代谢总论.pptx

,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,*,1,代谢总论,第,1,页,/,共,76,页,如何学习代谢,*,课前预习,课上认真记笔记,课后及时复习,*在理解的基础上，加强记忆,*与先修和并修课程内容相联系，以促进理解,*学习过程中学会总结、归纳和提炼！,*要反复复习和回顾，不可突击学习！,*养成看参考书的习惯,第,2,页,/,共,76,页,参考文献：,1,沈同,王镜岩,.,生物化学,(,第三版,).,北京,:,高等教育出版社,2002,2,郑集,陈钧辉,.,普通生物化学,(,第三版,).,北京,:,高等教育出版社,1998,3,周秀贞,何立望,黄如彬,.,生物化学,.,贵阳,:,贵州科技出版社，,1993,4 Albert L.Lehninger,David L.Nelson,Michael M.Cox.Principles of Biochemistry(Edition II).New York:Worth Publishers,1993,5 Robert K.Murray,Daryl K.Granner,Peter A.Mayes,et al.Harpers Biochemistry(Twenty-fifth Edition).McGraw-Hill Companies,Inc.,2000,6 Trudy McKee,James R.Mckee.BIOCHEMISTRY:AN INTRODUCTION(Second Edition).McGraw-Hill Companies,Inc.,2001,7,于自然，黄熙泰主编,.,现代生物化学,.,北京,:,化学工业出版社（教材出版中心），,2001,8,张蘅主编,.,生物化学,(,第二版,).,北京,:,北京医科大学，中国协和医科大学联合出版社,1999,9 Peter N.Campbell,Anthony D.Smith.BIOCHEMISTRY ILLUSTRATED(THIRD EDITION).Longman Group UK Limited,1993,10 Geoffery Zubay.BIOCHEMISTRY(THIRD EDITION).Wm.C.Brown Publishers,1993,11,李建武，肖能赓，余瑞元等,.,生物化学实验原理和方法。北京：北京大学出版社，,1994,12,翟中和,王喜忠,丁明孝主编,.,细胞生物学。北京：高等教育出版社，,2000,13.,北京大学生物化学课件,14.,清华大学生物化学课件,15.,四川农业大学生物化学课件,16.,湖州师范大学生物化学课件,17.,周爱儒编医学生物化学课件,18,陈敏老师的生物化学课件,19.,周爱儒主编,.,生物化学（第五版）,.,北京：人民卫生出版社，,2001,20.,南京大学生物化学精品课程课件,.,21.Albert L.Lehninger,David L.Nelson,Michael M.Cox.Principles of Biochemistry(Edition,IV,).New York:Worth Publishers,2004,22.Gene(Edition VIII).,23.,南开大学生物化学精品课程课件,.,第,3,页,/,共,76,页,第一章 代谢总论,（,General Introduction to Metabolism),第,4,页,/,共,76,页,学习目标,掌握新陈代谢的概念、特点及调节机制,了解代谢的全貌。糖、脂、蛋白质共同的代谢中枢途径。,了解代谢中的有机反应机制,了解新陈代谢的研究方法,第,5,页,/,共,76,页,内容提要,新陈代谢,指生物体内一切化学变化的总称。细胞中代谢包括,分解代谢和合成代谢,（反应区域，能量载体，还原力）,代谢是可调控的，主要从,分子水平、细胞水平和整体水平进行调控,另外还有基因表达水平的调控,代谢中常见的有机反应机制是,:,基团转移反应，氧化,-,还原反应，消除、异构化和重排反应，碳,-,碳键的形成或断裂反应,新陈代谢的主要研究方法：,同位素示踪法，使用各种酶抑制剂和拮抗物法，遗传缺陷分析法，核磁共振法，,苯环示踪法，量气法等,第,6,页,/,共,76,页,第一章 代谢总论,一 新陈代谢、分解代谢与合成代谢,二,代谢的基本特点,三 代谢研究的对象和常用材料,四 代谢的研究方法,五 主要的代谢反应类型,第,7,页,/,共,76,页,一、新陈代谢、分解代谢与合成代谢,1.,概念,新陈代谢,(metabolism),：生物体内一切化学变化的总称。,或,指生物体与外界环境进行物质和能量交换的过程。,也叫代谢。,包括两种代谢作用,:,分解代谢,(catabolism),(,异化作用，,disassimilation),:,机体将,营养物质转变为较小、较简单的物质的过程。