代谢总论与生物能学学习教案

1、会计学1代谢代谢(dixi)总论与生物能学总论与生物能学第一页，共50页。第八章 代谢(dixi)总论与生物能学教学目标要求理解新陈代谢的基本概念了解代谢中常见的有机反应机制。熟悉新陈代谢的研究方法。熟悉生物体内能量代谢的基本规律理解高能(gonng)化合物的概念，熟悉ATP的一般性质掌握G0及Keq 的计算第1页/共50页第二页，共50页。1新陈代谢1.1新陈代谢基本概念1)新陈代谢metabolism定义(dngy)生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。合成(hchng)代谢(anabolism)分解代谢(catabolism)小分子(fnz)大分子(fnz)需能放能大分子小分子能

2、量代谢物质代谢生物体的分解代谢与合成代谢采取不同的途径，且一般在不同的部位进行。第2页/共50页第三页，共50页。代谢(dixi)途径的区域化如：糖酵解在细胞质中进行(jnxng)，三羧酸循环在线粒体基质中进行(jnxng)，氧化磷酸化在线粒体内膜进行(jnxng)。第3页/共50页第四页，共50页。代谢反应是在温和的条件下进行的，由不同的酶催化。代谢过程由一系列的连续(linx)的化学反应构成，却有严格顺序。生物体内的代谢反应有灵活的自我调控步骤。生物的代谢体系是长期进化中逐步形成，逐步完善的。2）新陈代谢(xn chn dixi)的特点第4页/共50页第五页，共50页。代谢(dixi)途径

3、（metabolic pathway）体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连续的有严格顺序(shnx)的反应构成代谢途径。代谢途径的个别步骤称作中间代谢，个别步骤的产物称作中间产物。第5页/共50页第六页，共50页。代谢途径的一览图1点1线在1个途径的末端(m dun); 1点2线在1个途径的中间; 1点3线参与2个途径；其余类推。代谢(dixi)途径的区域化第6页/共50页第七页，共50页。1.2新陈代谢的生物(shngw)功能获得营养物质营养物质转变为结构元件，组装成生物大分子形成或分解(fnji)特殊功能所需的生物分子提供能量第7页/共50页第八页，共50页。 有机化学反应常涉及共价键的

4、断裂。 共价键断裂时，若两个电子分开，称作均裂断裂，产生不稳定(wndng)基团，常见于氧化还原反应。 1.3新陈代谢(xn chn dixi)中常见有机反应机制第8页/共50页第九页，共50页。 若两个电子不分开，称作异裂断裂，如C-H键断裂，电子对通常(tngchng)留在碳原子一侧（碳原子的电负性大于氢原子），形成碳负离子和氢离子。富电子的碳负离子为亲核基团，容易与缺电子的亲电基团发生反应。 若有氢负离子的受体存在，C-H键断裂时电子有可能(knng)留在氢原子一侧形成碳正离子和氢负离子。第9页/共50页第十页，共50页。 在生物化学反应中，通常(tngchng)为亲电基团从一个亲核体转

5、移到另一个亲核体常见的转移基团有酰基、磷酰基和葡萄糖基等。1）基团转移(zhuny)反应(grouptransferreaction)酰基化合物-X（1） 酰基转移(zhuny)酰基化合物-Y第10页/共50页第十一页，共50页。（2）磷酰基转移(zhuny)第11页/共50页第十二页，共50页。己糖激酶(jmi)第12页/共50页第十三页，共50页。（3）葡糖(p tn)基转移双取代：葡萄糖基上的的亲核体X先脱下，形成共振(gngzhn)稳定的碳正离子，其后亲核体Y-：进攻葡萄糖环上C1。单取代：Y直接取代X。 第13页/共50页第十四页，共50页。葡萄糖基的C1也相当于半缩醛分子的中心碳原

