第四章：能量与代谢.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本章内容提要,1),热力学的几个基本概念,2),非平衡系统与耗散理论,3),什么是新陈代谢,4),能量流通与交换的媒介,-ATP,的结构,5),酶催化反应特点与机制,6),酶的结构与分类,7),酶促化反应的专一性与可控性,地球三极生态系统,-,能量循环,生物能学,1),生物能学,研究生物整个机体与环境互作中的,能量交换与利用的规律,.,2),变温动物 与恒温动物 两栖类与爬行动物属于变温动物,其体温随环境温度的变化而变化,环境温度每上升,10,O,C,反应速率增加一倍,.,鸟类和哺乳动物为恒温动物,依赖体内代谢产生的热量维持体温,使其可选择更广阔的生活环境,.,3),体形大小与代谢速率,生物代谢速率一般与体形大小成反比,因为体形小的生物体表面积更大,相对体积而言散发更多的热量,.,热力学与生命系统,1,）,热力学第二定律,指出,在一个封闭的体系内,无序性,趋向于增加,即熵值增大,.,2,）,生命的演化是从无序到有序，是有序性趋向于增加，,熵值减少,，似乎违反热力学第二定律。,3,）,1870,年，英国物理学家麦克斯韦设想在系统中一定存,在某个东西（麦克斯韦妖，,Maxwells demon,）来不断,吸收熵，使系统保持有序和发展，他一直努力的寻找,这个“妖”，结果失败。,1944,年，奥地利学者薛定谔,首次在其专著生命是什么？活细胞的物理面貌,中直接引入“负熵”这个特殊的概念,.,他认为,系统一,方面不断增熵，另一方面，又不断从系统外部获得负,熵，,这样，有机生命体得以发展和进化下去,热力学,:,平衡态与非平衡态,1),平衡态,:,系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在,系统内的各点参量是均匀一致的,尤其各点温度是一致的,另外系统与外界不伴随熵流。,2),非平衡态,:,耗散结构,(dissipative structure),系统是开放的,远离平衡态，并与外界不断发生能量交换,即有负熵输入,系统可从无序变为有序,.,普利高津,与耗散理论,1),热力学第二定律告诉人们,：物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，,进化论则告诉我们,：,生物的进化则是由,低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行,。前者给出了,“,宇宙热寂说,”,的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。,2),普利高津认为，要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，必须研究自然界中存在的,远离平衡态的有序结构、生物和生命现象,，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。,3),经过,20,多年的努力，普利高津与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的关于,非平衡系统自组织理论,耗散结构理论。,耗散理论,4),按照耗散结构理论，一个远离平衡态的开放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、经济的,系统，如果不断地与外界交换物质和能量，,在外界条件变化过渡到,一,定,程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界,值,时，经过涨落系统可能发生突变，,即非平衡相变,或涌现。