《代謝導論》PPT課件.ppt

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1、Chapter 7 代謝導論,唐孟浩然與諸子登峴山詩：“人事有代謝，往來成古今。” 魯迅熱風隨感錄四十九：“進化的途中總須新陳代謝?！?沈從文長河人與地：“一涉革命，糾紛隨來，到處不免流淚流血。最重大的意義，即促進人事上的新陳代謝?！?代謝的概念的出現(xiàn)可以追溯到13世紀，阿拉伯醫(yī)學家伊本納菲斯（Ibn al-Nafis）提出“身體和它的各個部分是處于一個分解和接受營養(yǎng)的連續(xù)狀態(tài)，因此它們不可避免地一直發(fā)生著變化”。 第一個關(guān)于人體代謝的實驗由意大利人桑托里奧（Santorio）于1614年完成，描述了他如何在進食、睡覺、工作、以及排泄等各項活動前后對自己的體重進行秤量；他發(fā)現(xiàn)大多數(shù)他所攝入的食

2、物最終都通過他所稱的“無知覺排汗”被消耗掉了。 19世紀，路易斯巴斯德總結(jié)出酵解過程是由酵母細胞內(nèi)他稱為“酵素”的物質(zhì)來催化的。 20世紀初，酶首次被愛德華比希納所發(fā)現(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)使得對代謝中化學反應的研究從對細胞的生物學研究中獨立出來，同時這也標志著生物化學研究的開始。 漢斯.克雷布斯和漢斯科恩伯格（Hans Kornberg）合作發(fā)現(xiàn)了三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)。,7.1 代謝描述的是細胞的所有反應 7.2 分解代謝和合成代謝 7.3 代謝途徑一般都局限于細胞內(nèi)的特定區(qū)域 7.4 代謝途徑的調(diào)控 7.5 生物化學反應的自由能變化 7.6 高能化合物與偶聯(lián)反應 7.7 氧化還原反應,主要內(nèi)容,分解

3、代謝反應和合成代謝反應：分解反應使生物大分子降解為構(gòu)件分子和釋放能量；活細胞利用釋放的能量合成用于細胞維持和生長所需的分子。細胞也利用捕獲的能量執(zhí)行細胞的其它任務(wù)，例如跨膜運輸?shù)热蝿?wù)。,7.1 代謝描述的是細胞的所有反應,蛋白質(zhì),核酸,多 糖,脂,7.2 分解代謝和合成代謝,分解反應可以使生物大分子降解釋放出小的構(gòu)件分子和能量； 合成代謝則是由少數(shù)幾種簡單前體可以生成各式各樣的生物大分子。CO2、H2O和NH3合成構(gòu)件分子氨基酸等，再由構(gòu)件分子合成生物學功能各異的生物大分子。,,,,第二個階段，構(gòu)件分子代謝只生成少數(shù)幾種分子，其中有兩個重要的化合物丙酮酸和乙酰CoA。,第一個階段, 蛋白質(zhì)、多

4、糖、脂等降解成小的單體構(gòu)件分子，例如：氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等。,第三個階段，乙酰CoA進入檸檬酸循環(huán)，分子中的乙?；谎趸蒀O2和H2O。,分解代謝只生成三種主要的終產(chǎn)物：CO2、H2O和NH3。,分 解 反 應,伴隨著物質(zhì)分解代謝的同時也產(chǎn)生了大量的化學能，這些能量一般都是以核苷三磷酸（例如ATP或GTP）（圖a）和還原型輔酶（例如NADH或FADH2）的形式保存的（圖b）。,1. 活細胞不能利用下列哪些能源來維持它們的代謝： AATP B糖 C脂肪 D周圍的熱能,脂肪、糖和ATP都是活細胞化學能的直接來源。陽光是最根本的能源，光子所釋放的能量被綠色植物的葉綠素通過光合作

