第10章代谢总论.ppt

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1、1,第10章 代谢总论,2,主要内容,代谢的概念，功能，内容 电子载体与ATP 代谢研究方法,3,代谢(metabolism)也叫新陈代谢：发生在活细胞内的、由酶催化的，高度协调的和有目的的化学反应（生物体内一切化学变化的总称）。 主要包括： 将太阳能或者将来自环境的富含能量的营养物质转变成可利用的化学能； 将营养分子变成细胞自身所需要的分子，包括大分子所需的前体； 将小分子的前体聚合成蛋白质、核酸、多糖； 合成和降解具有特定细胞功能的生物分子。,4,10.1生物圈构筑了生物间的依存关系,一、代谢的多样性反映生物的多样性 尽管大多数生物细胞主要的代谢途径是相同的，但是不同的生物或细胞在进化过程

2、中被它们所选择的途径所特化，因而赋予了代谢的多样性。,5,根据对碳的需要将生物分为自养生物和异养生物： 自养生物：能利用大气中的CO2作为它们唯一碳源的生物，将其转变成自身所需的含碳化合物； 异养生物：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获取相对较为复杂的有机碳（如葡萄糖），并将其转变成自身所需要的含碳化合物；,6,根据对能量的来源将生物分为光养生物和化养生物： 光养生物：光合生物，能利用光作为能源； 化养生物：利用有机化合物，作为能源； 根据是否利用氧气作为产生能量的电子受体，分为需氧生物、厌氧生物、兼性厌氧生物；,7,原核生物比真核生物具有较大的代谢多样性。 原核生物可分为化能异养、光能自

3、养或化能自养等几种； 真核生物：原生动物、真菌、植物和动物； 真菌和动物是化能异养、植物是光能自养；,8,二、生物圈中的代谢循环,（一）能量流动与碳和氧循环 光能自养生物利用光能将CO2和H2O同化成有机物； 异养生物利用光合细胞合成的有机产物作为能量的能源分子以及作为合成自身特有生物分子的前体， CO2作为异养生物的碳代谢的末端产物返回大气，被光能自养生物重新利用； 生物圈中能量的流动在碳循环中运转，推动循环的原动力是光能；,9,碳素循环,10,（二）氮循环,氮对生物来说是关键元素，是蛋白质和核酸的组分；在无生命的环境中，氮以N2形式出现在大气中，以硝酸根离子NO3-的形式出现在土壤和海洋中

4、。 原核生物 固氮作用：N2还原为氨离子NH4+，然后掺入到碳骨架中，转变成有机氮而被生物利用； 硝化细菌：NH4+转化成NO3- 反硝化细菌：NO3-转化成N2 植物：同化NH4+和NO3-形成氨基酸等，将NO3-还原为NH4+ 动物：利用含N物释放NH4+和含N有机物,11,氮循环,12,10.2 分解代谢与合成代谢,代谢目的物质能量 物质的合成与分解 能量的转换、储存和释放 代谢过程分解代谢，合成代谢 分解代谢：产生能量，为合成代谢提供前体 合成代谢：利用分解代谢前体分析合成所需生物分子，需要能量,13,有机营养物通过一系列反应步骤转变为较小的、较简单的物质的过程称为分解代谢（catab

5、olism）。 有机营养物质通过分解代谢的过程可大致划分为三个阶段。 第一个阶段由营养物的大分子分解为较小的分子； 第二阶段是由各种小分子进一步转变为少数几种共同物质； 第三个阶段由柠檬酸循环和氧化磷酸化两个共同代谢途径组成。这个阶段是形成ATP的主要阶段。 分解代谢显著特点是趋同性； 分解代谢反应大多数是氧化反应，通常是释放能量，所释放的化学能往往以ATP的形式捕获；,一、分解代谢（异化）,14,二、合成代谢（同化）,生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程称为合成代谢（anabolism），又称生物合成（biosynthesis）。 合成代谢的显著特点是趋异性； 合成代谢反