,该系统由原来的混乱无序状态转变为一,种在时间上、空间上或功能上的有序状态。,由于对非平衡热力学特别是耗散结构理论所作的,重大贡献，,普利高津于,1997,年荣获诺贝尔化奖,.,Theory of Dissipative Structure,达到耗散结构,几个必要条件,:,一,是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；,二,是系统必须是远离平衡态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；,三,是系统内部不同元素之间存在着非线性互作，并且需要不断输入能量来维持。,耗散结构是研究复杂性系统生成规律的理论依据。生命系统是典型的复杂系统。如涨落导致有序，系统中的,任何一个元素都有可能随时发生变化，而且任一元素的微小变化都能使得整个系统中的其它元素发生变化，并最终形成一个新的相对稳定状态。,普利高津,(Ilya Prigogine),普利高津,莫斯科人,布鲁塞尔自由大学,化学博士,;1951,年起任该校理学院教授，,1959,年担任索尔维国际物理及化学研究,所所长。,1967,年他来到得州大学奥斯汀,分校任物理学和化学工程的教授,1977,成为,Regental,教授,1984,年成为,Ashbel,Smith,教授,.,在奥斯汀时，他开创了研究统计力学和复,杂系统的伊利亚,.,普利高津中心,即后来的热力学和统,计力学中心。,普利高津博士,于,2003,年,5,月,28,日在比利时,布鲁塞尔的伊拉斯谟医院病逝,享年,86,岁。,什么是代谢,?,生物体内,全部化学物质的转化和能,量的转化过,程,称为代谢,涉及,:,1),物质转化,:,合成或分解,即同化作用与异化作用,.,2,）能量转化,:,释放或吸收,生物体要维持其生命活动，必需消耗能量。,放能反应与吸能反应,1.,反应物的总能量,生成物的总能量,放出能量,为放能反应,.,2.,反应物的总能量,生成物的总能量,吸收能量,为吸能反应,.,3.,形成生成物的化学键要放出能量,断开反应物的化学键要吸收能量,.,4.,化学反应完成后的结果是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的,总能量与生成物的总能量的相对大小。,人体各种运动消耗的能量比较,活 动 体重,65.5 kg,每小时耗能,(Kcal),-,骑自行车,(,快,)514,骑自行车,(,慢,)170,跳舞,(,慢,)202,跳舞,(,快,)599,体操,186,实验室工作,73,弹钢琴,73,跑步,865,打字,28,下棋,30,站立,32,游泳,(2 mph)535,细胞中的耗能活动,-,消耗,ATP,细胞中的耗能活动涉及三个主要方面,:1),膜内外的物质转,运,;2),细胞内的做工,机械运动,;3),生化反应,.,能量货币,-,ATP,的结构与功能,ATP,高能键的化学基础,ATP,促使耗能反应,ATP,的产生,1),光合作用可直接产生,ATP,2),糖酵解和三羧酸循环过程产生,ATP,3),氧化磷酸化产生,ATP,代谢的核心,-,酶,生物体内一切生化反应都必需酶,的参与,:,1,）定义,2,）分类,3,）酶促反应,4,）催化机制,酶,enzyme,希腊语,:,in yeast;,酵素,酵母,/,细胞，发酵,生命体内催化化学反应的物质,本质是：蛋白质,酶的定义,1,）酶是一类具有催化活性的蛋白质分子，,它可,提高反应速率,，但自身并不转变成,其它分子，也,不改变自身的结构与活性,。