解作用分兩個時期：準備期跟收成期 1）把葡萄糖分解成兩個丙酮酸，兩個ATP和兩個NADH2，這部分稱為糖解作用（glycolysis），是在細胞質內進行的。如果是澱粉，得先由酵素分解成葡萄糖，而其他醣類可先轉變成葡萄糖，才得進行糖解作用，這就是為什麼在醫療時常注射葡萄糖液，來補充病人體力 12

準備期 六碳糖激酶 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖磷酸鹽同分異構酶 6-磷酸果糖 磷酸果糖激酶 雙磷酸果糖 醛縮酶 三磷酸甘油醛 二羥基丙酮磷酸鹽 Pyruvate 六碳糖激酶 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖磷酸鹽同分異構酶 6-磷酸果糖 磷酸果糖激酶 雙磷酸果糖 首先是準備期 ATP釋放能量讓六XXXX酶讓葡萄糖磷酸化 在由以下的激酶 縮沒 產生出三鄰酸甘油全 以及二XXXXXX這兩項產物 便開始進入收成期。 醛縮酶 三磷酸甘油醛 13 二羥基丙酮磷酸鹽

收成期 三碳糖磷酸異構酶 三磷酸甘油醛 3-磷酸甘油醛脫氫酶 1,3-雙磷酸甘油 磷酸甘油酸激酶 3-磷酸甘油 磷酸甘油酸變位酶 由準備期的兩個產物再經由一系列的托青梅 和基梅等等 最後產生出丙酮酸 磷酸甘油酸變位酶 2-磷酸甘油 烯醇酶 磷酸烯醇丙酮酸 丙酮酸激酶 14 丙酮酸

糖解作用 總反應式 葡萄糖 + 2 ATP+ 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 整理後 在有氧的情況下 結果 The pathway of carbon : 一個葡萄糖產生兩個丙酮酸。 The pathway of phosphoryl groups : 可產生兩個ATP。 The pathway of electrons : 兩個電子以兩個氫離子的形式， 從兩個3-磷酸甘油醛轉移到兩個2 NAD+ 。 葡萄糖 + 2 ATP+ 4 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 丙酮酸 + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2H2O 葡萄糖 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 丙酮酸 + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O 2 NAD+ → 2NADH + 2H+ 15

糖解後反應 糖解作用 厭氧狀態 有氧狀態 檸檬酸循環 The citric acid cycle (TCA cycle) 16

Tricarboxylic Acid Cycle 三羧酸循環(Tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)又稱檸檬酸循環(Citric Acid Cycle)，為英國生化學家克列布斯(Hans A. Krebs)於西元1953年發表的理論，是故又稱克式循環(Krebs cycle)。 是三大營養素（糖類、脂類、胺基酸）的最終代謝通路，又是糖類、脂類、胺基酸代謝聯繫的樞紐。 反應場所：真核生物→粒線體基質 原核生物→細胞質 是呼吸作用過程中的一步。 17

反應機制 Reference : wikipedia 丙酮酸 乙醯輔酶A 丙酮酸羧酶 檸檬酸合成酶 草醯乙酸 順-烏頭酸 烏頭酸酶 異檸檬酸 蘋果酸脫氫酶 L-蘋果酸 異檸檬酸脫氫酶 1.細胞的呼吸作用分成糖解做用~檸檬酸循環與電子傳遞鍊 六碳糖先經糖解變成丙酮酸..然後進入檸檬酸循環 丙酮酸進入檸檬酸循環的過程中..會產生細胞所需的NADH..ATP及FADH2 2.當由丙酮酸斷裂而生成的二碳乙醯輔酶A，與四碳的草醯乙酸結合時，克氏循環就開始了，八個反應逐一發生，當反應結束後，兩個碳釋出形成CO2；在一個偶合反應中生成一個ATP分子；並得到八個帶更高能量的電子且被NADH或其他載體運走；最後剩下和開始時一樣的四碳糖。 這個反應是一個循環，在每次循環中，一個新加入的乙醯基補充了變成CO2而失去的兩個碳分子，而更多電子被拉走。 一分子葡萄糖經糖解作用會生成兩個丙酮酸，故可供兩次循環使用。 延胡索酸酶 α-酮戊二酸 α-酮戊二酸脫氫酶複合體 延胡索酸 琥珀醯輔酶A 琥珀醯輔酶A合成酶 琥珀酸脫氫酶 琥珀酸 18 Reference : wikipedia