6、应通常是需要能量，ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）提供能量。,15,新陈代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。,生物体的新陈代谢,生物大分子分解为生物小分子 释放能量（用于合成代谢和生理及运动需能）,生物小分子合成为生物大分子 需要能量（来自分解代谢及光、热等）,分解代谢（异化作用）,合成代谢（同化作用）,物 质 代 谢,16,分解代谢和合成代谢途径间的能量关系,分解代谢 (氧化、放能),合成代谢 (还原、吸能),糖类 脂肪 蛋白质,细胞大分子,产能营养素,蛋白质 多糖 脂类 核酸,氨基酸 糖 脂肪酸 碱基,前体分子,17,三、合成代谢和分解代谢

7、,分解代谢和合成代谢具有相反的作用，但两者相互关联，即一种过程的产物为一种相反过程提供底物，许多代谢中间物为两个过程所共有；这种可以公用的代谢环节称为两用代谢途径（amphibolic pathway）。柠檬酸循环（citric acid cycle）可看作是两用代谢途径的典型。两用代谢途径的存在，使机体细胞的代谢更增加了灵活性。 任何物质的生物合成所需的能量要超过该物质分解代谢产生的能量，否者生物可能成为永动机。,18,四、代谢的调节,代谢的调节概括地划分为三个不同水平： 分子水平的调节包括反应物和产物的调节（主要是浓度的调节和酶的调节）； 细胞水平的调节主要是因为细胞有特殊结构，使酶的作用

8、具有严格的定位条理性 ； 整体水平的调节主要包括激素的调节和神经的调节。,19,10.3 代谢与生物能学,自由能(free energy)对生物体有特别重要的意义，因为它不仅可用来判断机体内一过程能否自发进行，而且生物体用以作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。生物氧化所提供的能量正是可为机体利用的自由能。 Gibbs将能够用于做功的能量称为自由能。,20,自由能的变化,自由能的变化(G)：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变过程无关。 标准自由能的变化(G)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L。 生化反应中标准自由能的变化(G)：298K，101.3KPa，

9、反应物浓度为1mol/L，pH=7。,21,自由能（Free Energy),自由能(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。 自由能对生物体重要，不仅可用以判断生物体内的某一过程能否自发进行，且生物体内能用于作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。 1878年，Josiah Willard Gibbs结合热力学第一和第二定律，提出了自由能的公式： G=H-TS G代表体系的自由能的变化，H代表体系的热焓变化，S代表熵的变化。,22,如 A+B C+D G=(GC+GD)-(GA+GB) G = G0+RTlnCD/AB G0 反应不能自发进行，需要提供能量,自由能变化与生物化学反应

10、,反应的G仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自有能，而与反应途径和反应机制无关。 G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，而与反应速度无关。,23,能量学在生物化学应用中的一些规定,1 水的浓度（近似于活度）规定为1.0 2 pH = 0.0（即H+=1M）, 标准自由能变化为G0 标准状况pH = 7.0，此时标准自由能变化为G0 3 pH 7.0, 就不能用 G0值 4 建议用焦耳(Joules)或kJmol-1表示标准自由能变化。1卡 = 4.184J 。,24,氧化还原电位,氧化还原反应：凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。 提供电子的分子称

11、为还原剂 接受电子的分子称为氧化剂 物质失去电子后，成为氧化型 氧化型再得到电子又成为还原型 氧化还原电位（E）：在氧化还原反应中，自由能的变化与反应物供出或得到电子的趋势成比例，这种趋势用数字表示。,25,E和E,标准氧化还原电位E：在25 ，pH0，压力101.3KPa和所有反应物、生成物的浓度为1molL-1的半反应的电极电位。 E：pH7时的标准氧化还原电位 E=标准氧化电极电位（电子受体）标准还原电极电位（电子供体） E值越小，电负性越大，供出电子的倾向越大，即还原能力越强 E值越大，电正性越大，得到电子的倾向越大，即氧化能力越强 电子总是从较低的氧化还原电位（即E值较小）向高电位流

