代谢总论、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,*,第1,7,章 代谢总论,p287,一、有关概念,二、新陈代谢的特点与规律,三、新陈代谢的研究方法,一、有关概念,p289,新陈代谢,(,代谢,Metabolism,),：,生物体内所有化学变化的总称。代谢是生命的基本特征。,实质是：,错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围环境高度适应的一个有规律的总过程。,1,、营养物质的摄取与吸收,利用光能的生物（植物、微生物）食草动物,食腐动物（微生物）食肉动物,（轮回）,新陈代谢的过程,2,、将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结构物质或功能物质）分解为机体所需的结构元件或分解供能,3,、将结构元件装配成大分子（结构物质、功能物质）,4,、在物质代谢的同时进行能量代谢,主要涉及目前已经清楚的细胞内,四大物质的合成与分解,。,分解代谢与合成代谢,新陈代谢,合成代谢,（同化作用）,分解代谢,（异化作用）,生物小分子合成为生物大分子,需要能量,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、代谢的基本特点：,The Catalysis,催化作用,The Regulation,调节作用,The Economy,经济性,The Unity,统一性,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,),4.,新陈代谢是可调节的,分子水平,细胞水平,整体水平,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,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。,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。,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,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,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）,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,机体内捕获和贮存自由能的主要分子是,ATP,和,还原型辅酶,.,GTP,、,UTP,和,CTP,也能提供能量。,GTP,蛋白的活化、蛋白质的生物合成,UTP,糖原合成（活化葡萄糖分子）,CTP,合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、,纤维素,以,ATP,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,DNA,、,RNA,、蛋白质等生物合成中，以特殊方式起递能作用。,1.,能量代谢在代谢中具有重要的地位。物质代谢是基础，能量代谢是一切生命活动的根本保证。,The“energy industry”(production,storage and use)is central to the economy of the cell society!,代谢的一些基本原理和规律,Energy supply and demand in metabolism.,2.,代谢途径有线性的、分支的、环形的。,分解代谢途径是汇聚的,(convergent),；,合成代谢途径是散发的,(divergent),。,代谢的一些基本原理和规律,Degradation is convergent,and energy releasing.,Synthesis is divergent,and energy consuming.,The citric,acid cycle,乙酰辅酶,A,草酰乙酸,柠檬酸,异戊烯焦磷酸,3.,分解代谢和合成代谢不是简单的逆反应，它们通常采用不同的途径,(,不同反应、不同部位等,),，从而增强生物体对代谢调控的应变能力，避免浪费能量。,代谢的一些基本原理和规律,Opposing pathway of glycolysis and gluconeogenesis in rat liver.,4.,各代谢途径具有数量不多的通用活化载体（,universal activated carrier,）。,ATP,是,通用能量载体。,NAD,、,NADP,和,FAD,、,FMN,是通用电子载体。,CoA,是通用酰基载体。,其他参见,维生素与辅酶,。,代谢的一些基本原理和规律,ATP is the universal,carrier,(or,currency,)of metabolic energy,and,ATP-ADP cycle,is the fundamental mode of energy exchange in biological systems.,NAD,、,NADP,as electron carriers,FAD,、,FMN as electron carriers,Coenzyme A is the carrier of activated acyl groups.,Acetyl-CoA,is,the common degradative product of sugar,fatty acids and many amino acids.,泛酸,巯基乙胺,5.,代谢途径主要由,6,种化学反应组成，反应机制通常比较简单。