高级生物化学[优制材料]

1、赵永斌 吉林师范大学 1严选课件 生物能量及ATP 代谢 基因表达调控 蛋白质及酶 2严选课件 第一部分 生物能量与ATP ATP细胞的能量货币 “货币代谢物（currencymetabolites） 或者通用代谢物”是指可在细胞全局范围 内像货币一样流通的代谢物，如能量货币 ATP以及以辅助因子的形式出现的辅酶 NADH和NADPH。它们的作用主要在于它们的作用主要在于 协调代谢流的流量和方向，使受它（它协调代谢流的流量和方向，使受它（它 们）控制的途径成为代谢网络整体的一们）控制的途径成为代谢网络整体的一 部分。部分。 3严选课件 4严选课件 ATP的磷酸基因转移势能和其他一些磷酸 化合物

2、比较,处于中间地位。 ATP作为共同中间传递体的实质是传递能 量，它水解释放的自由能可推动一个在热 力学上不利的反应，使之能够顺利进行。 5严选课件 6严选课件 ATP合成的方式 1.底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基团 直接转移给ADP生成ATP。 2.氧化磷酸化：是指在电子传递过程中, 释放的能量使ADP磷酸化成ATP的过程。 又称电子传递水平磷酸化。 3.光合磷酸化：由光驱动的ATP合成。 7严选课件 底物水平磷酸化 在细胞内凡是有ATP作为磷酸基因供体的 酶促反应，ATP都是以Mg2+ATP2-的形式 参加反应。 Mg2+ATP2-的结构式Mg2+ADP-的结构式 8严选课件 9严选课件

3、 电子传递与氧化磷酸化 线粒体细胞的发 电厂 含有丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸循 环的酶系、催化脂肪酸氧化的酶 和参与电子传递和氧化磷酸化的 酶以及氧化还原的蛋白。 10严选课件 电子传递 NADH氧化反应是高效放能的 1molNADH被O2氧化伴随释放218KJ自由 能 由ADP和Pi合成1molATP所需自由能是 30.5KJ 1分子NADH大约产生(2.5)分子ATP 1分子FADH2大约产生2(1.5)分子ATP 11严选课件 12严选课件 13严选课件 14严选课件 15严选课件 16严选课件 ATP的合成 ATP合成机制最有说服力的是1961年由 PeterMitchell提出的化学渗透

4、原理 (chemiosmotictheory) p氧化磷酸化要求完整的线粒体内膜 p线粒体内膜对H+、OH-、K+和Cl-等离子不通透，它们的自由 扩散将会消减电化学梯度 p电子传递导致H+被运出完整线粒体，因而产生一个可测量的 跨线粒体内膜的电化学梯度 p某些因能增加线粒体内膜对质子的通透性而消减电化学梯度的 化合物，能使电子传递继续进行，但是却抑制ATP合成，相反 ，增加线粒体内膜外侧的酸性将刺激ATP合成。 PeterMitchell, 19201992 17严选课件 提出了ATP合成酶的结 合变化和旋转催化机制 Walker发表了0.28nm分 辨率的牛心线粒体晶体 结构,为此与Boy

5、er分享 了1997年的诺贝尔化学 奖. Noji的实验证实了旋转催 化假说的正确性. PaulBoyer JohnE.Walker18严选课件 19严选课件 20严选课件 21严选课件 22严选课件 23严选课件 24严选课件 线粒体的转运系统 细胞质的还原当量转运进入线粒体 ADP-ATP转运体 Ca2+转运 25严选课件 细胞质中的NADH必须进入线粒体的电子 传递链以便进行有氧氧化，但线粒体内膜 没有NADH转运蛋白 26严选课件 苹果酸天冬氨酸穿梭 malate-aspartate shuttle 27严选课件 磷酸甘油穿梭 Glycerophosphate shuttle 28严选

6、课件 29严选课件 氧化磷酸化解偶联 电子传递与氧化磷酸化相偶联是基于线粒 体内膜的不通透性，致使电子传递时因 H+产生的跨膜电化学梯度得以建立。 一些化合物如2,4-二硝基苯酚(DNP)可以 使电子传递与ATP合成解偶联。 氧化磷酸化抑制剂:寡霉素 离子载体抑制剂: 缬氨霉素 30严选课件 抑制类型抑制剂名称作用位点或作用机制 呼吸链抑制剂 鱼藤酮、安米妥、杀粉菌素 萎锈灵 抗霉素 氰化物、CO、H2S、叠氮化合物 复合体I 复合体II 复合体III 复合体IV F1F0-ATP合酶抑 制剂 Aurovertin 寡霉素、venturicidin DCCD（二环已基碳二亚胺） 抑制F1 抑制