,释放能量,合成代谢,(anabolism),(,同化作用，,assimilation),：机体利用小,分子或大分子的结构元件建造成大分子的过程，又称生,物合成,(biosynthesis),。,需要能量,每种代谢作用都包含两个方面：,物质代谢（,substance metabolism,）：,物质的合成与分解,能量代谢（,energy metabolism,）：,能量的转换、储存和释放,第,8,页,/,共,76,页,第,9,页,/,共,76,页,课外阅读,第,10,页,/,共,76,页,2.,代谢研究的主要内容,:,2.1,营养物质的摄入,2.2,摄取的营养物质及细胞中原有物质的降解：,由大分子形成小分子,2.3,由小分子物质合成自身需要的各种生物分子,2.4,提供和储存生命活动所需要的能量,第,11,页,/,共,76,页,1.,代谢描述的是,细胞的所有反应,2.,代谢过程是在,酶,的催化下进行的,3.,代谢过程是,复杂的、逐步进行,的,代谢是受到,调控,的,5.,代谢包括物质代谢和能量代谢,热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。,6.,同一种物质的,分解代谢和合成代谢,途径,一般是,不同,的，但各代谢途径之间存在许多重复出现的基元,(,通用活化载体,),7.,代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域,(,区室化,),二 代谢的基本特点：,第,12,页,/,共,76,页,3.,代谢过程是复杂的、逐步进行的：,代谢途径（,catabolic pathways,）,：,有严格顺序的一系列生化反应。,代谢中的许多酶连续地按顺序地起作用，形成,多酶体系,，使第一个酶促反应产物变成第二个酶促反应的底物，依此类推。习惯上把这种连续的化学反应叫作,代谢途径,。,如戊糖磷酸途径，糖异生途径等。,代谢物（,metabolite,）：,亦,称,中间代谢物,。指代谢过程,中连续转变着的酶促产物。,第,13,页,/,共,76,页,第,14,页,/,共,76,页,4.,新陈代谢是可调节的,分子水平,细胞水平,整体水平,基因表达的调控,（分子水平）,第,15,页,/,共,76,页,分子水平,包括反应物和产物的调节,（主要是酶的调节和浓度的调节）。,酶的调节是最基本的代谢调节，包括,酶的数量调节,:,合成速率与降解速率,酶的活性调节,:,变构调节,可逆的共价修饰调节,第,16,页,/,共,76,页,底物和产物浓度的调节：,前馈激活,反馈抑制,前馈激活作用（,feedforward activation,）,:,当代谢途径前面步骤,中产生的代谢物激活途径,下游某个反应的酶时称为,前馈激活作用。,第,17,页,/,共,76,页,反馈抑制作用,(feedback inhibition),:,途径的产物（通常是终产物）可以通过抑制途径前面的一步关键反应（通常是途径中的第一个关键的不可逆反应）来控制它自己合成的速度，这就是反馈抑制作用。,第,18,页,/,共,76,页,细胞水平,代谢途径的区域化，分隔控制,绝大多数代谢途径一般都局限于,细胞内,的特定区域,，也称为,区室化,(compartmentation),整体水平,激素的调节,神经的调节,第,19,页,/,共,76,页,5.,代谢包括物质代谢和能量代谢,.,热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。,合成代谢（同化作用）：小分子合成大分子，,需要能量,代谢 （,anabolism,）,(metabolism),分解代谢（异化作用）：大分子分解为小分子,释放能量,（,catabolism,）,物质代谢 能量代谢,第,20,页,/,共,76,页,第,21,页,/,共,76,页,第,22,页,/,共,76,页,第,23,页,/,共,76,页,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH,2,O),+O,2,(CO,2,),+H,2,O,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,生物合成,(,化学能）,机 械 功（机械能）,主动运输（渗透能）,生物发光（光能）,生物发电（电能）,生物发热（热能）,第,24,页,/,共,76,页,能量代谢中的重要物质：,ATP,或,GTP,等,还原型辅酶,（例如,NADH,，,NADPH,或,FMNH,2,，,FADH,2,）,CoA-SH,自由能,(free energy),：能够用以做功的能量。,机体内捕获和贮存自由能的主要分子是,和,还原型辅酶,.,第,25,页,/,共,76,页,、和也能提供能量。