代謝總論-生物能學ppt課件

1、 生物化學生物化學IIII 楊廣笑楊廣笑General Introduction to Metabolism新陳代謝簡稱代謝(metabolism)是指生物體與周圍環(huán)境進行物質(zhì)和能量交換的過程，也是活細胞內(nèi)所有化學變化的總稱。包括兩種代謝作用: 一、新陳代謝的概念一、新陳代謝的概念 分解代謝分解代謝catabolism), catabolism), 也稱異化作用也稱異化作用(disassimilation)(disassimilation) 合成代謝合成代謝anabolism), anabolism), 也稱同化作用也稱同化作用assimilationassimilation）每種代謝作用都包

2、含兩個方面：每種代謝作用都包含兩個方面：物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝substance metabolismsubstance metabolism）: : 物質(zhì)的合成與分解物質(zhì)的合成與分解能量代謝能量代謝energetic metabolismenergetic metabolism）: : 能量的轉(zhuǎn)換、儲存和釋放能量的轉(zhuǎn)換、儲存和釋放 生長旺盛時：生長旺盛時： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝成長的生物：成長的生物： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝衰老或饑餓：衰老或饑餓： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝 生物體內(nèi)酶催化的化學反應是連續(xù)的，前一種酶作用生物體內(nèi)酶催化的化學反應是連續(xù)的，前一種酶作用的

3、產(chǎn)物往往是后一種酶作用的底物，這種在代謝過程中連的產(chǎn)物往往是后一種酶作用的底物，這種在代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促反應產(chǎn)物統(tǒng)稱為中間產(chǎn)物續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促反應產(chǎn)物統(tǒng)稱為中間產(chǎn)物metabolic metabolic intermediates)intermediates)或簡稱代謝物或簡稱代謝物metabolites)metabolites)。 新陳代謝途徑中的個別步驟稱中間代謝新陳代謝途徑中的個別步驟稱中間代謝(intermediary metabolism)(intermediary metabolism)。 主要謝途徑主要謝途徑central metabolic pathway)central m

4、etabolic pathway) 1. 代謝過程所包含的化學反應通常不是一步完成，代謝過程所包含的化學反應通常不是一步完成，由一系列由一系列 的中間代謝過程所組成，反應數(shù)目雖多，但有極的中間代謝過程所組成，反應數(shù)目雖多，但有極強的順序強的順序 性。性。2. 代謝作用需要溫和的條件，絕大多數(shù)反應都由酶所代謝作用需要溫和的條件，絕大多數(shù)反應都由酶所 催化催化, 代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物稱代謝物。代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物稱代謝物。3代謝作用具有高度靈敏的自我調(diào)節(jié)。代謝作用具有高度靈敏的自我調(diào)節(jié)。 整體水平整體水平: 主要靠激素或激素伴同神經(jīng)系統(tǒng)進行的綜合調(diào)節(jié)。主要靠激素或激素伴同神經(jīng)系統(tǒng)進

5、行的綜合調(diào)節(jié)。 細胞水平細胞水平: 主要通過胞內(nèi)酶布局的區(qū)域化而實現(xiàn)主要通過胞內(nèi)酶布局的區(qū)域化而實現(xiàn) 分子水平分子水平: 主要通過酶的反饋抑制和基因表達的調(diào)控等實現(xiàn)主要通過酶的反饋抑制和基因表達的調(diào)控等實現(xiàn) 分解代謝分解代謝: 是代謝作用的分解過程，有機物糖、是代謝作用的分解過程，有機物糖、脂和蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化為更小、更簡單的終產(chǎn)物如乳脂和蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化為更小、更簡單的終產(chǎn)物如乳酸、酸、CO2和和NH3等），分解代謝釋放能量，部分被轉(zhuǎn)等），分解代謝釋放能量，部分被轉(zhuǎn)化為化為ATP和還原的電子載體和還原的電子載體NADH、NADPH和和 FADH2），其余的作為熱量散失。），其余的作為熱量散失。 合成

6、代謝合成代謝: 也稱生物合成，小、簡單的前體物質(zhì)形也稱生物合成，小、簡單的前體物質(zhì)形成更大、更復雜的分子，如脂、多糖、蛋白質(zhì)和核酸成更大、更復雜的分子，如脂、多糖、蛋白質(zhì)和核酸等，合成代謝需要能量的輸入，通常需要等，合成代謝需要能量的輸入，通常需要ATP分子磷分子磷酸酯鍵的轉(zhuǎn)移和還原力酸酯鍵的轉(zhuǎn)移和還原力NADH、NADPH 和和FADH2）。）。 根據(jù)生物由環(huán)境中獲得碳的化學形式，生物可根據(jù)生物由環(huán)境中獲得碳的化學形式，生物可分為兩大類型：分為兩大類型：自養(yǎng)生物自養(yǎng)生物(Autotrophs)：可利用大氣中的：可利用大氣中的CO2作為惟一碳源構(gòu)建所有含碳分子，如光合細作為惟一碳源構(gòu)建所有含碳