7、F0 阻止质子通过质子F0通道 解偶联剂 DNP(2,4二硝基苯酚)、FCCP 缬氨霉素 生热素 脂溶性质子载体 钾离子载体，破坏电势能 质子通道 ATP/ADP交换体 抑制剂 苍术苷、米酵菌酸抑制线粒体基质内的ATP与 细胞质内的ADP之间交换 31严选课件 棕色脂肪组织 解偶联产热 32严选课件 33严选课件 有氧代谢的生理意义 并非所有的生物都能进行氧化磷酸化,然 而具有这种功能的生物确实能从有限量的 代谢燃料中获得更多的能量. 1分子葡萄糖的无氧酵解只产生2分子ATP 1分子葡萄糖的有氧代谢可产生38分子 ATP 34严选课件 然而有氧代谢也有其缺点,许多生物和组 织仅仅依靠有氧代谢,

8、则当氧气缺乏时它 们将遭受不可逆转的损伤. 有氧代谢还伴随产生少量活性氧代谢物, 长时间可能破坏细胞成分 35严选课件 细胞色素P450 超氧化物歧化酶SOD 2GSH+H2O2GSSG+2H2O GSSG+NADPH+H+2GSH+NADP+ 谷胱甘肽还原酶 谷胱甘肽过氧化物酶 36严选课件 光合磷酸化 2H2OO2+4H. 4H.+CO2(CH2O)+H2O 在光反应中,特定的色素分子捕获光能而被氧 化,再经一系列电子传递反应最终将NADP+还 原为NADPH，产生的跨膜质子梯度中蕴含的 能量促使ADP+Pi合成ATP。氧化态的色素分 子被H2O还原，产生O2。 暗反应利用NADPH和AT

9、P还原CO2，并将 CO2整合到糖的三碳前体分子中。 光 37严选课件 38严选课件 39严选课件 40严选课件 41严选课件 42严选课件 习题 1.根据下图所示,假定你将有活性的F1F0-ATP合酶重组到脂质体 上,重组时酶的朝向有两种,一种是头部(F1部分)朝外、柄部朝内 （F0），另一种是柄部朝外，头部朝内。这些脂质体外部的环 境都是一样的，都含有ADP、Pi，pH都是7，但内部pH不同。 （1）预测哪几种脂质体可以合成ATP？ （2）如果将样品C转移到pH7、含有ATP的溶液中。脂质体腔 内含有对pH敏感的荧光染料，以此来检测pH的变化。有趣的是 ，溶液内ATP水平在下降，而腔内的p

10、H也在下降，试解释此现 象。 43严选课件 2.酵母呼吸缺陷型突变株缺乏细胞色素c氧化酶, 它们的一个显著特点是发酵不被O2抑制,即它们 巴斯德效应.有人对应用这样的突变株使木屑发酵 产生酒精很感兴趣.对于大规模的酒清生产,使用 这些突变株有何优点?为什么细胞色素c氧化酶的 缺乏会消除巴斯德效应(当加入氧时,葡萄糖的消 耗减少)? 3.加入寡霉素到线粒体中会显著降低电子传递速 度及ATP形成速度.接着加入DNP则增加电子传递 速度而ATP形成速度不变,寡霉素抑制什么? 4.当供给充分的底物异柠檬酸、无机磷、ADP和 氧，分别用鱼藤酮、抗霉素A和氰化物作为抑制 剂时，线粒体中的NAD、NADH脱

11、氢酶、细胞色 素c、细胞色素b、细胞色素a的氧化还原状态？44严选课件 5.利用基因敲除技术使小鼠缺乏腺苷酸交换体， 小鼠能够生存，但具有以下病理特征： （1）血清中含有高水平的乳酸、丙氨酸和琥珀酸 。 （2）电子传递几乎没有 （3）线粒体内过氧化氢的水平是正常的3倍 解释以上现象 6.最近人们对一种来自食用海藻体内的物质 岩藻黄质的研究发现，大鼠和小鼠在摄入岩藻 黄质后，可导致白色脂肪组织内的解偶联蛋白1 （UCP1）表达，而UCP1只在褐色脂肪组织中 表达，褐色脂肪组织在成人体内几乎已不存在 。对于这样的发现有什么意义？ 45严选课件 7.ATP合酶的F0亚基质子通道的功能可受到二 环已基

12、碳二亚胺(DCCD)对其单一侧链基团的 修饰而被阻断.受DCCD作用的最有可能的氨基 酸残基是哪些?如何使用定点突变的手段加以 验证? 8.假定你在pH7.0的无营养溶液中分离到一种 大肠杆菌的悬液.这些细胞不能合成ATP.如果 你突然在溶液中加入盐酸,使溶液pH降到4.0,那 么细胞内的ATP水平会有什么变化?这种变化 是暂时的还是持续的? 46严选课件 第二部分 代谢 分解代谢（catabolism，异化作用）或称 降解,即营养物或细胞组分被分解来补救 它们的成份和产生能量。 合成代谢（anabolism，同化作用）或称 生物合成，即从简单的成份合成生物大分 子。 通常分解代谢的反应是营养

