生物化学辅导.ppt

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1、欢迎各位同学参加2011年 清北学堂生物学奥林匹克培训 ! 关于我的一点自我介绍 n姓名：杨荣武 n性别：男 n职称：教授 n工作单位：南京大学生命科学学院 n电子信箱： n主讲课程：生物化学 n主要成绩：发了几篇论文，出了几本书 奥赛动向分析与预测 与高中生物学内容结合的越来越密切 与生活的实际结合的越来越密切 关心和追踪最新进展 生化、分子与细胞这三门见真功夫！ 身边的生物化学 4肉碱能否减肥？ 4“皮革奶” 4“瘦肉精”2-肾上腺素激动剂，能加 强脂肪的分解，促进蛋白质的合成，化 学性质十分稳定，主要经尿和胆汁以原 型排出，会在脏器中残留，有毒副作用 。 瘦肉精的化学结构 去年两大生化发

2、现与 诺贝尔医学及生理学奖 JSynthia（辛西娅） JGFAJ-1 J试管婴儿 谁是Craig Venter？ NASA发现生命新可能 -砷元素或能形成生命体 J 以剧毒砷生长的菌株GFAJ-1，将改写生物教科书，使地球 外寻找生命的范围得以拓展 J 美国宇航局天体生物学家费丽莎乌尔夫-西蒙(Felisa Wolfe-Simon)，将从加利福尼亚州莫纳湖湖底收集而来的 微生物，置于实验室含有砷的混合试剂内培殖了数月，结 果发现微生物体内的磷原子被砷原子置换出来了。 J 乌尔夫-西蒙表示，每天去实验室的时候都会摒住呼吸， 生怕这些微生物会死去，但它们没有。如果这一结果被确 认，那么“生命及生

3、命存在于何处”的定义将被扩大。 J 碳、氢、氮、氧、磷和硫是地球所有已知生命形式的六 大基本构建元素。磷是携带生命基因的DNA和RNA的化学成 分之一，被认为是所有活细胞的必需元素。 J 砷在化学元素周期表的位置正好位于磷的下方，正是由于 两者化学习性相近，所以砷很容易被细胞吸收导致中毒。 记忆必需氨基酸 J 人体八种必需氨基酸，外加二种半必需 氨基酸，此为谐音记忆，非常有效：笨 （苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）精（精氨酸 ）来（赖氨酸）宿（苏氨酸）舍（色氨 酸）住（组氨酸）亮（亮氨酸）凉（异 亮氨酸）鞋（缬氨酸）。 无处不在的生物化学 J为什么多吃西瓜，特别是西瓜皮有利于心血管的健康？ J近朱者赤，

4、近墨者黑！ J反式脂肪与-3脂肪酸 J为什么狗急了跳墙，人急中生智？ J为什么喝咖啡或绿茶能减肥？ J农夫与蛇的故事 J肉碱能减肥吗？ J骗人的珍奥核酸 J甲醇中毒了怎么办？ J为什么过夜的韭菜不能吃？ J太阳的好处与坏处 J为什么路边的野蘑菇不要采？ J我们人有多少个基因? J先有DNA，还是先有蛋白质？ J世界上有不怕艾滋病毒的人吗？ J西瓜里面有瓜氨酸 J瓜氨酸在体内可以转变为精氨酸 J精氨酸是合成NO的原料 JNO能够扩张血管 小心近墨者黑！ PrPc与PrPsc在构象上的主要差别：（1）PrPc；（2）PrPsc 氨基酸考点分析 4蛋白质氨基酸 vs 非蛋白质氨基酸 4D型氨基酸 v

5、s L型氨基酸 4必需氨基酸 vs 非必需氨基酸：联想到 必需脂肪酸和非必需脂肪酸以及维生素 4疏水氨基酸和亲水氨基酸 4氨基酸的性质：两性解离与等电点（如 何计算）；茚三酮反应；脯氨酸的特殊 性 蛋白质考点分析 4蛋白质一级结构的定义及表示方法：联想到核 酸的一级结构及其表示方法 4蛋白质的二级结构与主链上的氢键 4模体与结构域 4三级结构与氢键、疏水键、范德华力、离子键 、二硫键 4四级结构与氢键、疏水键、范德华力、离子键 、 4纤维状蛋白、球状蛋白与膜蛋白 4蛋白质的性质：紫外吸收、两性解离、变性与 复性、颜色反应；联想到核酸的相应的性质 核酸考点分析 4DNA与RNA三大差别及其原因和

