大连理工大学生物化学课件-代谢总论

生物化学（下）1课程名称：生物化学（Biochemistry）使用教材：生物化学（第三版，王镜岩等）参考教材：生物化学原理（第三版，周海梦等译）学分学时：2.5/40（9-18周，共10周）课程性质：必修考核形式：考试+平时成绩一、课程信息2教学目的：掌握物质代谢与能量代谢及其调控方式（糖代谢、三羧酸循环、脂类代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢、生物氧化、物质代谢的联系与调节）掌握遗传信息的贮存、传递与表达（DNA的生物合成、RNA的生物合成、蛋白质的生物合成、基因的表达调控、基因重组与基因工程）二、教学目的和要求3有较好的生物学﹑物理学和化学方面的基础，能够将这些基础知识运用到生物化学的学习中，要求能从生物大分子的组成﹑结构和性质去认识结构与功能的关系物质代谢和能量代谢的关系以及代谢调节的意义基因信息传递的分子基础重组DNA和基因工程技术等教学要求：4三、教学的基本内容和重点☞

物质代谢（糖类、脂类、核酸和蛋白质）的代谢变化，重点阐述主要代谢途径（减少逐步化学反应的讲解）、生物氧化与能量转换、代谢途径间的联系、代谢调节的原理及规律；

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阐明中心法则所揭示的信息流向，包括DNA复制、RNA转录、翻译及基因表达调控；

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概要地介绍重组DNA和基因工程技术。5考查与期末考试相结合的方式平时成绩占30%：论文：20分要求2000~2500字，发表论文的格式学习态度、回答问题、出勤率等：10分期末考试成绩占70%（成绩不到42分——不及格）四、考核方式与要求6第一章新陈代谢与生物能学7主要内容一、新陈代谢概论二、新陈代谢研究方法三、新陈代谢的代谢途径四、生物能学简介（自学）五、高能化合物81、新陈代谢的概念新陈代谢(metabolism)：生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。一、新陈代谢概论生物一方面，不断从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身成分，即同化作用(assimilation)；

合成代谢(anabolism):小而简单的前体被构造成大而复杂的分子，如糖类、脂类、蛋白质和核酸。需要能量，一般由ATP提供，也由NADH、NADPH和FADH2提供的。9另一方面，将原有复杂成分经一系列生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即异化作用(dissimilation)；

分解代谢(catabolism)：有机营养分子（糖类、脂肪和蛋白质）被转化为更小、更简单的终端产物（乳酸、CO2、NH3）并释放能量，其中一些能量保存在ATP，NADH、NADPH和FADH2中。通过上述过程，使生物体既能保持自身的稳定，又能不断得到更新，以适应环境。

10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新陈代谢

(metabolism)：生物体内所有化学变化的总称信息交换11☞捕获太阳能或降解从周围环境中获得的营养物质来获得化学能；☞把营养物质转化为自身结构元件（细胞自己的特征分子），包括生物大分子的前体分子；☞将结构元件装配成自身的大分子，如蛋白质、核酸等；☞合成或降解细胞特殊功能所需要的生物分子；☞提供生命活动所需要的所有能量。2、新陈代谢（metabolism）的功能