7、分子，如光合細菌和高等植物。菌和高等植物。異養(yǎng)生物異養(yǎng)生物(Heterotrophs)：不能利用大氣中的：不能利用大氣中的CO2，必須從環(huán)境中獲得相對復雜的有機碳，必須從環(huán)境中獲得相對復雜的有機碳分子如葡萄糖，如高等動物和多數(shù)微生物。分子如葡萄糖，如高等動物和多數(shù)微生物。 許多自養(yǎng)生物可進行光合作用，利用太陽許多自養(yǎng)生物可進行光合作用，利用太陽能作為能量來源，而異養(yǎng)生物通過分解自養(yǎng)能作為能量來源，而異養(yǎng)生物通過分解自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機營養(yǎng)物獲得能量。生物產(chǎn)生的有機營養(yǎng)物獲得能量。生物圈中自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物生活在一起，生物圈中自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物生活在一起，自養(yǎng)生物利用空氣中的自養(yǎng)生物利用空氣中的C

8、O2建造自己的有機建造自己的有機生物分子，有些還分解水產(chǎn)生生物分子，有些還分解水產(chǎn)生O2；反過來異；反過來異養(yǎng)生物利用這些有機物作為營養(yǎng)物質(zhì)，把養(yǎng)生物利用這些有機物作為營養(yǎng)物質(zhì)，把CO2排放到大氣中去，有些在氧化反應中消排放到大氣中去，有些在氧化反應中消耗耗O2產(chǎn)生水。其中產(chǎn)生水。其中C、O2和和H2O在自養(yǎng)和異在自養(yǎng)和異養(yǎng)間不斷循環(huán)，太陽能是其中的驅(qū)動力。養(yǎng)間不斷循環(huán)，太陽能是其中的驅(qū)動力。太陽是地球上所有生物最根本的能量來源太陽是地球上所有生物最根本的能量來源ATPATP起捕獲和貯存能量的作用起捕獲和貯存能量的作用能量傳遞系統(tǒng)：能量傳遞系統(tǒng)：ATP,ADPATP,ADP，無機磷，無機磷以以

9、ATPATP形式貯存的能量有以下作用：形式貯存的能量有以下作用： （1 1提供生物合成所需能量提供生物合成所需能量（2 2機體活動及肌肉收縮所需能量機體活動及肌肉收縮所需能量（3 3營養(yǎng)物跨膜運輸所需能量營養(yǎng)物跨膜運輸所需能量（4 4DNA,RNADNA,RNA，蛋白質(zhì)等合成中，保證基因信息正確，蛋白質(zhì)等合成中，保證基因信息正確 傳送。傳送。 由分解代謝釋放出的化學能，除合成由分解代謝釋放出的化學能，除合成ATP外，還以氫原子和電子的形式供給生物外，還以氫原子和電子的形式供給生物合成的需能反應，其中，輔酶合成的需能反應，其中，輔酶（NAD）、）、輔酶輔酶（NADP）、）、FMN和和FAD在這一

10、過程在這一過程中起重要作用。中起重要作用。RR=H：NADR=-PO3：NADP輔酶輔酶、輔酶、輔酶RFMN和和FAD輔酶輔酶ACoA在能量代謝中的作用在能量代謝中的作用 乙酰乙酰Co-A形成的硫酯鍵和形成的硫酯鍵和ATP的高能磷的高能磷酸鍵相似，水解時可釋放出大量自由能。酸鍵相似，水解時可釋放出大量自由能。許多代謝的終產(chǎn)物都能形成乙酰許多代謝的終產(chǎn)物都能形成乙酰Co-A。C CH H3 3C CS SC Co oA AO O輔酶輔酶A 基團轉(zhuǎn)移反應基團轉(zhuǎn)移反應氧化氧化- -還原反應還原反應消除、異構(gòu)化和重排反應消除、異構(gòu)化和重排反應碳碳- -碳鍵的形成與斷裂反應碳鍵的形成與斷裂反應 代謝研究