6、生物学意 义 4几种比较重要的RNA 4核酸的二级结构：三种双螺旋ABZ的异同 4核酸的三级结构 4核酸的性质 核酸的分类核酸的分类 ?DNA 一种类型，一种功能 ?RNA 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码 (NcRNA) 性质RNADNA 戊糖D-核糖2-D-脱氧核糖 碱基A、G、C、UA、G、C、T 多聚核苷酸链的数 目 多为单链多为双链 双螺旋A型B型和Z型 种类多种只有一种 功能功能多样一种功能:充当遗传 物质 碱溶液下的稳定性不稳定，很容易水 解 稳定 DNA和RNA的结构异同 英文缩写全称功能存在 mRNA信使RNA翻译模板所有的细胞 tRNA转移RNA携带氨基酸，参与翻译同

7、上 rRNA核糖体RNA核糖体组分，参与翻译同上 SnRNA核小RNA参与真核mRNA前体的剪接真核细胞 SnoRNA核仁小RNA参与真核rRNA前体的后加工真核细胞 7SLRNA7S长RNA参与蛋白质的定向和分泌真核细胞 tmRNA转移信使RNA兼有mRNA和tRNA的功能原核细胞 gRNA指导RNA参与真核mRNA的编辑某些真核细胞 RNAi（ microRNA和 siRNA) 干扰RNA调节基因的表达真核细胞 Ribozyme核酶催化特定的生化反应原核细胞、真核细胞 和某些RNA病毒 Xist RNA调节雌性哺乳动物一条X染色体 转变成巴氏小体 哺乳动物 DNA & RNA DNA &

8、RNA 的差别的差别 ? ? 为什么DNA含有T? LC自发脱氨基变成U L修复酶能够识别这些突变，以用C取代这 些U。 L如何区分正常的U和突变而来的U? L使用T就很容易解决以上问题。 DNA & RNA DNA & RNA 的差别的差别 ? ? 为什么DNA 2-脱氧，RNA不是? LRNA临近的-OH使其更容易 LDNA缺乏2-OH更加稳定 L遗传物质必须更加稳定 LRNA需要的时候合成，不需要的时候 需要迅速降解。 为什么DNA通常是双链的,RNA通 常是单链的? n互补的双链结构使DNA很容易进行复 制、修复和重组 n单链的结构使得RNA能够形成丰富多 彩的三维结构 AT和GC碱基

9、对的配对性质 B-型DNA双螺旋结构的主要特征 双螺旋稳定的因素 （1）氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对 双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性 作用的是碱基的堆集力。 （2）碱基堆集力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它 包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻 碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之 间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化 能提高碱基的堆积力。 （3）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。 核酸的理化性质 n紫外吸收 n酸碱解离 n变性 n复性和杂交 DNA的变性和复性 酶学考点 4酶的

10、化学本质：主要是蛋白质，少数是RNA； 区分核酸酶和核酶；为什么DNA不能充当酶？ 4细胞里有哪些反应由核酶催化？ 4酶的性质：与非酶催化剂的共同性质；酶的特 有性质 4米氏酶与别构酶 4米氏常数（Km）、最大反应速度（Vm）与kcat 及kcat/Km 4酶活性的调节 代谢考点 4真核细胞代谢的分室化 4NADH、FADH2、NADPH、ATP 4几种重要的代谢途径：糖酵解、三羧酸 循环、糖异生、磷酸戊糖途径、卡尔文 循环、尿素循环、核苷酸代谢 4如何计算ATP的得与失？ 代谢途径的分室化 代谢途径发生区域 三羧酸循环、氧化磷酸化，脂肪酸氧化，氨基酸分 解 线粒体 糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊

11、糖途径、细胞液 DNA复制、转录 、转录 后加工细胞核、线粒体、叶绿体 膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面内质网 脂和胆固醇的合成光面内质网 翻译后加工（糖基化）高尔基体 尿素循环肝细胞线粒体和细胞液 分解代谢和合成代谢 细胞需要持续不断的能量供应 NADH, NADPH和 ATP ATP 通用的能量货币 NADPH 生物还原剂 代谢中的能量考虑代谢中的能量考虑 糖酵解 发生在所有的活细胞 位于细胞液 共有十步反应组成在所有的细 胞都相同，但速率不同。 两个阶段： i)第一个阶段投资阶段或引发阶 段: 葡萄糖 F-1,6-2P 2G-3-P ii)第二个阶段获利阶段：产生2 丙酮酸+2ATP 丙酮酸的

12、三种命运 糖酵解的两阶段反应 糖酵解第一阶段的反应 第一步反应葡萄糖的磷酸化 己糖激酶或葡萄糖激酶 引发反应ATP被消耗，以便后面得到更多 的ATP 葡萄糖的磷酸化至少有两个意义：首先葡萄糖 因此带上负电荷，极性猛增，很难再从细胞中 “逃逸”出去；其次葡萄糖由此变得不稳定，有 利于它在细胞内的进一步代谢。 葡萄糖在细胞内磷酸化以后不能再离开细胞 反应3: 磷酸果糖激酶 是糖酵解的限速步骤! L糖酵解第二次引发反应 L有大的自由能降低，受到高度的调控 糖酵解-第二个阶段的反应 产生4 ATP 导致糖酵解净产生2ATP 涉及两个高能磷酸化合物 . 1,3 BPG PEP 反应反应6: 6: 甘油醛

13、甘油醛-3-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶 甘油醛-3-磷酸被氧化成甘油酸-1,3-二磷酸 这是整个糖酵解途径唯一的一步氧化还原反应 产生1,3-BPG和NADH 为巯基酶，使用共价催化，碘代乙酸和有机汞能 够抑制此酶活性。 砷酸在化学结构和化学性质与Pi极为相似，因此 可以代替无机磷酸参加反应，形成甘油酸-1-砷酸 -3-磷酸，但这样的产物很不稳定，很快就自发地 水解成为甘油酸-3-磷酸并产生热，无法进入下一 步底物水平磷酸化反应。由于甘油酸-1-砷酸-3-磷 酸的自发水解，将导致ATP合成受阻，影响细胞 的正常代谢，这就是砷酸有毒性的原因。 反应10: 丙酮酸激酶 PEP转化成丙酮酸，同时产生

14、ATP 产生两个ATP，可被视为糖酵解途径最后的 能量回报。 G为大的负值受到调控! NADH和丙酮酸的去向 有氧还是无氧？ 在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运 （1）NADH的命运 NADH在呼吸链被彻底氧化成H2O并产生更多的ATP。 （2）丙酮酸的命运 丙酮酸经过线粒体内膜上丙酮酸运输体与质子一起进入 线粒体基质，被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰- CoA 在缺氧状态或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运 （1）乳酸发酵 （2）酒精发酵 线粒体内膜上的甘油-3-磷酸和苹果酸-天冬氨酸穿梭系统 糖酵解的生理意义糖酵解的生理意义 产生ATP 提供生物合成的原料 糖酵解与肿瘤 缺氧与缺氧诱导的转

15、录因子 糖异生 泛指细胞内由乳酸或其它非糖物质净合成 葡萄糖的过程。它主要发生在动物的肝脏 （80）和肾脏（20），是动物细胞自 身合成葡萄糖的唯一手段。植物和某些微 生物也可以进行糖异生。 糖异生与糖酵解途径的比较 糖异生的底物(动物) 丙酮酸, 乳酸, 甘油, 生糖氨基酸，所 有TCA循环的中间物 $偶数脂肪酸不行! $因为偶数脂肪酸氧化只能产生乙酰 CoA，而乙酰CoA不能提供葡萄糖的 净合成 丙酮酸羧化酶 糖异生的第一步反应 存在于线粒体基质，需要生物素辅基 由ATP驱动羧化反应 果糖-1,6-二磷酸酶 将 F-1,6-P水解成F-6-P 葡糖-6-磷酸酶 催化葡糖-6-磷酸水解成葡萄