12、动（即E值较大）,26,氧化还原电位与自由能,G -nFE n转移电子数 F法拉第常数（96.403kJmol-1） 在生物化学反应中，这种自由能变化意味着一个体系能够转移电子的能力。,27,10.4 生物氧化还原反应电子载体,糖类、脂质和蛋白质等含碳有机分子的降解和氧化是物质分解代谢的主要内容； 糖酵解、脂肪酸的-氧化、氨基酸的氧化分解和柠檬酸循环等代谢有机物氧化分解的主要途径； 有机物在酶催化下氧化脱氢，产生的电子是生物体内主要的能量来源。,28,在生物体内，被氧化的反应物分子很多，在相应的脱氢酶催化下反生反应； 作为氧化反应的电子受体只有少数集中； 这些受体可以作为不同酶的辅酶参与到不同

13、反应中去； 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）是主要的电子载体； 黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）也是重要的电子载体；,29,NAD+ NADH NADP+ NADPH FAD FADH2 FMN FMNH2,辅酶（氧化型）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） 辅酶（还原型） 辅酶（氧化型） 辅酶（还原型） 黄素腺嘌呤二核苷酸（氧化型） 黄素腺嘌呤二核苷酸（还原型） 黄素单核苷酸（氧化型） 黄素单核苷酸（还原型）,生物氧化反应中的电子载体,30,辅酶（NAD+） 辅酶（NADP+） ,以一个H+和2个电子（氢负离子H-）的形式将自有能转移给生物合成的需能反应,烟酰胺（氧化型）,烟酰胺（还

14、原型）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,NAD+（烟酰胺嘌呤二核苷酸）和NADP+（烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸）,维生素PP(B5)/烟酸烟酰胺,31,AH2 + NAD+ A + NADH + H+,NAD+ 收集分解代谢释放的电子 和产生能量的氧化性分解代谢有关,接受一个H+和2个电子（2e）,32,NADPH 为合成代谢提供还原力,还原型底物,合成代谢,分解代谢,氧化型前体,氧化型产物,还原型产物,33,FMN（黄素单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷）,6,7-二甲基异咯嗪,核黄素,核糖醇,34,参与一个电子或两个电子的传递,氧化型 黄色,还原型 无色,半醌型 蓝色,半醌型,35,辅酶A在能量代谢中

15、的作用 p306,-巯基乙胺,泛酸,泛酰巯基乙胺,焦磷酸,活性部位,-SH在酶促转乙酰基的反应中，起着接受或提供酰基的作用。,高能硫酯键,10.5 ATP与磷酸基的转移,高能磷酸化合物 有易水解的磷酰基，且能释放出大量自由能的磷酸化合物。一般意义上，水解时释放出 -25 kJmol-1以上自由能的键作为“高能键”。 “高能键”指水解后释放大量自由能， “键能”指断裂某个化学键需要的能量。,36,37,生物体中高能化合物的类型,38,生物体内的高能磷酸化合物：ATP、1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰磷酸、磷酸肌酸等；其中ATP是最主要的高能磷酸化合物，而其他的高能化合物只能作为高能磷

16、酸基(P)的供体，将P转移到ADP上，生成ATP，本身很少直接参与其他吸能反应。,由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成。 腺苷三磷酸分子中的三个磷酸基团从与分子中的腺苷基团相邻的磷酸基团算起，依次分别为、和磷酸基团。磷酸基团与腺苷相连的称为磷酯键，而和、和磷酸基团之间的键称为酸酐键。 酸酐键是高能键。,ATP的结构,酸酐键易水解并释放自由能，原因是： 造成酸酐键之间的不稳定的原因是磷酸基团之间相邻的负电荷的相互排斥； ATP水解形成的ADP3-和HPO42-都是杂化共振物，比ATP具有更大的稳定性。,ATP,40,ATP在能量转运中的地位和作用,ATP的G0（标准自由能变化）在所