,2,）,RNA,也具有催化活性,，但有一个特别,的称呼：,核酶,（,ribozyme,）,.,酶的分类,全酶(,holoenzyme),|,酶蛋白（,apoenzyme),+,辅助因子（,cofactor),cofactor,辅基，,prosthetic group,辅酶，,co-enzyme,金属离子,(,也可归入辅基,),结合蛋白酶,必需与其它成分结合才能执行催化反应,其它成分主要有两类：,辅酶,与蛋白质结合松弛的有机分子,如维生 素,.,辅酶与酶蛋白结合疏松,可用透析方法除去；,辅基,与蛋白质结合紧密的成分。辅基可以是有机化合物，如糖、脂和核酸；也可以是金属离子，如铜离子是铜蓝蛋白的辅基，血红素是血红蛋白的辅基等。,辅酶,-,维生素,D,维生素,D,是一种脂溶性维生素,.,维生素,D,的作用主要是调节人体内,钙和磷,的代谢，促进其吸收利用，促进骨骼成长。,人们获得维生素,D,的主要途径不是食物，而是晒太阳。,酶促反应与能障,1),启动某一化学反应,时存在的能量障碍,称为能障,.,2),用于克服能障,使,化学键断裂,促使,化学反应进行所需,要的能量称为活化,能,.,3),酶促反应的核心是,降低化学反应所需的活化能,并能在温和的常温常压条件下促使反应进行,.,活化能的化学含义,活化能,是一个化学名词，又被称为阈能。这一名词是由瑞典科学家阿伦尼乌斯（,Arrhenius,）在,1889,年引入，用来定义一个化学反应的发生所需要克服的能量障碍,.,耗能反应图解,酶反应类别,1,）氧化还原类,2,）基团转移类,3,）水解类,4,）裂解类,5,）异构类,6,）抗体酶,-,氧化还原酶,转移酶,水解酶,裂合酶,异构酶,连接酶,假设,E+S ES,的平衡迅速建立,反应初速由最高速度与底物浓度决定,v =V,max,f(S),v =V,max,/,(,1+C,/,S,),v =,米氏（,Michaelis-Menten,）,方程,V,max,S,C+S,v =Vmax S/(Km+S),米氏方程和米氏常数的意义,Km,值越小,底物与酶亲和力越强,反应越迅速,米氏方程表示一个酶促反应的起始速度（,v,）与底物浓度（,S,）关系的速度方程，,v,Vmax S/,（,Km+S,）。,米氏常数,Km,是,V,达到,1/2Vmax,时的底物浓度（即,Km=S,）,酶促反应的特点,1,）底物,专一性,结构专一性,：只能催化特定的低物反应,涉及特定的化学键,立体异构专一性,：旋光异构与几何异构,2,）在酶,活性中心,发生：与底物结合,执行反,应的部位为活性中心,3,）,反应条件温和,：,常温,常压,近中性,pH,值,4),高效率,:,反应速率极快,DNA,复制,:800 bp/s,5),低耗能,:,固定一个,N,2,仅需,16ATP.,酶的专一性,结构专一性,立体异构专一性,-,糖元与纤维素的合成与酶解,酶活性中心,-,青霉素的作用机制,(1),酶活性中心,-,青霉素的作用机制,(2),青霉素的,分子构型,与细菌细,胞壁的底,物,D-ala-,D-ala,转,肽构型极,其相似,因此可与,糖肽转肽,酶结合,占据底物,的位置,阻止细胞,壁的合成,使细菌因,内含物渗,漏而死亡,.,青霉素可以杀死革兰氏阳性菌！,酶催化如何降低能障,(1),酶催化反应的高效率原因是,:,1),提高底物在反应区间的浓度,;2),使反应基团正确定位以便反应底物之间接接触,;3),通过改变,反应底物的分子几何构型和电子轨道的分布降低活化能。