5、用所利用。熱能只有當它從熱物體向冷物體傳遞過程中才能做功，它不能作為活細胞的可利用能源，但對細胞周圍的溫度有影響。,代謝途徑一般都局限于細胞內(nèi)的特定區(qū)域，也稱為區(qū)室化。代謝的區(qū)室化表明代謝物、酶、代謝途徑或其他生物分子或系統(tǒng)在細胞內(nèi)或細胞器內(nèi)的分布是不同的。,7.3 代謝途徑一般都局限于細胞內(nèi)的特定區(qū)域,在真核生物中，脂肪酸分解代謝出現(xiàn)在線粒體內(nèi)，而脂肪酸合成發(fā)生在細胞質(zhì)中。 ATP是在線粒體內(nèi)合成的，而ATP的大量消耗卻發(fā)生在細胞質(zhì)中。 將降解和合成途徑分開有許多優(yōu)越性，最主要的是可以避免兩個方向相反的反應彼此會部分或完全抵消。,細胞核：DNA復制；tRNA，mRNA,核仁：rRNA合成,內(nèi)

6、質(zhì)網(wǎng)：脂合成，指導合成產(chǎn)物的去向,核糖體：蛋白質(zhì)合成,微粒體：氨基酸氧化，膽固醇降解，乙醛酸循環(huán)等,質(zhì)膜：轉(zhuǎn)運系統(tǒng),高爾基體：蛋白和膜的成分的加工,葉綠體：光合作用,線粒體：檸檬酸循環(huán)，脂肪酸氧化，電子傳遞、氧化磷酸化， 氨基酸分解，糖異生,糖原顆粒：糖原合成和降解,細胞質(zhì)：糖酵解，糖異生，戊糖磷酸途徑，脂肪酸合成，核苷酸合成,液泡：貯存水,溶酶體：水解酶的降解,區(qū)室化通過區(qū)室的通透特性也可以調(diào)節(jié)酶促反應，通過區(qū)室膜有選擇的通透（或轉(zhuǎn)運）可以調(diào)控底物進入?yún)^(qū)室和從區(qū)室輸出產(chǎn)物，因為區(qū)室內(nèi)底物和產(chǎn)物的相對濃度影響酶促反應。,反饋作用：通常是終產(chǎn)物抑制途徑前面的一步關(guān)鍵反應控制它自己合成的速度。,例

7、如： 嘧啶核苷酸合成的終產(chǎn)物CTP可以反饋抑制前面由天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶催化的一步關(guān)鍵反應。,代謝的調(diào)控可以說是激素的調(diào)控，激素調(diào)控的最終表現(xiàn)形式是酶活性和酶含量的調(diào)節(jié)。酶含量的調(diào)節(jié)屬于基因表達調(diào)控。酶促反應代謝途徑經(jīng)常遇到的是反饋抑制作。,7.4 代謝途徑的調(diào)控,7.5 生物化學反應的自由能變化,生物能量學是定量研究發(fā)生在活細胞中的能量轉(zhuǎn)換及這些轉(zhuǎn)換背后化學過程的特性和功能的科學。,在恒溫、恒壓下進行的化學反應，其產(chǎn)生有用功的能力可以用反應前后自由能的變化來衡量。 自由能的變化：G = G 產(chǎn)物 - G反應物,7.5 生物化學反應的自由能變化,1. 化學反應中的自由能,2. G是衡量反應自發(fā)性

8、的標準 G0，反應體系為吸能反應，不能自發(fā)進行，此時只有與放能反應相偶聯(lián)，反應才能進行。 G=0，反應處于平衡狀態(tài)。,醛縮酶,磷酸二羥丙酮,甘油醛-3-磷酸,果糖-1,6-二磷酸,G=-0.23kJ/mol,G<0僅是反應能自發(fā)進行的必要條件，有的反應還需催化劑才能進行，催化劑（酶）只能催化自由能變化為負值的反應，如果一個反應的自由能變化為正值，酶也無能為力。,例如：Glc+ATPG6P+ADP（總反應） ， G=-16.7KJ.mol-1 第一步，Glc+PiG6P+H2O, 此反應不能自發(fā)進行。 第二步，ATP+H2OADP+Pi 總反應：Glc+ATPG6P+ADP. 因此，一個熱力學上

9、不能進行的反應，可與其它反應偶聯(lián)，驅(qū)動整個反應進行。此類反應在生物體內(nèi)是很普遍的。,1. 在生物化學反應中，總能量變化符合： A受反應的能障影響 B隨輔因子而變 C與反應物的濃度成正比 D與反應途徑無關(guān),熱力學中自由能是狀態(tài)函數(shù)，生物化學反應中總能量的變化不取決于反應途徑。當反應體系處于平衡系統(tǒng)時，實際上沒有可利用的自由能。只有利用來自外部的自由能，才能打破平衡系統(tǒng)。,7.6 高能化合物與偶聯(lián)反應,一、生物體內(nèi)的高能磷酸化合物 生物體內(nèi)的高能磷酸化合物：ATP、1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰磷酸、磷酸肌酸等；其中ATP是最主要的高能磷酸化合物，而其他的高能化合物只能作為高