,蛋白的活化、蛋白质的生物合成,糖原合成（活化葡萄糖分子）,合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、,纤维素,以形式贮存的自由能，可提供能量用于：,1.,生物合成；,2.,肌肉收缩；,3.,营养物逆浓度梯度跨膜运送；,4.,在、蛋白质等生物合成中，以特殊方式起递能作用。,第,26,页,/,共,76,页,辅酶,I,和辅酶,II,的递能作用,NADH,NADPH,以,氢原子,和,电子,的形式将,自由能转移,给生物合成的需能反应。,NADPH,，,还原力,，参与脂肪酸和胆固醇合成,第,27,页,/,共,76,页,课外复习,第,28,页,/,共,76,页,课外阅读,第,29,页,/,共,76,页,NADH,在,340nm,处有特征吸收峰,课外阅读,第,30,页,/,共,76,页,FMN,和,FAD,的递能作用,FMN(flavin mononucleotide):,黄素单核苷酸,FAD(flavin adenine dinucleotide),：,黄素腺嘌呤二核苷酸,接受两个电子和两个质子,FMNH,2,FADH,2,在呼吸链中传递电子和氢原子,第,31,页,/,共,76,页,课外复习,第,32,页,/,共,76,页,代谢过程是在酶的催化下进行的,酰基转移、磷酰基转移、葡糖基转移,四、新陈代谢的研究方法,合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、,NAD+2H NADH+H+,C=O C=O C-O-C=O,NAD+2H NADH+H+,热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。,HC-OH +（产物2，酮）,辅酶A-SH,CoA-SH,课外阅读,第,33,页,/,共,76,页,辅酶在能量代谢中的作用,辅酶,A(coenzyme A,CoA),辅酶,A-SH,CoA-SH,接受或提供乙酰基,Acetylation,乙酰,-CoA(acetyl CoA):,具有高的乙酰基转移势能,CH,3,-CO-S CoA,乙酰,-S-CoA(acetyl S-CoA),活泼的乙酰基团,辅酶在,糖类,和,脂类代谢,中起重要作用,第,34,页,/,共,76,页,代谢过程是在酶的催化下进行的,合成代谢（同化作用）：小分子合成大分子，需要能量,还原型辅酶（例如NADH，NADPH或FMNH2，FADH2）,FAD(flavin adenine dinucleotide)：,四、新陈代谢的研究方法,碘131 131天,脂肪酸末端甲基接上苯基,CH3-CO-S CoA,乙酰-S-CoA(acetyl S-CoA),(2)磷酰基转移反应,体内研究(in vivo，在体内):,营养物逆浓度梯度跨膜运送；,体外研究(in vitro)：,玉米（Zea mays）：光合作用、遗传,三 代谢研究的对象和常用材料,4 Albert L.,（compartmentation),6.,同一种物质的,分解代谢和合成代谢,途径,一般是,不同,的，但各代谢途径之间存在许多重复出现的基元,(,通用活化载体,),。,两用代谢途径,(amphibolic pathway),:,在分解代谢和合成代谢途径中存在一些双方都可利用的代谢环节。,柠檬酸循环,(citric acid cycle),代谢途径一般都局限于,细胞内特定的区域：,也称区室化,（,compartmentation),第,35,页,/,共,76,页,第,36,页,/,共,76,页,三 代谢研究的对象和常用材料,大肠杆菌（,Escherichia coli,）：细菌代谢代表,大肠杆菌,T4,噬菌体（,Bacteriophage T4,）,大肠杆菌,噬菌体（,Bacteriophage-,Lambda,）,红色面包霉（,Neurcspora crassa,）：生化遗传,小球藻（,Chlorella vulgaris,）：光合作用研究经典材料,玉米（,Zea mays,）：光合作用、遗传,鸽（,Columba livia,）：代谢循环,大鼠（,Mus musculus,）：代谢,兔（,Lepus californicus,）：免疫生化,第,37,页,/,共,76,页,代谢研究的其他对象：,枯草杆菌,(,Bacillus substitis,),四膜虫,(,Tetrahymena thermophila,),酒酵母,(,Saccharomyces cerevisiae,),海胆,(,Arbacia punctulata,),爪蟾,(,Xenopus laevis,),小鼠,(,Mus musculus,),第,38,页,/,共,76,页,四、新陈代谢的研究方法,研究水平,:,体内研究,(,in vivo,，在体内,):,用生物整体、整体器官，或微生物细胞群等,体外研究,(,in vitro,，在体外,),：,用器官或组织的切片、匀浆液或提取液,第,39,页,/,共,76,页,体内研究,(,in vivo,):,苯环,标记脂肪酸饲喂狗的实验结果，提出了脂肪酸的,-,氧化假说,。