,低活化能,.,酶催化如何降低能障,(2),酶活性部位的氨基酸侧链基团可使底物共价键的电子轨道分布发生空间位移,减少电子轨道的重叠,从而减弱并加速共价键的断裂,促使肽键水解,.,无酶催化时无反应,碱性基团,(NH4+),催化,:,带正电荷的氢与,-C=O,的氧互作,使电子轨道发生偏离,并使,-C=O,的,碳原子对水分子中负电性氧原子产生吸引力,最终减弱了肽键的能量,.,酸性基团催化,:,酸性基团中氧原子吸引水分子,的氢原子,使水分子的氧原子对肽键的,C,原子,产生吸引力,由此减弱肽键的能量,.,同时出现碱性和酸性催化,:,肽键的羰基氧原子,受到两个方向的作用力,使肽键的共价键更加,弱化,最终水分子的,-OH,取代,-NH,肽键断裂,.,这是一个水解断裂肽键反应,胰凝乳蛋白酶的催化,-,肽键如何断裂,工业固氮与生物固氮,1),哈伯在,1910,年发明工业固氮法,目前生产化肥的工厂仍,在使用,:,N,2,+3 H,2,2 NH,3,这一反应需在,500,0,C,和,300,个大气压,并在铁催化剂,的参,与下进行,.,2),生物固氮的种属主要有微生物如根瘤菌和蓝绿藻等,.,微,生物固氮每年的数量为,2 x 10,11,千克,.,生物固氮完全在常,温常压下进行,利用电子将,N,2,还原为,NH,4,+,高效低耗,.,3)NN,含三对共价键,非常稳定,键能为,942kJ/mol.,因此,要固定,N,素,需要极高的活化能,:,N,2,+10H,+,+8e+16ATP=2NH,+,4,+16ADP+16Pi+H,2,生物固氮催化反应,固氮菌与植物共生结瘤,在还原状态下利用,ATP,将,N,2,还原,为,-NH,4,.,影响酶反应的因素,1),温度,2)pH,值,3),底物浓度,4),抑制剂,5),反馈抑制,生物代谢的特点,1),同化作用,:,消耗能量,将小分子合成大分子的过程,2),异化作用,将复杂的化合物分解为简单的小分子并,释放,能量,的过程,3),生物代谢具有,:,区域性,有序性,可控性,酶促反应,动态平衡,代谢路线交叉等特点,生物代谢的特点,-,区域性,1),组织水平,:,肝,肠,肺,脑,叶,根等不同,组织只发生与特定功能相对应的代谢,.,细胞水平,:,血细胞,白细胞,神经细胞,肌,肉细胞,生殖细胞,表皮细胞的代谢不同,.,3),亚细胞水平,:,线粒体,溶酶体,内质网,细,胞核,核仁,过氧化物体等执行不同任务,.,生物代谢的特点,-,可控性,1),能量的释放和消耗是,逐步发生,的,.,2,）代谢调节,:,正反馈,负反馈,2),信号调节,:,激素,环境压力,3),发育调控,:,营养生长,生殖,衰老,生物代谢的特点,-,反馈调控,代谢抑制,:,通过生化反应的,终端产物,来抑制催化产生终端,产物的代谢过程,.,终端产物在过剩时可与催化初始反应的,酶结合,并改变其活性,由此达到抑制整个生化路线的目,的,.,代谢抑制调控是一种代谢负调控。,代谢缺陷病,生物体内的代谢如果发生差错和障碍,将会导致严重的后果,:,蚕豆病,苯丙酮酸尿症,痛风症,(,嘌呤代谢紊乱,):,血清中尿酸水平升高,尿酸纳晶体沉淀从而导致关节炎症,.,尿黑酸尿症,:,常染色体隐性遗传病,尿黑酸氧化,酶缺乏，因而由酪氨分解而来的,尿黑酸,不能进一步分解为乙酰乙酸。过多的尿,黑酸由尿排出,并在空气中氧化为黑色,蚕豆病,-G6PD,缺陷症,蚕豆病是葡糖六磷酸脱氢酶（,G6PD,）缺陷者进食蚕,豆后发生的急性溶血性贫血,:,1),公元前五世纪,希腊历史学家,Herodotus,描述了一些希腊,人食用蚕豆后引起严重的急性溶血症状,.,2),朝鲜战争中,美国士兵使用,佰氨喹啉,预防疟疾,.,约,10%,的,黑人士兵发生,血细胞破坏及急性贫血,.,3),上述病症的原因在于葡萄糖,-6-,磷酸脱氢酶,(G6PD),的遗传,缺陷,.,该酶的突变型稳定性差,半衰期从,62,天减至,13,天,使,血细胞抗氧化能力下降,造成红细胞破坏,.,4),葡萄糖,-6-,磷酸脱氢酶涉及戊糖代谢支路,产生,NADPH.,5),G6PD,缺乏症很常见,全球约,4,亿人受累,在非洲,地中海和,亚洲人群中有较高的发病率,.,中国蚕豆病的分布,蚕豆病在我国西南、华南、华东和华北各地均有发现，而以广东、四川、广西、湖南、江西为最多。