生物化学-第七章-新陈代谢及生物能学.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,*,生物化学,动态部分,第七章 代谢总论及生物能学,第一节 代谢总论,什么是新陈代谢？,新的来，旧的去,花开花落,“长江后浪推前浪，一代新人换旧人”,生化定义泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物体,物质代谢,与,能量代谢,的有机统一,1、不同生物的代谢,大同,小异,大同,各类生物的物质的代谢途径十分相似,小异,低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了,更为高效的好氧代谢,，,但同时保存了厌氧代谢途径。,新陈代谢的特点,2、,反应,步骤繁多,，,具有严格的,顺序性,；,3、与环境相适应，,自动调节；,在整体水平进行调节,在细胞水平进行调节,通过,酶活性调节,来进行调节。（39章）,分解代谢：将从外界摄取或机体原有的物质物质通过一系列的反应步骤变为较小的、较简单的物质的过程。,合成代谢：生物利用小分子或大分子结构元件构建自身大分子的过程。,一、物质的分解代谢与合成代谢,合成,代谢,分解,代谢,生物体的新陈代谢,生物小分子合成生物大分子,一般需要能量,一般释放能量,生物大分子分解为生物小分子,能量代谢,物质,代谢,二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢,二、能量代谢在新陈代谢中的作用,维持生命活动的能量来源,光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。,化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。,外界摄取的营养物质和机体内储存的物质如：糖、脂、蛋白质等在体内分解时逐步释放能量、最终生成二氧化碳和水,ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物,非储存能量的形式,是传递能量的形式,ATP,的性质,ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。,ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。,另外：,GTP对G蛋白的活化、蛋白质的生物合成、蛋白质的寻靶作用以及蛋白质运转等过程提供自由能；,UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；,CTP在合成磷脂酰胆碱及纤维素等方面有作用。,三、能量代谢中的其他重要物质,1、辅酶和辅酶,2、FMN和FAD,3、CoA-SH,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,（,辅酶I,）,NAD,+,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,（,辅酶,）,NADP,+,烟酰胺,NAD,+,磷酸,NADP,+,NMP,AMP,O,功能：脱氢酶辅酶,传递,H,V,B2,H,二甲基异咯嗪,核糖醇,？,键相连,核苷键,黄素单核苷酸,F,M,N,黄素腺嘌呤二核苷酸,F,A,D,AMP,FMN,V,B2,FAD,功能：脱氢酶辅酶,传递,H,辅酶,A,（CoASH）,3.5-ADP,3,5,巯基乙胺,酰胺键,磷酸二酯键,泛酸,功能,酰基转移酶辅酶,，传递,酰基,在脂类与糖类代谢,中起重要的作用,四、代谢的研究方法,代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢的研究内容也即分为两个方面：,参与的酶,物质的变化过程,通过,巧妙的实验设计,、,严密的逻辑推断,与,重复性的验证,。,整体方法（,in vivo,),纯化合物,排泄物的化学分析,典型案例,脂肪酸的氧化,Knoop的标记化合物实验,脂肪酸的氧化,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）,离体法(,in vitro,),器官、组织或细胞,各类组织细胞,各种破碎方法,碎片置于,试管,中,向该,试管,中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。,典型案例,糖代谢、生物氧化等等,1、,利用酶的抑制剂,代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累,碘乙酸3-磷酸甘油醛脱氢酶,氟化钠烯醇化酶,2、,利用遗传缺陷症研究代谢途径,参与酶的确定,黑色素是吲哚醌的聚合物,白化病,(albinism),缺乏酪氨酸酶,酪氨酸酶,尿黑酸尿症,(alkaptonuria),尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸裂环降解受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相应的对醌，后者可聚合为黑的色素。,尿黑酸氧化酶,同位素示踪法,利用含,放射性同位素,的物质，测试其在不同物质间的转移,高能化合物 ATP,物质的转化,第二节 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,（一）、体系,宇宙,太阳系,地球,每个生物或非生物,化学反应体系,能量的传递形式,热,功,？