,一些代谢途径有,共同顺序的化学反应,，,称代谢基序（,metabolic motifs,）。,代谢的一些基本原理和规律,Metabolic motifs,6.,各,代谢途径具有共同的严密,调节方式，以达到平衡和经济。,代谢的一些基本原理和规律,7.,代谢是动态的。,The constancy of molecular composition is the result of,a dynamic steady state,.,（动态的稳态）,代谢的一些基本原理和规律,代谢途径的规律和保守性是生物进化理论的重要依据，体现了生命的统一性。,What happens in bacteria happens in human being,！,代谢与生物进化,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,体内研究,(,in vivo,):,1904,年，,F.Knoop,根据,用,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,）,-,氧化作用的试验证据,体外研究,(,in vitro,),：,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,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,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。,3,、利用遗传缺欠症研究代谢途径：,苯丙氨酸代谢异常：,苯丙酮尿症,(phenylketonuia,PKU),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,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,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),四 主要的代谢反应类型（四类）：,自学,p290,1.,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,小结,代谢描述的是细胞的所有反应,代谢分为分解代谢和合成代谢,代谢是可以调控的,代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域,重点掌握主要代谢途径、各代谢途径之间的相互联系和调节。,理解一些经典实验和理论的研究思路。,了解一些重要代谢途径的研究历史和相关科学家所作出的贡献。,了解一些当前相关的研究热点。,了解相关的应用知识,（,Box,）。,代谢部分学习的要求,概念,反应过程：起始物 终产物 重要中间产物,重要反应,(,限速酶催化的反应、,产能与耗能反应,),反应部位：器官，细胞内定位,生理意义：如生成,ATP,的数量,代谢调节：主要调节点，主要变构抑制剂、,变构激活剂,各代谢途径之间的联系和调控,代谢途径学习的技巧,Chapter18,生 物 能 学,Bioenergetics p302,一、有关热力学和能的基本概念,p302,（一）体系的概念、性质和状态,开放体系,、封闭体系、隔离体系,一个体系的性质包括压力、体积、温度、比热、表面张力等,（二）能的两种形式热与功,（三）内能（,U）,和焓（,H）,的概念：,H=U+PV,热力学原理是代谢研究的基础,（四）热力学第一定律,在一个孤立体系中的能量可以变换其形式，但其总能量不变。,（五）化学能的转化：,光能、化学能和热能等的转化,维持生命活动的能量，主要有两个来源：,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：,动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。,（六）热力学第二定律和熵的概念,（,七）自由能的概念：,G=HT S,热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。,代表体系能量分散程度的状态函数，统称为熵（,S）。,凡是能够用于做功的能量称之为自由能（,G）。,二、自由能变化、标准自由能变化及其与平衡常数的关系,吉布斯自由能（,Gibbs free energy,）,G,是生物化学中主要的热力学函数。通过自由能可以推测出反应能否自发进行，是放能反应，还是耗能反应。,测定任何过程或物质的实际自由能很困难，一般都是测定,自由能的变化（,G,）,。,对于反应：,A B,G=G,B,-,G,A,（,G,）,表示产物和反应物自由能之间的差值。,G0,，吸能，非自发进行，必须供给能量才能进行。,G=0,，平衡状态。此时，平衡常数为,Keq,，由已知的,Keq,可求得,G,自由能变化取决于反应发生的条件,标准自由能变化（,G,0,）,：相应于在一系列标准条件（温度,298K=25,，压力,1atm=101.325KPa,所有溶质的浓度都是,1mol/L,）下发生的反应自由能变化。,生物化学中标准自由能变化,G,0,表示,pH7.0,条件下的标准自由能变化。