,3,岁以下患者占,70,，男性患者占,90,。成人患者比较少见。,G6PD,缺乏者,40,以上的病例有家族史。本病常发生于,初夏蚕豆成熟季节,。,绝大多数病人因进食新鲜蚕豆而发病。,蚕豆能使,G6PD,缺乏者的红细胞内还原型谷胱甘肽（,GSH,）含量显著降低，高铁血红蛋白浓度增高。蚕豆中提取出多种生物质如蚕豆嘧啶核苷、蚕豆嘧啶、异脲脒和多巴均有抑制,G6PD,活性的作用。蚕豆中引起溶血的物质究为何物，至今仍未清楚。,新鲜蚕豆比干蚕豆容易致病,，新鲜或阴天采集的蚕豆皮中含有更多的毒性物质。晒干后，蚕豆皮中蚕豆嘧啶核苷和多巴被氧化，毒性因而减低。,苯丙酮酸尿症,phenylketonuria,苯丙酮酸尿症系由苯丙氨酸羟化酶基因缺陷引起的遗传性疾病。常染色体隐性遗传。临床特征是严重的智力发育障碍（白痴）及尿中有过量苯丙酮酸排出,患儿身体有类似鼠尿的霉臭味,。,苯丙氨酸是必需氨基酸之一。人体摄入的苯丙氨酸除用于蛋白质合成外，在肝脏苯丙氨酸羟化酶作用下生成酪氨酸，少量苯丙氨酸进入次要代谢途径，经转氨基作用变成苯丙酮酸。酪氨酸也是人体必需的氨基酸，可用以合成多巴胺、肾上腺素、甲状腺素等重要激素和神经递质及黑素，也可进一步代谢生成尿黑酸进入三羧酸循环为机体提供能量。苯丙氨酸羟化酶缺乏，血液中游离苯丙氨酸浓度异常升高，次要代谢途径活跃，出现高苯丙氨酸血症及苯丙酮酸尿症,.,引起新生儿中枢神经系统分化停滞,造成大脑的不可逆损害,.,对多数病例出生后单纯控制饮食中苯丙氨酸的摄入，即可成功地防止脑损害。,第,8,章 细胞呼吸捕获化学能,本章内容提要,1),糖分子分解的两种方式,2),细胞呼吸获取能量的特点,3),糖酵解中的能量释放,4),三羧酸循环,5),氧化磷酸化的过程,化学能转变为生物能的机制,化学渗透学说,7),能量总账,生物获取能量的主要途径,1),生命活动获取能量的主要途径是分解糖,分子,主要是葡萄糖,:,C6 2 x C3 6 x CO,2,在分解过程中伴随着化学能的释放,.,2),在糖分子分解过程中释放的能量以,ATP,的形式加以利用,因此糖酵解总是与,ADP,的磷酸化有关,:,ADP+Pi ATP,糖分子分解产生能量的两种方式,1,）无氧分解,-,底物磷酸化,2,）有氧分解,-,氧化磷酸化,细胞呼吸获取能量的特点,1),生物获取能量主要依赖于生物大分子的,氧化,通过细胞的呼吸将碳水化合物分解为,CO,2,消耗,O,2,产生水分子,.,2),碳水化合物氧化效率很高,释放的能量,40%,储存到,ATP,分子,中,其余能量以热能形式释放到环境中,.,3),碳水化合物的体内氧化在近中性,pH,常温条 件下进行,.,4),碳水化合物氧化产生的能量是逐步释放的,燃烧释放的能量是一步生成的,.,化学能的释放,氧化还原反应,氧化,:,失去电子,;,还原,:,获得电子,.,氧化还原反应同时发生,.,生命利用生物能量方式的转变,-,从无氧酵解转变为有氧呼吸,1,）生命诞生的初期（,38,亿年前），地球大气中缺少氧气，,充满,CO,2,，,N,2,，,H,2,，整个处于还原状态。,2,）具有光合作用的蓝细菌出现之后，大气中开始出现氧,气。在,20,亿年前，大气中氧气开始积累，真核生物开始,出现。,氧气现在在地球大气中占,21%,。,3,）大气中自由氧的出现对生命的进化产生了极其深远的,影响，改变了生命利用生物能的方式。因为有了充,足的能量，生命活动的形式发生了根本性的变化。