,脂肪酸末端甲基接上,苯基,偶数碳FA：,苯乙酰-N-甘氨酸（,苯乙尿酸,）,奇数碳FA：,苯甲酰-N-甘氨酸（,马尿酸,）,第,40,页,/,共,76,页,-,氧化作用的试验证据,第,41,页,/,共,76,页,体外研究,(,in vitro,),：,第,42,页,/,共,76,页,代谢研究的方法,:,1,、同位素示踪技术,：,同位素：原子序数相同（在周期表上地位相同，,化学性质相同），但质量不同的元素。,天然同位素：稳定的同位素。如：,2,H,（,D,）、,15,N,、,13,C,和,18,O,质谱分析,放射性同位素：人工制备，不稳定。有特定的半衰期。,常用的：,32,P,、,14,C,、,3,H,(,氚,tritium,T,),、,35,S,、,131,I,放射自显影，计数法等,例如：柠檬酸合成：,CH-COOH,CH,3,-,14,C,OOH HO-CH-COOH,CH-,14,C,OOH,第,43,页,/,共,76,页,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）,3,年,碳,14,14,C -5730,天,磷,32,32,天,碘,131,131,天,硫,35,35,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,课外阅读,第,44,页,/,共,76,页,2,、使用各种酶抑制剂和拮抗物,：,NADH,NADH-Q ,|,QH,2,|,Cyt C1,还原酶,鱼藤酮,抗霉素,A,安密妥,Cyt C,细胞色素氧化酶,|,O,2,CN,-,，,N,3,，,CO,第,45,页,/,共,76,页,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。,P17,第,46,页,/,共,76,页,第,47,页,/,共,76,页,3,、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（先天性基因突变）缺乏某种酶,前体物的积累 在血液或随尿排出 测定,D,第,48,页,/,共,76,页,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,第,49,页,/,共,76,页,第,50,页,/,共,76,页,白化鳄,第,51,页,/,共,76,页,第,52,页,/,共,76,页,4,、其他研究方法,：,核磁共振（波谱）法,(nuclear magnetic resonance spectroscopy,NMR),量气法（,瓦式呼吸器，,Warburg-Barcroftapparatus,）,苯环示踪法,代谢组学,(metabonomics,metabolomics),P18,第,53,页,/,共,76,页,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,31,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,31,P NMR,波谱,碳,(,13,C),谱,氟,(,19,F),谱,31,P,谱,15,N,谱,第,54,页,/,共,76,页,五 主要的代谢反应类型（四类）：,1.,基团转移反应,(group-transfer reaction),酰基转移、磷酰基转移、葡糖基转移,2.,氧化,-,还原反应,(redox reaction),3.,消除、异构化和重排反应,4.,碳,-,碳键的形成或断裂反应,羟醛缩合反应（,aldol condensation),克莱森酯缩合反应,(Claisen ester,condensation),-,酮酸的氧化脱羧反应,第,55,页,/,共,76,页,主要的代谢反应类型（四类）：,1,基团转移反应,（亲核取代）：,A-X+Y,：,Y-A+X,(1),酰基转移反应。,O O,-,O,R-C-X+Y,：,R-C X,R-C-Y+X,：,Y,四面体共价中间物,P7,第,56,页,/,共,76,页,葡萄糖的磷酸化（,G6P,）,(2),磷酰基转移反应,第,57,页,/,共,76,页,磷酰基转移,:phosphoryl group transferation,三角形双金字塔结构,的中间物,四面体磷酰基构象反转,P8,第,58,页,/,共,76,页,2,氧化,-,还原反应,（,reduction,）：,实质是电子得失（转移）。