11、所指的活細胞是一種概括代謝研究所指的活細胞是一種概括的說法，既來自于單細胞、也來自于多的說法，既來自于單細胞、也來自于多細胞生物、還包括病毒和噬菌體等。細胞生物、還包括病毒和噬菌體等。 代謝研究主要是對中間代謝的研究。代謝研究主要是對中間代謝的研究?？梢栽诓煌乃缴线M行，用生物整體可以在不同的水平上進行，用生物整體的研究稱體內(nèi)研究，用的研究稱體內(nèi)研究，用 in vivo表示，表示， 用組織切片、勻漿、提取液作為材料的用組織切片、勻漿、提取液作為材料的研究體稱外研究，用研究體稱外研究，用in vitro表示。表示。1 1、酶抑制劑的應用、酶抑制劑的應用代謝研究主要方法：代謝研究主要方法：2 2

12、、同位素示蹤法、同位素示蹤法3 3、氣體測量法、氣體測量法4 4、核磁共振波譜法、核磁共振波譜法5 5、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑酪氨酸氧化酶酪氨酸氧化酶尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶1. 1. 體系、環(huán)境、形狀體系、環(huán)境、形狀2. 2. 能的兩種主要形式能的兩種主要形式 熱與功熱與功3. 3. 內(nèi)能內(nèi)能(internal energy)(internal energy)、焓、焓(enthalpy)(enthalpy)和熱力和熱力 學第一定律學第一定律 內(nèi)能內(nèi)能:U(E):U(E) 焓變：焓變： H=H= U+U+ PV, PV, 熱力學第一定律：能量守恒定律熱力學第一定

13、律：能量守恒定律 ， U=Q-WU=Q-W 生物化學中近似恒壓恒容，生物化學中近似恒壓恒容， 所以：所以： HH U U 4. 4. 熱力學第二定律和熵熱力學第二定律和熵(entropy)(entropy) 熱的傳導只能由高溫物體傳至低溫物體。熱的傳導只能由高溫物體傳至低溫物體。 熵熵S, S, 熵變熵變 S S體系體系吸熱吸熱體系體系做功做功 在溫度和壓力不變時：在溫度和壓力不變時：* * ( (體系中能對環(huán)境作功的能量體系中能對環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行，即：自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行，即： G0G0G0，反應不能自發(fā)進行，反應不能自發(fā)進行 G

14、=0G=0，反應處于平衡狀態(tài)。，反應處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學過程的能力學具有很重要的意義，生物自由能的概念對于研究生物化學過程的能力學具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學反應釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也體用于作功的能量正是體內(nèi)化學反應釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應的其它有用參數(shù)。進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應的其它有用參數(shù)。 G ， G ， G 對于化學反應：對于

15、化學反應：A+B C+D標準自由能標準自由能 改動：（反應到平改動：（反應到平衡時衡時 G=0） G= G +RTln生成物生成物/反應反應物物反應達到平衡點時反應達到平衡點時 G=0 G= G +RTlnK平平 G =-RTlnK平平生化標準自由能改變：生化標準自由能改變：pH=7 G = - RTlnK平平 單位：單位：J /mol或或kJ/mol三、化學反應中自由能的變化三、化學反應中自由能的變化達平衡時達平衡時 =Keq=19解：解：G0= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G0+ RTln生成物生成物/反應物反應物 =-7

16、.6+ 2.3038.314 311 log 0.1 =-13.6 KJ.MOL-1未達平衡時未達平衡時 =0.1反應反應G-1-PG-6-P在在380C達到平衡時，達到平衡時， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求G0。如果反應未達到平。如果反應未達到平衡，設衡，設G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應的求反應的G 是多少？是多少？例題：例題： 生化反應中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應生化反應中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應中可釋放出大量自由能（中可釋放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩爾摩爾的化合物稱為高能化合物。的化合物稱為高能化合物。1 1磷氧

17、鍵型：磷氧鍵型：ATPATP、氨甲酰磷酸、氨甲酰磷酸 2 2氮磷鍵型：磷酸肌酸氮磷鍵型：磷酸肌酸 3 3硫酯鍵型：?；蝓ユI型：酰基CoACoA4 4甲硫鍵型：甲硫鍵型：S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 硫酯鍵型硫酯鍵型甲硫鍵性甲硫鍵性 在在pH=7pH=7環(huán)境中，環(huán)境中，ATPATP分子中的三個磷酸分子中的三個磷酸基團完全解離成帶基團完全解離成帶4 4個負電荷的離子形式個負電荷的離子形式ATP4-ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大，因而水解自由能很大GG=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩爾）。摩爾）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-a ab bg gMg2+ ATP的水解的水解G 位于細胞磷酸化合物位于細胞磷酸化合物 之中間位置之中間位置,ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移 的中間載體的中間載體P PP PP P