6、子，形成共振(gngzhn)稳定的碳正离子。酮在酸性(sun xn)条件下形成碳正离子 第14页/共50页第十五页，共50页。 实质是电子的得失，在生物化学反应中十分(shfn)普遍，从代谢物转移的电子，通过一系列的传递体转移到氧，并伴随能量的释放。2）氧化(ynghu)反应和还原反应 (oxidation and reduction)乳 酸第15页/共50页第十六页，共50页。第16页/共50页第十七页，共50页。 消除反应伴随碳-碳双键的生成，可通过协同机制、碳正离子机制或碳负离子机制完成，形成(xngchng)顺式或反式消除产物。 在生物化学中，常见的异构化反应是双键移位。如酮糖-醛糖互

7、变。 重排反应伴随碳-碳键的断裂和重生成，使碳骨架发生变化。3）消除(xioch)、异构化及重排反应第17页/共50页第十八页，共50页。（1） 消除(xioch)反应第18页/共50页第十九页，共50页。消除反应(fnyng)的立体化学第19页/共50页第二十页，共50页。（2）异构化反应(fnyng)1212双键移位，即分子(fnz)内氢原子的迁移 酮糖-醛糖互变 碱第20页/共50页第二十一页，共50页。 分解代谢和合成代谢以碳-碳键的形成与断裂为基础(jch)，常见的有： 4）碳-碳键的形成与断裂(dun li)反应（1） 羟醛缩合(suh)反应和羟醛裂解反应： 如果糖-1,6-二磷酸

8、裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。 醛缩酶第21页/共50页第二十二页，共50页。（2）克莱森酯缩合反应(fnyng)：如柠檬酸合酶催化的反应(fnyng)。 （3） -酮酸的氧化(ynghu)脱羧反应：如异柠檬酸的氧化(ynghu)脱羧。第22页/共50页第二十三页，共50页。1.4.1一般(ybn)方法 1） in vivo（体内(t ni)） （1）利用(lyng)异常代谢物的研究方法 提出了-氧化假说1904年 Knoop (CH2)nCOOHCOOH ，CH2COOH狗1.4中间代谢的研究方法第23页/共50页第二十四页，共50页。 微生物的营养缺陷型可以分为若干种亚型,每种亚型

9、由一种酶的缺陷造成，对比研究可以搞清代谢途径(tjng)。如途径(tjng)A B C D中B C 的酶缺失,则A和B会堆积, C D的酶缺失,则A，B和C会堆积。（2）利用患代谢障碍(zhng i)病的病人或生物进行代谢研究 排出体外停止A B C D E F第24页/共50页第二十五页，共50页。利用遗传(ychun)缺欠症研究代谢途径第25页/共50页第二十六页，共50页。（3）使用(shyng)酶的抑制剂 用酶的专一抑制剂阻断酶作用的某个(mu )特定环节，造成相关的中间代谢物积累，从而探明酶的作用。第26页/共50页第二十七页，共50页。2） in vitro（体外） （1）组织(z

10、zh)切片法 （2）组织(zzh)匀浆法 （3）组织(zzh)抽提液 第27页/共50页第二十八页，共50页。细胞(xbo)提取液的离心分离梯度离心对细胞成份(chng fn)进行分离 Fractionation of a cell extract by differential centrifugation. 第28页/共50页第二十九页，共50页。1.4.2同位素示踪法 3H， 14C， 32P， 35S， 125I （12.1年）（5568年）（14天）（87天）（60天） 用同位素可标记任何一种化合物的任何一个(y )原子，也能探察同位素在某种代谢物中所处的位置。第29页/共50页第三

11、十页，共50页。同位素示踪法 :用14C标记CO2，培养绿藻，提取液进行双向纸层析，放射(fngsh)自显影，发现放射(fngsh)性最早出现在3-磷酸甘油酸(PGA),随后出现在其他中间物。 第30页/共50页第三十一页，共50页。1.4.3核磁共振波谱(bp)技术：分子内处于不同环境中的 原子核的化学位移原理。 磷酸肌酸运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化(binhu)情况磷酸肌酸第31页/共50页第三十二页，共50页。 是通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、蛋白质分子的修饰和蛋白质分子相互作用的研究。质谱仪通过测定离子化生物(shngw)分子的质荷比便可得到相关分子的质量