13、分子的放能反 应，由之释放的自由能用来驱动像合成代 谢反应、机械做功及克服浓度梯度进行分 子的主动运输等跨年度能过程。 47严选课件 三羧酸循环 糖脂肪 氨基酸 丙酮酸 乙酰COA 草酰乙酸 戊糖磷酸途径(提供NADPH) 糖 酵 解 乙醛酸循环 糖 异 生 脂肪酸合成 脂肪酸分解 48严选课件 49严选课件 50严选课件 51严选课件 52严选课件 53严选课件 54严选课件 55严选课件 56严选课件 57严选课件 58严选课件 糖酵解与糖异生三个不可逆反应 (1)葡萄糖6-磷酸葡萄糖,已糖激酶催化 6-磷酸葡萄糖葡萄糖,葡萄糖6-磷酸酶催化 (2)果糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸,磷酸

14、果糖激酶 催化 果糖-1,6-二磷酸果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸 酶催化 (3)磷酸稀醇式丙酮酸丙酮酸,丙酮酸激酶催化 丙酮酸草酰乙酸苹果酸磷酸稀醇式丙酮酸, 分别由丙酮酸羧化酶,磷酸稀醇式丙酮酸羧激酶催 化. 59严选课件 糖酵解与糖异生的调节作用 当葡萄糖缺乏时,血液中的胰高血糖素启 动环-AMP的级联效应使果糖二磷酸酶激 活,而使磷酸果糖激酶-2受到抑制,结果使 果糖2,6二磷酸减少,反之.葡萄糖过剩,果 糖2,6二磷酸含量上升,使糖酵解加速而使 糖异生作用减弱. ATP,AMP,柠檬酸对两个途径的调节 60严选课件 1 2 3 4 5 6 7 8 0 61严选课件 （2 2）三

15、羧酸循环支路三羧酸循环支路 异柠檬酸异柠檬酸 柠檬酸柠檬酸 琥珀酸琥珀酸 苹果酸苹果酸 草酰乙酸草酰乙酸 CoASH 乙酰乙酰CoA 乙乙 醛醛 酸酸 乙酰乙酰CoA CoASH 62严选课件 只有一些只有一些植物和微生物植物和微生物有这样的途有这样的途 径；径； 异柠檬酸异柠檬酸 琥珀酸琥珀酸 乙醛酸乙醛酸 CH2COOH CHCOOH C H COOHOH CH2COOH C H2 COOH CHO COOH + CHCOOH C H 2 COOH OH CHO COOH + CH 3COSCoA+ CoASH 乙醛酸乙醛酸 乙酰乙酰CoA 苹果酸苹果酸 63严选课件 这种途径对于植物和微

16、生物意义重大！这种途径对于植物和微生物意义重大！ 两分子乙酰两分子乙酰CoA只产生只产生2分子分子NADH 和和1分子分子FADH2，意义不在于产能意义不在于产能 ，在于生存，在于生存。 .种子发芽 64严选课件 糖异生糖异生 脂脂 代代 谢谢 65严选课件 原始细菌生存原始细菌生存 乙酸菌乙酸菌 以乙酸为主要食物的细菌以乙酸为主要食物的细菌 （物质循环中的重要一环）（物质循环中的重要一环） 乙酸乙酸 NH3 乙醛酸循环乙醛酸循环 四碳、四碳、 六碳化六碳化 合物合物 转化转化 + ATP +CoASH + H2O +AMP +PPi 乙酰乙酰CoA合成酶合成酶 66严选课件 酶辅基抑制剂激活

17、剂 糖酵解 磷酸葡萄糖异 构酶 磷酸果糖激酶ATP 柠檬酸果糖-2,6-二磷酸 AMP 醛缩酶 磷酸丙糖异构 酶 磷酸甘油醛脱 氢酶 巯基碘乙酸胺 磷酸甘油激酶 磷酸甘油变位 酶 烯醇化酶氟化物 丙酮酸激酶 CO2ATP 丙氨酸 F+ 果糖-1,6-二磷酸 67严选课件 糖异生丙 酮 酸 羧 化 酶 生物素ADP 乙酰CoA 磷 酸 烯 醇 式 丙 酮 酸 羧 激 酶 果糖-1,6-二 磷酸酶 果糖-2,6-二 磷酸 柠檬酸 葡萄糖-6-磷 酸酶 68严选课件 三羧酸循环丙酮酸脱氢酶复合 体 (丙酮酸脱氢酶 二氢硫辛酰转乙酰 基酶二氢硫辛酸 脱氢酶) CO2 辅酶 硫辛酰胺 g2+ 乙酰CoA