TCA cycle Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O 總反應式 檸檬酸循環的前提是，早先進行的糖解作用等過程能提供足夠的活化乙酸，以乙醯輔酶A的形式出現在循環。 循環中生成的氫載體（NADH + H+ and FADH2）將會在細胞呼吸鏈裡釋放更多的能量 ，這也正是細胞呼吸的主要目的。 NADH + H+ 和 FADH2是輔酶，能攜帶質子和電子，並在需要的時候釋放。 Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 3 H2O →CoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + 2 CO2 ADP + GTP →ATP + GDP 19

The two flavin coenzymes (Vitamin B2) 維生素B2的活化型：FMN及FAD ，食物中含量豐富。 FMN及FAD在氧化還原作用中是作為氫原子的載體。 B2可以幫助脂肪的代謝。缺乏維生素B2會造成口角炎與脂漏性皮膚炎。 20

Niacin (Vitamin B3) 維生素B3參與細胞內生化反應的活化型為NAD+及NADP+。 作用為去氫酶(dehydrogenase)的輔酶。在氧化作用中NAD+為載體，把氫原子從受質上移去。缺乏時症狀為癩皮病。 nicotinamide Nicotinic acid Nicotinamide Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+) Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate (NADP+) 21

電子傳遞鏈 反應場所：粒線體內膜 H+主動運輸至膜外 氧接受電子，與H+結合成水 另一種是NAD或NADP，它的能量是以電子或是還原態的形式存在分子裏面，這種能量釋放出來無法直接被生物體利用，所以必須經過一個轉換的過程，這個過程稱為電子傳遞鏈。 22

NADH→[complex I]→CoQ→[complex III]→Cyt C→[complex IV]→O2 Succinate(FADH2)的電子傳遞 FADH2→[comples II]→CoQ→[complex III]→Cyt C→[complex IV]→O2 complex I ：超過34種次單位構成 以FMN及Fe-S蛋白為主 complex II ：由4種次單位構成 以FAD及Fe-S蛋白為主 complex III ：超過11種次單位構成 含Fe-S蛋白、細胞色素C1及2種細胞色素b complex IV：超過13種次單位構成 含2種銅蛋白及2種細胞色素 複合物I 即NADH脫氫酶，或稱NADH-輔酶Q還原酶，以黃素單核苷酸和鐵硫簇爲輔酶，用NADH將輔酶Q還原爲QH2，同時泵出質子。 複合物II 即琥珀酸-輔酶Q還原酶，是個跨膜蛋白複合物[1]，是三羧酸循環的一部分，用琥珀酸以共價結合的FAD爲輔酶將輔酶Q還原為QH2，不泵出質子 複合物III（質子泵） 即輔酶Q-細胞色素c還原酶。細胞色素c是重要的電子載體，在複合物III和IV之間傳遞電子。 複合物IV（質子泵） 即細胞色素c氧化酶。複合物IV是電子傳遞鏈的終點，氧氣在此被還原生成水。 23 Reference : http://www.e-biolearning.com/bbs/context.asp?id=99

Protein complexes that are found in the membrane of the mitochondria The electron transport chain Protein complexes that are found in the membrane of the mitochondria 24 www.rienstraclinic.com/.../2006/2006Apr.html

The electron transport chain Electrons through an electron transport chain to oxygen which is reduced to water. NADH High reducing potential Low reducing potential 25 Biochemistry and Molecular Biology, William et.al.1997 p:108-156

氧化還原電位 電化學反應: 生化反應: Zn Zn2+(aq) Cl-(aq) Hg2Cl2 Hg E0 = 1.03 V NAD+ / NADH NO3- / NO2- E0’ = -0.31 V E0 = 0.73 V + e- Fe(CN)6-3 Fe (CN)6-4 E 0 = 0.36 V 26

所有的活細胞都必須進行呼吸作用產生能量而生存 生物體直接供能物質: ATP 一分子葡萄糖分解可產生36ATP(或38ATP) 粒線體 27 27

Summary on Glycolysis & TCA Cycle 葡萄糖分解的總反應 能產生38ATP的器官(心、肝、腎) 28

Thanks for your attention