单位为,J/mol,、,KJ/mol,一个反应的标准自由能变化与反应的平衡常数有如下关系：,G,0,=-RTlnk,eq,=-2.303RT lgk,eq,其中，,R,为气体常数（,1.987 cal/mol.K,），,T,为热力学温度（,298K,）,但是，并不是所有反应开始是反应物和产物的浓度都是,1.0mol/L,，对于反应,A+B=C+D,。实际的自由能变化可以表示为,G=,G0+RTlnkeq=,G0+2.303RT lgkeq,Keq=CD/AB,在给定反应中,G0,是常量，所以实际自由能变化,G,是反应物和产物浓度以及温度的函数，在给定温度下,G,取决于反应物和产物浓度,自由能变化的可加性：,在偶联的几个化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。,例：,Glc+PiG-6-P+H,2,O,，,G=+13.8KJ/mol,ATP+H,2,OADP+Pi G=-33.47 KJ/mol,总反应：,Glc+ATPG-6-P+ADP G=-16.7 KJ/mol,该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。代谢反应中的能量流取决于许多偶联的反应此类反应在生物体内是很普遍的。在这些反应中，,ATP,往往充当共享的载能中间物,自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义,p307,三、,ATP,是生物能的主要载体,-,高能化合物,p308,一般将水解时能够释放,5,千卡,/mol（,20.92,kJ/mol）,以上自由能的化合物称为高能化合物。,高能键：,在分子中用,“,”,表示。,高能化合物,磷酸化合物,非磷酸化合物,磷氧型,磷氮型,硫酯键化合物,甲硫键化合物,烯醇磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,几种常见的高能键及高能化合物,磷氧键型（,OP),氮磷键型,(-NP),硫酯键型,(-CS,或,-O S),甲硫键型,(CH,3,S),这些化合物水解后形成的产物都含有很少的自由能，所以说它们都有很高的基团转移势能。,（,1,）烯醇式磷酸化合物,-61.9 kJ/mol,磷氧型高能磷酸化合物：,(2),酰基磷酸化合物,-42.3 kJ/mol,（,3,）焦磷酸化合物,ATP,（三磷酸腺苷）,-30.5 kJ/mol,焦磷酸,-28.84 kJ/mol,磷氮型高能磷酸化合物：,-43.1 kJ/mol,(1),硫酯键型高能化合物,非磷酸高能化合物：,乙酰辅酶,A 31.4 kJ/mol,(2),甲硫型高能化合物,41.8 kJ/mol,其中，,ATP,是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。,（,1,）,ATP,是生物能存在的主要形式。,ATP,是能够被生物细胞直接利用的能量形式。,ATP,是生物体通用的能量货币。,（,2,）,ATP,是磷酸基团转移反应的中间载体。,ATP,在传递能量方面起着转运站的作用，它是能量的携带者和转运者，但不是能量的贮存者。,ATP,的磷酸基团转移势能,处于所列磷酸化合物的中间部位。,ATP,在能量转运中的地位和作用,稳定程度不同，各种高能化合物的,G,o,有高低之分。,ATP,处于中间位置，是转移磷酸基团的,“共同中间传递体”，,ATP,在传递能量方面起着转运站的作用。,磷酸肌酸（脊椎动物）和磷酸精氨酸（无脊椎动物）,是能量的贮存形式,D F +H +,能,生物体的做功、需能反应等。,ATP,ADP+Pi,ADP+Pi+,能,ADP,磷酸肌酸,肌酸,肌酸激酶,ATP,系统的动态平衡,ATP,是生命活动中能量的主要直接供体，因此,ATP,不断产生又不断消耗，,ATP,、,ADP,和,AMP,的转换率非常高，但是他们在机体内总能保持相应的平衡状态，以适应细胞对能量的需求。如成人一日内需消耗,40kg,的,ATP,，在激烈运动时，,ATP,的利用率每分钟可达到,0.5kg,。,细胞内的能量状态取决于,ATP,、,ADP,及,AMP,的相对浓度。贮存在腺苷酸体系的总能量与其中的焦磷酸基的数目成正比。为便于定量表示其能量状态而提出能荷的概念,能荷,=(ATP+0.5ADP)/(ATP+ADP+AMP),当所有腺苷酸充分磷酸化为,ATP,，能荷值为,1,；当所有腺苷酸去磷酸化为,AMP,，能荷值为零，正常情况下细胞的能荷值大约为,0.75-0.95,。,研究发现，,ATP,的生成和,ATP,的消耗途径是和细胞内能荷状态相呼应的：高能荷时，,ATP,生成过程被抑制，而,ATP,的利用过程被激发；当能荷值低时，其效应相反。,所以说，,能荷对代谢起着重要的调控作用,。,其他代谢物的能量可以与,ATP,的合成偶联,磷酸肌酸和磷酸精氨酸的能量在激酶的催化下磷酰基可以转移到,ADP,上，形成,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸是糖酵解途径中的一个中间产物，有一个富含能量的磷酸键。在丙酮酸激酶的催化下，磷酰基转移到,ADP,上生成,ATP,生物氧化反应的自由能可以以还原型辅酶的形式储存,在细胞中，代谢反应生成的自由能可以以还原型辅酶的形式储存。,NADH,及少量,FADH,2,通过呼吸电子传递链被氧化成,H,2,O,，并推动,ADP+Pi,生成,ATP,。,