16、糖 存在于肝、肾细胞内质网膜上。 肌肉和脑细胞没有这种酶，故不能进行糖 异生 G-6-P需要进入内质网腔才能水解 TCA TCA 循环循环 是糖、氨基酸和脂肪酸最后共同的代谢途径 也称为柠檬酸循环和Krebs循环 糖酵解产生的丙酮酸（实际上是乙酸） 被降解成CO2 产生一些ATP 产生更多的NADH NADH进入呼吸链，通过氧化磷酸化产 生更多的ATP。 完整的三羧酸循环 乙酰CoA的形成 脂肪酸的氧化 氨基酸的氧化分解 丙酮酸的氧化脱羧由丙酮酸脱氢酶 系催化 砒霜的毒性机理 TCA 循环总结 总反应： 乙酰-CoA+3NAD +FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+FADH2+

17、 GTP+2H+CoA 1个乙酰-CoA通过三羧酸循环产生2CO2, 1 ATP, 3NADH,1FADH2 2H2O被使用作为底物 绝对需要O2 吵， 您顺意吵，（吵得）铜壶呼盐瓶！ TCATCA循环的功能循环的功能 $产生更多的ATP $提供生物合成的原料 $ 是糖、氨基酸和脂肪酸最后的共同分 解途径 $某些代谢中间我作为其他代谢途径的别 构效应物 $产生CO2 一分子葡萄糖彻底氧化过程中的ATP 收支情况 与ATP合成相关的反应合成ATP的方式合成ATP的量 糖酵解（包括氧化磷酸化） 己糖激酶 PFK-1 磷酸甘油酸激酶 丙酮酸激酶 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 （NADH） 消耗ATP 消耗

18、ATP 底物水平磷酸化 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 5或6或7 1 1 2 2 3或4或5（取决于 NADH通过何种途径进入 呼吸链） 丙酮酸脱氢酶系氧化磷氧化磷酸化酸化22.55 三羧酸循环 异柠檬酸脱氢酶（NADH） -酮戊二酸脱氢酶系（NADH） 琥珀酰-CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶（FADH2） 苹果酸脱氢酶（NADH） 氧化磷酸化 氧化磷酸化 底物水平磷酸化 氧化磷酸化 氧化磷酸化 19 2.525 2.525 122 1.523 2.525 总ATP量30或31或32 磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径 又名磷酸己糖支路或6-磷酸葡糖酸途径 发生在细胞液 由氧化相和非氧化相组成 在生物合成旺盛

19、的细胞中更加活跃 葡萄糖 葡糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 糖酵解 糖原 PPP 70% 30% 氧化相 葡糖-6-磷酸脱氢酶 不可逆反应受到调控（受到NADPH抑制） 葡糖酸内酯酶 没有酶催化，也能发生 葡糖酸-6-磷酸脱氢酶 氧化脱羧反应 磷酸戊糖途径的功能磷酸戊糖途径的功能 C 与NADPH有关的功能 （1）提供生物合成的还原剂NADPH （2）解毒细胞色素P450单加氧酶解毒系统需要 NADPH参与对毒物的羟基化反应。 （3）免疫 （4）维持红细胞膜的完整 （5）间接进入呼吸链 C 与核糖-5-磷酸有关的功能 提供核苷酸及其衍生物合成的前体核糖-5-磷酸 C 与赤藓糖-4-磷酸有关的功能 芳香族氨基酸和维生素B6的合成需要赤藓糖。 生物合成与磷酸戊糖途径活性的关系 组织功能磷酸戊糖途径的活性 肾上腺固醇类激素的合成高 肝脂肪酸和胆固醇的合成高 睾丸固醇类激素的合成高 脂肪组织脂肪酸的合成高 卵巢固醇类激素的合成高 乳腺脂肪酸的合成高