,4),这是因为碳水化合物的氧化磷酸化大大提高了生物能的,利用效率。,葡萄糖,生物氧化三阶段,-,糖酵解,三羧酸循环,氧化磷酸化,糖 酵 解,-C,6,2C,3,糖酵解,-,丙酮酸生成,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原机制,底物水平磷酸化,糖酵解特点,1),在细胞质溶胶中进行,2),无,O,2,参于,3,）最终产物为,2,分子丙酮酸,4,）消耗,2,分子,ATP,5),底物水平磷酸化产生,4,分子,ATP,6),产生,2,分子还原,NADH+H,+,糖酵解能量收入,丙酮酸脱羧转变为乙酰,CoA,后进入线粒体,丙酮酸如何转变为乙酰,CoA,三羧酸循环,1),三羧酸循环是需氧生物体内普遍存在的中,心代谢途径,.,因为此代谢途径中有几个中间,代谢物具有三个羧基，故称,三羧酸循环,。又,因为循环由柠檬酸开始，故也称,柠檬酸循,环,，也可用发现者的名字命名为,Krebs,循环,。,2),此途径在真核细胞的,线粒体中进行,，催化每,一步反应的酶均位于线粒体内。,3),循环的第一步反应是乙酰辅酶,A,的乙酰基（,2,碳,化合物）与草酰乙酸（,4,碳化合物）缩合生成,柠檬酸,（,6,碳化合物），后者经异构化并脱氢、,脱羧生成,-,酮戊二酸,（,5,碳化合物），再脱氢、,脱羧生成,琥珀酸,（,4,碳化合物）。琥珀酸进一,步经两次脱氢、一次水化又重新生成,草酰乙酸,。,草酰乙酸又可和另,1,分子乙酰辅酶,A,作用再生成,柠檬酸,，这样就形成了一个循环。,3),三羧酸循环可产生,底物磷酸化,ATP,，同时也产,生,NADH+H,+,和,FADH,2,进入,电子传递链生成,ATP.,三羧酸循环,三羧酸循环特点,1,）最初草酰乙酸因参加反应而消耗，但经过循环又重新生成。所以每循环一次，净结果为,1,个乙酰基通过两次脱羧而被消耗。循环中有机酸脱羧共产生,二个,CO,2,，是机体中,CO,2,的主要来源。,2,）在三羧酸循环中，共有,4,次脱氢反应，脱下的氢原子以,NADH+H,+,和,FADH,2,的形式进入呼吸链，最后传递给氧生成水，在此过程中释放的能量可以合成,ATP,。,3,）乙酰辅酶,A,不仅来自糖的分解，也可由脂肪酸和氨基酸的分解代谢中产生，都进入三羧酸循环彻底氧化。并且，凡是能转变成三羧酸循环中任何一种中间代谢物的物质都能通过三羧酸循环而被氧化。所以,三羧酸循环实际是糖、脂、蛋白质等有机物在生物体内末端氧化的共同途径。,4,）三羧酸循环是分解代谢途径，但又为一些物质的生物合成提供了前体分子。如草酰乙酸是合成天冬氨酸的前体，,-,酮戊二酸,是合成谷氨酸的前体。一些氨基酸还可通过此途径转化成糖。因而三羧酸循环构成了对合成代谢和分解代谢都可以通行的中心途径，故也称,中心代谢途径,。,一个丙酮酸脱羧后在,Krebs,循环中生成,3,个,NADH,1,个,FADH,2,和,1,个,ATP,FAD,的还原机制,三羧酸循环特点,1),乙酰辅酶,A,参于；,2,）丙酮酸脱羧产生,1,分子,NADH+H,+,；,3),三羧酸循环,2,次脱羧,产生,2,个,C0,2,4,）,3,次,NAD,+,还原,1,次,FAD,+,还原，产,生,3,分子,NADH+H,+,，,1,分子,FADH,2,5,）伴有一次底物磷酸化，产生,1,分子,ATP,6),反应在线粒体基质中进行,NADH,和,FADH,2,的氧化,1)NADH,和,FADH,2,氧化，将氢原子转移给,氧化磷酸化电子传递链,.,2),在电子传递过程中,伴随质子跨膜运动,.,3),质子跨膜运动在膜两侧产生电位差,电,位差促使质子还回膜的另一侧,并将势,能转变为化学能,-,产生,ATP.,电子传递与质子跨膜运动,FADH,2,电子转移在通过复合物,II,和,Cyt c,时，失去的,能量不足以将质子泵到膜的另一侧,但在通过复合物,III,和,IV,时，失去的能量可将质子泵到膜的另一侧。