,H O H,H,O,C NH,2,C NH,2,2H,（,2e,）,H H +H,+,N,+,N,R R,（,NAD,+,）（,NADH,）,NAD,+,+2H NADH+H,+,P9,第,59,页,/,共,76,页,3,消除、异构化及重排反应,：,消除反应,（,elimination,）：,顺式（产物顺式）和,反式消除,（产物反式）,消除的基团：,H,2,O,、,NH,3,、,R-OH,、,R-NH,2,H H R H,R C C-R C=C +H,+,+OH,-,H OH H R,机制：,负碳机制,、,正碳机制,和协同机制三种。,B,：,H,+,.,P10,第,60,页,/,共,76,页,异构化反应,（,isomerization,）：如：,H,在分子内迁移，使双键位置改变。例如醛、酮互变：,H H H H,C=O C-O,：,C-OH HC-OH,H-C-OH C-O-H C-O,-,C=O,R R R R,（醛）（单烯二羟负离子中间体）（酮）,分子内重排反应,：,-C-C-C-,变位酶,-C-C-C-,（,rearrangement,）,C,B,12,C,B,：,B,：,H,B,B,：,H,B,-,P11,第,61,页,/,共,76,页,C-C,键的形成或断裂,：,例如：,负碳离子向正碳离子,（醛、酯、酮、,CO,2,等的,C,原子）发生亲核攻击。,（,1,）羟醛缩合（,aldol condensation,）：,R R R R,C=O C=O C-O,-,C=O,CH,2,-,CH,2,CH,2,CH,3,HC-O,H,+,（产物,2,，酮）,R H-C=O,R,（醇）（产物,1,，醛）,B,-,P12,烯醇化物共振中间体,第,62,页,/,共,76,页,(2),克莱森酯缩合反应,(claisen ester condensation),P13,第,63,页,/,共,76,页,碳,-,碳键的形成与断裂反应,克莱森酯缩合反应,(claisen ester condensation),反应具有严格的立体专一性,第,64,页,/,共,76,页,Si,面,第,65,页,/,共,76,页,S-,柠檬酰,-CoA,前,-S,方向,(pro-S arm),前,-R,方向,(pro-R arm),第,66,页,/,共,76,页,（,3,）,-,酮酸的氧化脱羧,：,COO,-,COO,-,CH,2,O 2H CH,2,O CO,2,H-,C-C-O,H-,C-C,+,-O,H,O-,C-,H,C=O,C C Mn,2+,O O,O O,（异柠檬酸）（草酰琥珀酸）,COO,-,COO,-,CH,2,H,+,CH,2,H-C H-,C-H,C-O,C=O,C Mn,2+,C,O O,O O,（,-,酮戊二,酸）,第,67,页,/,共,76,页,要点回顾,新陈代谢的概念、特点及调节机制,新陈代谢的研究方法,代谢中的有机反应机制类型,第,68,页,/,共,76,页,代谢调节是在哪几个水平进行的？具体的调节机制有哪些？,常用的放射性同位素有哪些？,代谢的研究方法有哪些,?,举例说明同位素示踪法和,NMR,波谱法在生物化学研究中的重要作用。,在测定脱氢酶的酶促反应速率时,常用的,NADH,的特征吸收峰在多少,nm?,名词解释,:,新陈代谢，前馈激活作用,反馈抑制作用,概述代谢中的有机反应机制。,分解反应释放的自由能主要贮存在哪些分子中,?,复习题,第,69,页,/,共,76,页,学习目标,掌握新陈代谢的概念、特点及调节机制,了解代谢的全貌。糖、脂、蛋白质共同的代谢中枢途径。,了解代谢中的有机反应机制,了解新陈代谢的研究方法,第,70,页,/,共,76,页,第一章 代谢总论,一 新陈代谢、分解代谢与合成代谢,二,代谢的基本特点,三 代谢研究的对象和常用材料,四 代谢的研究方法,五 主要的代谢反应类型,第,71,页,/,共,76,页,1.,代谢描述的是,细胞的所有反应,2.,代谢过程是在,酶,的催化下进行的,3.,代谢过程是,复杂的、逐步进行,的,代谢是受到,调控,的,5.,代谢包括物质代谢和能量代谢,热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。,6.,同一种物质的,分解代谢和合成代谢,途径,一般是,不同,的，但各代谢途径之间存在许多重复出现的基元,(,通用活化载体,),7.,代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域,(,区室化,),二 代谢的基本特点：,第,72,页,/,共,76,页,第,73,页,/,共,76,页,第,74,页,/,共,76,页,NADH,在,340nm,处有特征吸收峰,课外阅读,第,75,页,/,共,76,页,课外复习,第,76,页,/,共,76,页,