17、有含磷酸基团的化合物中处于中间状态。 在磷酸基团转运中起到中间传递体的作用。既可向低的又可向高的磷酸基团转移。 转移磷酸基团的 “共同的中间体”。,41,42,ATP系统的动态平衡,ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的平衡状态。 细胞内有调节机制，维持ATP相对稳定： 调节ATP的生成以供细胞的能量需要； 调节ATP的利用。,43,44,ATP提供以下四方面对能量的需要： (1)提供生物合成做化学功时所需的能量 (2)是生物体活动以及肌肉收缩的能量来源 (3)供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需的自由能 (4)在DNA、RNA 和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递,45,10

18、.6 研究代谢的方法,代谢的研究，主要是对中间代谢进行研究，即搞清楚代谢的具体过程，以及各种物质所发生的具体变化。 in vivo 活性的，生物体内的 in vitro 实验室的，体外的,46,一、追踪代谢物去向,同位素示踪法 常用的放射性同位素有： 氚（3H），14C，131 I等 用同位素来标记化合物，不影响化学性质，又非常容易测定，在当前的研究中，已经成为一种必不可少的手段。,47,常用放射性同位素 同位素名称 符号 放射线种类 半寿期 氢3（氚） 3H,T - 12.26年 碳14 14C - 5730天 磷32 32P - 14.3天 碘131 131I - 8.070 0.009天

19、 硫35 35S - 87.1天 正比计数法 (proportion counting)： 放射线 （物质产生离子化）放光 （光电倍增管）电子脉冲 检测 液体闪烁计数法(liquid scintillation counting )： 射线 （芳香族的溶剂）荧光 检测 放射自显影法（autoradiography）： 射线 感光胶片 分析感光胶片,48,核磁共振波谱法：,运动19min后,运动前,磷酸肌酸,磷酸肌酸,无机磷酸,无机磷酸,ATP,ATP,磷酸肌酸,运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况,人体前臂肌肉在运动前后磷酸肌酸,无机磷 酸和ATP三个磷酸基团的 31P NMR波谱,碳(

20、13C)谱, 氟(19F)谱, 31P谱, 15N谱,49,二、代谢系统的扰乱,酶抑制剂阻断某一特定反应，造成一种代谢中间物的积累，可用于测定。 遗传缺陷症，由于基因的突变，体内缺乏某种酶，某些代谢中间产物的积累，在血液或尿中能够测定。,50,使用酶的抑制剂： 碘乙酸抑制磷酸甘油醛脱氢酶， 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累； 氟化物抑制烯醇化酶, 2-磷酸甘油酸和3-磷酸甘油酸积累。,51,利用遗传缺欠症研究代谢途径： 1、苯丙氨酸代谢异常： 苯丙酮尿症(phenylketonuia, PKU) 2、酪氨酸代谢异常： 白化病（albinism） 、尿黑酸尿症、帕金森氏病,遗传缺欠症（先天性基因

21、突变）缺乏某种酶 前体物的积累 在血液或随尿排出 测定,52,Phe和Tyr的代谢,去甲肾上腺素,酪氨酸,苯丙氨酸,多巴胺,多巴醌,对羟苯丙氨酸,肾上腺素,黑色素,吲哚醌,尿黑酸,延胡索酸、乙酰 乙酸,酪氨酸酶,酪氨酸羟化酶(神经、肾上腺),羟化酶,苯乙酸,苯丙氨酸转氨酶,多巴（DOPA）,甲状腺激素,氧化酶,脱羧酶,苯丙酮酸尿症,白化病,Parkinson disease 帕金森氏病,尿黑酸尿症,53,54,白化鳄,55,56,10.7 代谢组学的研究,代谢组是指一个细胞、组织和器官中，所有代谢组分的集合； 代谢组学是对某一生物或者细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析，以检测活细胞中化学变化的科学； 以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标。,本章习题,简述热力学定律与生物能学的关系。 G有何实际意义？ 从ATP的结构特点说明其在能量代谢中的作用。,