新陈代谢是高度协调的细胞活动，有很多多聚酶系统（代谢路径）协调合作来完成其功能。123、能量代谢在新陈代谢中的重要地位——分解代谢和合成代谢之间能量关系富含能量的营养物质糖类、脂类、蛋白质分解代谢能量释放以后的终产物CO2、H2O、NH3ADP+PiNAD+NADP+FADATPNADHNADPHFADH2合成代谢细胞大分子蛋白质、多糖脂质、核酸前提分子氨基酸、脂肪酸单糖、含氮碱基13生物界能量传递及转化总过程14光合自养生物异养生物生物圈中自养界（光合作用）与异养界之间的CO2和O2循环自养生物（autotroph）：能以CO2作为自身基本碳源的生物。异养生物（heterotroph）：依靠外界有机物而存活的生物。生物物种根据从环境中摄取碳的化学形式分为生物圈中碳的转化量41011吨/年15大气中的N2固氮细菌硝化细菌反硝化细菌动物氨基酸硝酸盐、亚硝酸盐氨植物生物圈中的氮循环164、新陈代谢的调节生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其体内、外复杂的环境变化，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。代谢调节可分为三个不同水平：☞分子水平☞细胞水平☞整体水平175、代谢中常见的有机化学反应机制☞基团转移反应☞氧化-还原反应☞消除、异构化和重排反应☞碳-碳键的形成与断裂反应18酶催化，反应特异、灵敏；反应条件温和、有序、代谢途径逐步进行、彼此协调；高度适应周围环境。6、新陈代谢的特点体外化学反应？19二、新陈代谢的研究方法1、活体内(invivo)水平的代谢研究2、体外(invitro)水平的代谢研究3、整体水平的研究4、器官水平的代谢研究5、细胞、亚细胞水平的代谢研究20单细胞生物多细胞生物病毒(virus)噬菌体(bacteriophage)病毒和噬菌体介于生物和非生物之间，只有寄生于生物细胞中，才能表现代谢等生命现象。新陈代谢研究的具体对象——活细胞中所有化学变化211、活体内(invivo)水平的代谢研究——应用同位素示踪法(isotopictracertechnique)或荧光标记常用的放射性同位素半衰期氚（3H）12年碳14（14C）5100~5730年磷32（32P）14天碘131（131I）8天钙45（45Ca）152天硫35（35S）88天22抑制剂或抗代谢物2、体外(invitro)水平的代谢研究

——应用酶抑制剂和结抗物生物体内的反应都是酶促反应，因此使用某种酶的抑制剂或抗代谢物，观察某一反应被抑制后的结果，从而推测某物质在体内的代谢变化。A+BC+？推测23如，(Knoop)以活的动物犬为试验对象，给犬饲喂不同碳原子数的脂肪酸后，分析它的排泄物成分，提出了脂肪酸-氧化作用的学说。3、整体水平的代谢研究24如，排尿素动物尿素合成部位的研究。切除动物的肝脏，发现动物血液中氨基酸水平和血氨水平均升高，而尿中尿素含量下降，动物不久即死亡。切除肾脏却无此现象，说明肝脏与尿素合成有关。4、器官水平的代谢研究25组织匀浆液

离心（差速，密度梯度）

分离亚细胞成分

不同亚细胞成分含不同酶系，功能不同发现糖类、脂类物质的分解代谢主要在线粒体中进行脂肪酸的合成主要在胞浆中进行5、细胞、亚细胞水平的代谢研究26代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应称为代谢途径。三、新陈代谢的代谢途径27代谢途径的特点：1、没有完全可逆的代谢途径：物质的合成与分解，有的要完全不同的两条代谢途径（如脂肪酸的代谢）来完成；有的要部分地通过单向不可逆反应（如糖代谢）来完成。2、代谢途径的形式多样：有直线型，分支型，环形。3、代谢途径有确定的细胞定位：酶在细胞内有确定的分布区域，所以每个代谢过程都是在确定的区域内进行。如，糖酵解在细胞质中进行，三羧酸循环在线粒体基质中进行，氧化磷酸化在线粒体内膜上进行。284、代谢途径是相互沟通的：各代谢途径间，可通过共同的中间代谢物而相互交叉，也可通过过渡步骤相互衔接，而构成复杂的代谢网络。5、代谢途径之间有能量关联：合成代谢消耗能量，分解代谢释放能量。ATP为能量载体。296、代谢途径的流量可调控：机体通过控制物质代谢的流量来实现所需的能量或代谢物。代谢过程可通过控制酶的活力与数量来实现。每个代谢途径的流量，都受反应速度最慢的步骤的限制，这个步骤称为限速步骤或关键步骤，这个酶称为限速酶或关键酶。限速步骤一般是代谢途径或分支的第一步，这样可避免有害中间产物的积累。限速步骤一般是不可逆反应，其逆过程往往由另一种酶催化。限速酶的活性和数量，往往受多种机制的调节，最普遍的是反馈抑制，即代谢终产物的积累对限速酶产生抑制。30生物大分子的分解有三个阶段：水解产生构件分子、氧化分解产生乙酰辅酶A、乙酰辅酶A进一步氧化成二氧化碳和水。在这个过程中，随着结构层次的降低，倾向产生少数共同的分解产物，即具有趋同性。意义：分解代谢是释放能量的过程。第一阶段放能很少，第二阶段约占三分之一，可推动ATP、NADH、NADPH和FADH2的合成，作为能量载体向体内的耗能过程提供能量。第三阶段通过三羧酸循环和氧化磷酸化释放其余的能量，主要用于ATP的合成。三羧酸循环形成二氧化碳和还原辅酶，后者在氧化磷酸化过程中释放能量，形成ATP和水。7、分解代谢的阶段性和趋同性31生物分子结构的多层次性决定合成代谢的阶段性。首先由简单的无机分子(CO2、NH3、H2O等)合成生物小分子（单糖、氨基酸、核苷酸等），再用这些构件合成生物大分子，进而组装成各种生物结构。