,注意,NADH,和,FADH2,将电子转移的位置,氧化磷酸化,-,电子传递与,ATP,的生成,NADH,和,FADH2,的电子传递,NADH,电子传递,:,两个电子经过电子传递链复合物,I,III,和,IV,将,10,个质子泵入膜间区,.,FADH2,电子传递,两个电子经过电子传递链复合物,III,和,IV,将,6,个质子泵入膜间区,.,抑制氧化磷酸化的药剂,1,）,鱼藤酮,可阻止氧化磷酸化复合物,I,的电子传递,这一机制常用于杀虫剂。,2,）,氰化物，,一氧化碳可阻止氧化磷酸化复合物,II,的电子传递，对生物具有毒性。,3,）,寡霉素,可阻止质子,(H,+,),通过,ATP,合成酶,抑制,ATP,合成酶活性,.,由于寡霉素不能进入人体皮,肤细胞,因而常用于治疗皮肤真菌病。,4,）,二硝基苯酚,（,DNP,）可促使,H,+,渗漏，失去电,位差，促使细胞不断地消耗碳水化合物以补,充能量。在,1940,年代，低浓度的,DNP,曾作为,减肥药使用。,抑制氧化磷酸化的药剂,鱼藤酮是杀虫剂,也能用来毒杀鱼类,.,ATP,酶的结构与功能,化学渗透学说,化学渗透学说,(chemiosmotic theory),由英国的米切尔,(Mitchell,1961),提出，该学说假设能量转换和偶联机构具有以下特点：由磷脂和蛋白多肽构成的膜对离子和质子具有选择性具有氧化还原电位的电子传递体不匀称地嵌合在膜内膜上有偶联电子传递的质子转移系统膜上有转移质子的,ATP,酶。在解释光合磷酸化机理时，该学说强调：光合电子传递链的电子传递会伴随膜内外两侧产生质子动力,(proton motive force,pmf),，并由质子动力推动的合成。许多实验都证实了这一学说的正确性。,米切尔,(Mitchell),和化学渗透学说,彼得,.,丹尼斯,.,米切尔,(Peter Dennis,Mitchell)1920,年生于英国,.,剑桥大学毕业,后留校当了一位实验室助理员,.1961,年他在,“,Nature”,杂志上发表有关,生物体细胞膜的,学渗透学说,但未被科学界接受,.,米切尔从钠,离子泵出膜外需要消耗,ATP,得到启发,设想,水中的氢离子在转移到膜内时,会使钠泵逆,转,同时生成,ATP.,由于学校以“该论文缺乏,实验支持,空想成分大”为由,未批准他想当一名助教的申请,.,1964,年,他辞去大学工作,在农场建立了自己的格林研究所,请,了一名助手继续坚持实验,.1972,年,日本科学家从细胞膜上成,功地分离了合成,ATP,的酶,证实了米切尔的设想,.,1978,年,被人,们称为,怪人,的米切尔获得诺贝尔化学奖,.,1,个葡萄糖分解可生成多少,ATP?,引自,:Raven et al.,Biology,2005,pp:,氧化磷酸化要点,1),电子传递链,电子能量转为质子跨膜运动,.,2),质子跨膜运动,产生电位差,.,3),质子通过,ATP,酶回返线粒体基质,伴随,ATP,生成,这一过程又称化学渗透,.,4)2H,+,2e,-,与,1/2 O,反应生成水分子,丙酮酸能量总帐,1),当电子从,NADH,经过呼吸链传递到,O,2,时,在,三个部位即,复合物,I,III,和,IV,可泵出质子,.,2),每对电子在呼吸链上传递时产生的质子势能,下降用于合成,ATP,到达,O,2,时,每个,NADH,传,递的电子可产生,3,个,ATP,.,但,从,FADH,2,转移的,两个电子只产生,2,个,ATP,因为它只在,2,个,部,位,(III,和,IV,),泵出质子,.,3),1,分子丙酮酸氧化脱羧产生,4,分子,NADH,1,分,子,FADH,2,和,1,分子,ATP,总共产生,:,4 