18、 砷化物碘乙酸胺 a2+ NAD+ CoA 柠檬酸合酶柠檬酸NADH 琥珀酰CoA 丙酮酰CoA 乙酰CoA草酰乙 酸 乌头酸酶氟乙酸 异柠檬酸脱氢酶CO2g2+ Mn2+NADH ATPADPa2+ -酮戊二酸脱氢酶 复合体(-酮戊二酸 脱氢酶二氢硫辛 酰转琥珀酰酶二 氢硫辛酸脱氢酶) CO2 辅酶 硫辛酰胺 g2 NADH 琥珀酰CoA 砷化物碘乙酸胺 a2+ 琥珀酰-CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶丙二酸 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 69严选课件 70严选课件 71严选课件 72严选课件 分解三个酶:糖原磷酸化酶,糖原脱支酶,磷 酸葡萄糖变位酶,葡萄糖-6-磷酸酶 合成三个酶:UDP-葡萄糖焦磷

19、酸化酶,糖原 合酶,糖原分支酶,磷酸葡萄糖变位酶 73严选课件 74严选课件 75严选课件 76严选课件 葡萄糖-6-磷酸 三羧酸循环 磷酸戊糖途径 糖原合成 77严选课件 糖代谢习题 1.如果用14C标记葡萄糖的1或者3或者5位 碳,将该标记的葡萄糖加入酵母系统,产生 乙醇和CO2,问产物的哪个碳原子被标记? 2.用14C标记甘油醛-3-磷酸的一个碳原子, 并加入到酵母提取液中.短时间温育后,果 糖-1,6-二磷酸的C-3和C-4位含有14C标记. 试问14C最初标记在甘油醛-3-磷酸的什么 部位?果糖-1,6-二磷酸的第二个标记从哪 儿获得? 78严选课件 3.假如你把甲基标记的丙酮酸加入

20、到线粒体制 剂,它转变成乙酰-COA进入柠檬酸循环中.(1) 在第一轮循环后,14C标记将出现在草酰乙酸的 什么部位?(2)在第二轮循环后,14C标记将出现 在草酰乙酸的什么部位?(3)这个标记的碳经过 多少轮循环才能将同位素以14CO2的形式释放 出来? 4.虽然动物不能从乙酰COA合成糖,但是,如果 用14C标记的乙酸喂养大鼠,14C标记会出现在 从它的肌肉中抽提的糖原分子中,请解释. 79严选课件 5.在厌氧条件下,肌肉中进行糖酵解为什么必须 将丙酮酸还原为乳酸? 6.假设你发现了一株突变酵母,其糖酵解途径比 野生型少一步,因为其存在一种新的酶可以直接 催化3-磷酸甘油醛+H2O+NAD

21、+3-磷酸甘油酸 +NADH+H+,这对该酵母在有氧和无氧情况下的 生存和ATP的合成造成什么影响? 7.已知酵母无细胞抽提物含有酒精发酵所需要 的全部酶,把这种抽提物加入到100ml含有 200mmol.L-1的葡萄糖,30mmol.L-1的 ADP,40mmol.L-1的ATP,2mmol.L-1的NADH, 2mmol.L-1的NAD+,以及20mmol.L-1的Pi介质中, 在无氧下保温. 80严选课件 (1)假定酒精只要一经形成就从保温介质中移走,那么 能形成的最大酒精量是多少? (2)一旦介质达到题(1)中所产生的酒精量后,下述哪种 变化最可能允许最大限度地产生酒精?(A)使介质中

22、 的葡萄糖浓度加倍(B)加入20mmol.L-1的甘油醛-3- 磷酸(C)加入20mmol.L-1的丙酮酸(D)加入ATPase (3)在发生(2)的变化后,能形成的最大酒精量是多少? 8.当14C-1标记的葡萄糖和14C-2标记的葡萄糖分别 加入到乳腺抽提物中时,从14C-1标记的葡萄糖释放 出14CO2的速度比从14C-2标记的葡萄糖释放出 14CO2的速度快.相反,肌肉组织抽提物当以14C-1标 记的葡萄糖作底物时,14CO2释放的速度则慢,解释 此现象? 81严选课件 9.碘乙酸胺是有效的巯基烷化剂,能抑制糖酵解途径 的特定步骤,写出该物质所抑制的反应,包括酶和辅酶 ,并说明抑制原因. 10.比较3分子的葡萄糖经糖酵解转变为丙酮酸产生 的ATP数与同样数量的葡萄糖进入磷酸戊糖途径后 再进入糖酵解途径所产生的ATP数. 11.一分子葡萄糖完全氧化可产生多ATP,若该葡萄糖 在它被分解代谢之前以糖原储,其后又被降解用于氧 化产生ATP,可产