10、能磷酸基(P)的供體，將P轉(zhuǎn)移到ADP上，生成ATP，本身很少直接參與其他吸能反應。,ATP被水解時具有較高的自由能變化是由于ATP的特殊的分子結(jié)構(gòu)決定的。 一個化合物水解時釋放出的自由能的多少全取決于反應產(chǎn)物和底物的化學結(jié)構(gòu)，即取決于產(chǎn)物和底物各自所固有的自由能。,ATP在細胞產(chǎn)能和需能反應中的作用 ： 在活細胞內(nèi)，產(chǎn)能反應與需能反應是偶聯(lián)進行的;但這種偶聯(lián)很少是兩個反應共同催化的結(jié)果；而是通過第三者(ATP)起橋梁作用。當細胞營養(yǎng)物進行分解代謝時，產(chǎn)生大量的能量。這些能量中的大部分推動著ADP磷酸化合成ATP。ATP作為能量的供體用于許多需能反應。,磷酸烯醇式丙酮酸是酵解途徑中的一

11、個中間產(chǎn)物，有一個最富含能量的磷酸鍵。在丙酮酸激酶的催化下磷?；鶊F從磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)移到ADP上生成ATP。,思考：,Q1：盡管成年人每天合成大量的ATP，在這期間他們的體重、結(jié)構(gòu)和組成并沒有發(fā)生很大的變化。試解釋這一明顯的矛盾。,A1：當需要時ATP會合成，再降解為ADP和Pi； 它的濃度保持在穩(wěn)定狀態(tài)。,高能磷酸鍵常被錯誤解釋為P-O鍵含有能量，事實上所有化學鍵的斷裂都需要能量的輸入； 磷酸化合物水解釋放的自由能并不是來自于某個具體的被斷裂的鍵，而是來自于產(chǎn)物比反應物有更少的自由能。,1.下列化合物中，除了哪一種以外都含有高能磷酸鍵： ANAD BADP CNADPH DFMN,2.

12、 肌肉組織中肌肉收縮所需要的大部分能量以哪種形式貯存： AADP B磷酸烯醇式丙酮酸 CATP D磷酸肌酸,除了磷?；鶊F轉(zhuǎn)移外，后面講到的很多代謝反應還涉及到?；鶑囊粋€?；鵆oA（或?；d體蛋白）轉(zhuǎn)移到一個受體分子過程。?；梢酝ㄟ^硫酯鍵連接到輔酶A上。,?；D(zhuǎn)移在代謝中的重要性：,Q2：如果將放射性標記末端磷酸的少量ATP，-p32ATP，加入到酵母提取物中，在幾分鐘內(nèi)大約有一半的Pi有P32活性，但是ATP的濃度依然不變。請解釋之。如果用同樣的p32在中間位置進行標記，-p32ATP，p32并沒有在那么短時間內(nèi)在磷酸中出現(xiàn)，為什么？,A2：ATP系統(tǒng)是個動力穩(wěn)定狀態(tài)；ATP是恒定的，因為A

13、TP消耗等于它的合成速度，ATP消耗涉及末端磷酰基的釋放，ATP從ADP的合成則涉及這個磷酰基的替代。因此，末端磷?；?jīng)歷快速的周轉(zhuǎn)。比較而言，中間的磷?；鶆t周轉(zhuǎn)比較慢。,螢火蟲的發(fā)光器官位于腹部的后側(cè)，發(fā)光細胞內(nèi)含有熒光素和熒光素酶 。 熒光素能在熒光素酶的催化下消耗ATP ，并與氧氣發(fā)生反應，反應中產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的氧化熒光素，當氧化熒光素從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時釋放出光子。反應中釋放的能量幾乎全部以光的形式釋放，只有極少部分以熱的形式釋放，反應效率為95%。,在分解代謝反應中，糖、脂和氨基酸被氧化，一個分子的氧化必須與另一個分子的還原相耦聯(lián)，接受電子而被還原的分子是氧化劑，而失去電子而被氧化的分