12、。 （四）质谱技术(jsh)(Mass Spectroscope, MS) ： 普适性 高灵敏度 专一性特点(tdin)：局限：需要已知化学结构的标准化合物作为参照，难以确定化学结构未知的全新代谢产物。第32页/共50页第三十三页，共50页。2生物体内能量代谢的基本规律（生物能学）生物能学完全建立在热力学上。2.1热力学概念(ginin)1)热力学第一定律2)热力学第二定律(dngl)任何一种物理或化学过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵。能量(nngling)守恒定律熵（S）：指体系能量分散程度的状态函数。 S= S体系 + S环境 0一个体系过程发生进行时，其熵可能是降低的，但其周围环境

13、的熵必然增加，即它们的总和必是正值。第33页/共50页第三十四页，共50页。3)自由(zyu)能（free energy）与反应平衡常数自由(zyu)能指反应中可以被利用的能量，用“G”表示。(1) G（恒温恒压下体系自由(zyu)能变化） 设：A + B C + D + H H（焓变）：体系的内能与其全部(qunb)分子的压力和体积总变化之和。 G= H - T S G 0 反应不能自发进行。 G = 0 反应处于(chy)平衡状态。 G 0 反应能自发进行。第34页/共50页第三十五页，共50页。(2) G0 、 G0与Keq G0 （标准自由能变化）：相应(xingyng)于一系列标准条

14、件下（T为298K，压力1atm，所有溶液的浓度为1mol/L）下发生的反应的自由能变化。G0 ：pH=7时的标准自由能变化对于反应 aA + bB cC + dD G = G0 + RTlnCcDdAa BbKeq =Cc DdAa Bb当 G = 0时G0 = - RTln Keq = - 2.303RTlg Keq 第35页/共50页第三十六页，共50页。达平衡时 =Keq=19解：G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G+ RTlnQc (Qc-浓度(nngd)商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1

15、 =-13.6KJ.MOL-1未达平衡时 =Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果(rgu)反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应的 G是多少？例题(lt)：(3) G0与Keq 计算 第36页/共50页第三十七页，共50页。(4)偶联化学反应标准(biozhn)自由能变化具可加性Glc + PiGlc-6-p + H2O ATP + H2O ADP + Pi求 Glc + ATP Glc-6-p + ADP 的标准自由(zyu)能变化？G0 =+13.8kJ/mol

16、G0 = -30.5kJ/mol解：反应(fnyng)3为反应(fnyng)1与2之和，其标准自由能变化是反应(fnyng)1与2之和： 13.8kJ/mol + （-30.5kJ/mol）第37页/共50页第三十八页，共50页。3高能化合物随水解或基团转移反应可放出大量自由能（20.92kJ以上(yshng)）的化合物。3.1类型1)磷氧键型（-O-P-）酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸合物第38页/共50页第三十九页，共50页。(1)酰基磷酸(ln sun)化合物1,3-磷酸甘油酸乙酰磷酸(ln sun)10.1千卡(qink)/摩尔11.8千卡/摩尔第39页/共50页第四十页，共50

17、页。氨甲酰磷酸(ln sun)酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸第40页/共50页第四十一页，共50页。ATP焦磷酸7.3千卡(qink)/摩尔第41页/共50页第四十二页，共50页。磷酸(ln sun)烯醇式丙酮酸14.8千卡(qink)/摩尔第42页/共50页第四十三页，共50页。磷酸肌酸磷酸(ln sun)精氨酸10.3千卡(qink)/摩尔7.7千卡(qink)/摩尔2)氮磷键型（-N-P- ）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用第43页/共50页第四十四页，共50页。3-磷酸(ln sun)腺苷-5-磷酸(ln sun)硫酸酰基辅酶(f mi)A3)硫酯键型（活性硫酸(li sun)基）第

18、44页/共50页第四十五页，共50页。S-腺苷甲硫氨酸4)甲硫键型（活性甲硫氨酸）第45页/共50页第四十六页，共50页。第46页/共50页第四十七页，共50页。 在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能(shnng)，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+3.2ATP第47页/共50页第四十八页，