,内能,的传递方式,？,动能、势能,转化和传递的方式,包括机械功、电功、化学功等,（二）、能的两种形式,体系总能量=可做功的能+不能做功的能,（H）（自由能G）（热能）,热力学第一定律,(能量转化与守恒定律),热力学第二定律,(能量传递的方向性定律),当体系的状态发生变化后,总能量不变,变化的是G（,G）,变化朝自由能降低的方向进行（,G,）,二、化学反应体系中的自由能,（一）根据,自由能变化,可以,判断,中间物质代谢方向,状态,A,G,A,状态,B,G,B,G,=G,B,G,A,当反应体系恒温、恒压下发生变化时,G,0,时，,W0,，体系对外作功，,该反应,可自发,进行，放能反应,G=0时，,W=0,，,该反应处于平衡,G,0,时，,W0,，,该反应,不可自发,进行，,必须吸收外来能量才能进行（吸能反应）,，同时，该反应的逆过程可以自发进行。,（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性,热力学上不利的反应可以由热力学上有利的,反应所驱动,A,B,G,O,0（,不能,自发进行）,C,D,G,O,0（,能,自发进行）,A+,C,B+D,G,O,0（,能,自发进行）,三、高能化合物,定义：,一般将水解时能够释放21 kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（,G,-21 kJ/mol）的化合物称为高能化合物。,高能化合物,（水解）,低能化合物,G,O,0（,能,自发进行）,A,B,G,O,0（,不能,自发进行）,A+,高能化合物,B+低能化合物,G,O,0（,能,自发进行）,两反应如何可以结合在一起呢？,（一）功能,高能基团的传递,有着十分重要的生物意义,激酶,激活底物,（A）,连接高能键的酶,A+,高能化合物,B+低能化合物,活化,（能量增加）,反应,激酶,类似的活化反应,十分普遍存在。,D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。,例,D-葡萄糖,+,ATP,D-,6-磷酸,葡萄糖,+,ADP,激酶,硫酯键化合物,S,甲硫键化合物,CH,3,S,+,-,C-C,O,（二）高能化合物的种类,高能键,水解断开，并可传递能量,磷氧型,-O,P,磷氮型,HN=,C,-N,P(O),磷酸化合物,非磷酸化合物,1,磷氧键型（OP),(1)酰基磷酸化合物,1，3-二磷酸甘油酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,30.5KJ/mol,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,2,氮磷键型,磷酸肌酸（N-甲基-胍基乙酸）,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔（虾、蟹）,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,3,硫酯键型,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,4,甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,（三）ATP的结构特点,酸酐键,磷酯键,1、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。,2、pH=7时，ATP带4个负电荷，互相排斥。,3、产物（ADP和磷酸）比ATP稳定。,高能化合物由于内在因素,本身化学不稳定,(G高),，水解产物稳定,(G低),。,（四）细胞内影响ATP水解的因素,pH（pH越,高,，放出的能量越多）,（五）ATP,“能量中间体”,稳定程度不同，各种高能化合物的,G,o,有高低之分,磷酸肌酸,暂时储能物质,磷酸烯醇式丙酮酸,葡萄糖6-磷酸,葡萄糖1-磷酸,作用：,能量传递,转化,传递,传递,磷酸肌酸（哺乳类）,磷酸精氨酸,（虾、蟹）,（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用,H,磷酸肌酸+ADP 肌酸 +ATP,G =,G,1,+,G,2,=-43.1+30.5 =-12.6 KJ/mol,在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。,（七）ATP断裂成AMP 和焦磷酸,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,2 -,6.9千卡/摩尔,7.3+6.9=14.2千卡/摩尔,活化底物需要更多能量时,(八）其他三磷酸核苷的递能作用,能量源自,能源物质（,糖、脂、偶尔是蛋白质,）的分解,分解代谢,氧化,产能,ADP,机械能,（运动）,化学能,（合成反应）,渗透能,（分泌、吸收）,电能,（生物电）,热能,（体温维持）,光能,（生物发光）,UTP、GTP、CTP、TTP,合成，供能,ATP,(九）能荷,能 荷 =,ATP+1/2ADP,ATP+ADP,+AMP,分母是个定值，能荷在一定范围内波动（0.8-0.95)，受到机体的严格调控。,