14、子是還原劑。所以凈的氧化還原反應是： AredBoxAoxBred 在脫氫酶催化的反應中，生物氧化反應釋放的電子常常是被轉(zhuǎn)移給NAD，F(xiàn)AD生成還原型輔酶NADH和FADH2。,7.7 氧化還原反應,,1. 氧化還原反應與氧化還原電勢 氧化反應是可逆的，例如， H2 2H+ + 2e ； Fe2+ Fe3+ + e 電子供體 電子受體 電子供體 電子受體 H2和2H+, Fe2+和Fe3+分別構(gòu)成了氧化還原(電) 對,可用2H+H2和Fe3+Fe2+表示。 一個氧化還原對失去電子和得到電子的傾向，例如，F(xiàn)e2+失去電子或Fe3+得到電子的傾向，稱作氧化還原電勢或氧化還原電位

15、(oxidation- reduction potential)。,還原電位可以通過一個電化學裝置定量地測定。其原理可以通過一對電子從鋅原子轉(zhuǎn)移到一個銅離子（Cu2+）的一個簡單的氧化還原反應來說明。,Zn Cu2+Zn2+ Cu,一些重要的 生物半反應的標準還原電位,2.氧化還原電勢與自由能變化的關(guān)系 在標準條件下，電子從氧化還原電勢較低的電對流向較高電對的傾向是自由能降低的結(jié)果。電子總是趨向反應系統(tǒng)的自由能降低的方向流動。 兩電對間的標準氧化還原電勢的差值： E0 = E0電子受體 E0電子供體 氧化還原反應的標準自由能變化(Go)和E0的關(guān)系： Go= - nFE0 n：傳遞或

16、轉(zhuǎn)移的電子數(shù); F：法拉弟常數(shù)(96.48kJV-1mol-1)。 在生理標準條件下，自由能變化(Go ）可用下式計算： Go= - nFE = - nF (E正極 - E負極),例：在細胞中，代謝反應中生成的大多數(shù)還原型輔酶NADH可以通過呼吸電子傳遞鏈被氧化，伴隨電子傳遞由ADPPi可以生成ATP。來自NADH的電子的最終受體是氧?？梢杂嬎愠鲈跇藴蕳l件下整個氧化還原反應的自由能變化。 NAD2H2eNADHH E0.32V 1/2O2H2eH2O E=0.82V 因為NADH半反應具有更負的標準還原電勢，所以它將被氧化，而氧被還原。因此凈反應應為： NADH1/2O2HNAD

17、H2O E1.14V 由此可以計算出標準自由能的變化： G（2）（96.48kJV1mol-1）（1.14V）220kJ/mol-1,氧化還原電位是衡量電子轉(zhuǎn)移的標準。延胡索酸還原成琥珀酸的氧化還原電位和標準的氫電位對比是+ 0.03V 特，而硫酸鐵（高鐵Fe3）還原成硫酸亞鐵（亞鐵Fe2）的氧化還原電位是+ 0.077V伏特，這樣高鐵對電子的親和力比延胡索酸要大。所以加進去的琥珀酸將被氧化成延胡索酸，而硫酸鐵則被還原成硫酸亞鐵。延胡索酸和硫酸亞鐵的量一定會增加。,1.如果將琥珀酸（延胡索酸/琥珀酸氧化還原電位 + 0.03V）加到硫酸鐵和硫酸亞鐵（高鐵/亞鐵氧化還原電位 + 0.077V）的平衡混合液中，可能發(fā)生的變化是： A 硫酸鐵的濃度將增加 B 硫酸鐵的濃度和延胡羧酸的濃度將增加 C 高鐵和亞鐵的比例無變化 D 硫酸亞鐵和延胡索酸的濃度將增加,思考：,Q3：相偶聯(lián)的NAD+/NADH和丙酮酸/乳酸的共軛氧化還原電子對的Eo值分別為-0.32v和-0.19v。 （1）哪對共軛電子對更有可能丟失電子？ （2）哪對共軛氧化劑的氧化性更強？ （3）如果每種反應物和產(chǎn)物的初始濃度為1mol/L，初始環(huán)境pH為7.0，下列反應將向哪個方向進行？ 丙酮酸+NADH+H+ 乳酸+NAD+,A3：1.NAD+/NADH; 2.丙酮酸/乳酸； 3.乳酸形成,,,