x 3+1 x 2+1=,15ATP.,1,个葡萄糖分解可生成多少,ATP?,注意,:,此处计算,1,个,NADH,产生,5,个,ATP,而非,6,个,ATP.,葡萄糖分解能量总帐,两种统计,1),理论上,:1,分子葡萄糖酵解产生,2,分子,NADH,和,2,分子,ATP,总计,2 x 3+2=8 ATP.,加上,2,分子丙酮酸能量总帐,30,ATP,共计,38 ATP.,如,NADH,进入线粒体消耗,2ATP,则净收,获,36 ATP,.,2),实际上,:,由于线粒体内膜有泄漏,有些质子会直接穿内,膜进入基质,不经过,ATP,酶,造成能量损失,;,线粒体膜常,常利用质子势能梯度能量转运有机物如丙酮酸,而不,经过,ATP,酶产生,ATP.,因此,实际计算的每个,NADH,产生约,2.5 ATP;,每个,FADH,产生约,1.5 ATP.,所以,1,分子葡萄糖,在真核细胞中约产生,:10 NADH X 2.5 ATP+2 FADH,x 1.5 ATP=,30 ATP,.,糖酵解与氧化鳞酸化效率,1 mol,葡萄糖产生的,ATP,相当于,1150 kJ,而,1 mol,葡萄糖燃烧产生的能量约,2870 kJ,即细胞通过呼吸氧化利用葡,萄糖热能的效率约,40%,.,丙酮酸的两种酵解,无氧酵解,-,乙醇发酵,无氧酵解,-,乳酸发酵,生物大分子的氧化分解,生物大分子的合成,生物分子代谢之间的关系,细胞呼吸作用的调节,磷酸果糖激酶是调节糖代谢的关键步骤,.,细菌的氧化磷酸化,细菌的氧化磷酸化与线粒体相似,.,好氧细菌呼吸链上电子传递时将质子泵,出膜外,质子通过膜上的,ATP,合成酶返回膜内时产生,ATP.,好氧细菌的电子,受体为,0,2,.,厌氧细菌缺少呼吸链,它们利用无氧酵解产生的,ATP,将质子泵,出膜外,然后利用易化扩散将营养物质输入细胞内,.,有些厌氧菌如固氮菌,也有电子传递链,它们以,N,2,为电子受体,产生,-NH,4,.,质子渗透直接促使细菌利用鞭毛运动,(2),马达的直径约,25,nm,为头发丝的三千分之一,.,鞭毛的转速为,100000 rpm,细菌前进的速度可达,16m/s.,思 考 题,1),什么是耗散结构理论,?,2),什么是代谢,举例说明,.,2),为什么,ATP,可以作为能量交换的媒介,?,3),什么是能障,?,什么是活化能,?,酶为什么能,降低反应的活化能,?,4),什么是酶促反应的专一性,?,它在药物设计,中有何应用价值,?,5),生物体内酶促反应有哪些特点,?,6),为何酶促反应具有高效低耗可控的特点？,6),请了解或解释,2,种医学上常见的代谢病。,思 考 题,1),简述自然界的能量循环,.,2),什么是糖酵解,?,它在何处进行,?,3),三羧酸循环的哪些步骤产生,ATP,和,NADH,或,FADH2?,4),什么是底物磷酸化,?,5),什么是氧化磷酸化,?,氧化磷酸化如何产生,ATP?,5),一分子葡萄糖在糖酵解时产生多少,ATP,在氧化磷酸化时产生多少,ATP?,6),无氧发酵可产生酒精,其原理是什么,?,作 业 题,1),生命有哪些重要特征,?,2),为什么说水分子是偶极子,它有什么化学特性,?,3),淀粉和纤维素在化学组成上有何异同,?,4),动物为何含有更多的脂肪,?,5),动物细胞与植物细胞的差别,?,6),简述,Na,+,/K,+,泵的开关模型,.,7),什么是能障,?,什么是活化能,?,酶为什么能降低,反应的活化能,?,8),什么是酶促反应的专一性,?,它在药物设计中有,何应用价值,?,注,:,国庆节后第一次上课交给助教,.,