趋异性是指随着合成代谢阶段的上升，倾向于产生种类更多的产物。8、合成代谢的阶段性和趋同性32赖氨酸（Lysine）苏氨酸（Threonine）色氨酸（Tryptophane）异亮氨酸（Isoleucine）苯丙氨酸（Phenylalanine）亮氨酸（Leucine）蛋氨酸（Methionine）缬氨酸（Viline）组氨酸（Hlstidine）精氨酸（Argnine）9、合成代谢的营养依赖性人类不能合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能从食物中摄取的物质，称为是必需的。如氨基酸中有10种是必需氨基酸，维生素和某些不饱和脂肪酸也是必需的。331）模板指导组装核酸和蛋白质的合成。如DNA的复制、转录以及反转录、翻译都是在模板指导下的聚合过程。所需的信息存在于模板分子的构件序列中，能量来自活化的构件分子或ATP等。生物大分子形成高级结构并构成亚细胞结构是自我组装过程，其信息存在于一级结构中，其能量来自组装过程中释放的自由能。2）有些构件序列简单均一的大分子通过酶促组装聚合而成。其信息指令来自酶分子，不需要模板。如糖原、肽聚糖、一些小肽等，都在专一的酶指导和催化下合成。10、合成代谢的信息来源

生物大分子有两种组装模式34四、生物能学简介（自学）一、有关热力学的一些基本概念二、自由能的概念三、化学反应中自由能的变化和意义四、生物体的能流和能量产生的三个阶段351、有关热力学的一些基本概念体系、环境、状态能的两种形式—热与功热力学第一定律和内能(internalenergy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy)36有关定律热力学第一定律：能量守恒定律热力学第二定律：熵定律自由能：ΔG=ΔH-TΔSΔG:自由能变化ΔH：总热能变化ΔS：总体熵的改变ΔG＜0时，体系的反应能自发进行(为放能反应)；ΔG＞0时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行(为吸能反应)；ΔG=0时，表明体系已处于平衡状态。372、自由能（freeenergy）物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*(体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：ΔG<0，反应能自发进行ΔG>0，反应不能自发进行ΔG=0，反应处于平衡状态。自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。383、化学反应中自由能的变化和意义

1、化学反应的自由能变化的基本公式

ΔG=ΔH-TΔS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应ΔG′°变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定39化学反应自由能的变化和平衡常数的关系

假设有一个化学反应式：aA+bB=cC+dD恒温恒压下：ΔG′=ΔG′°+RTlnQc式中：ΔG′°=-RTlnKeq

ΔG′—某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的