《生物化学》课件-第8章 新陈代谢

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Biochemistry生物化学第八章新陈代谢MicroLecture目录Contents概况分解代谢与合成代谢代谢研究方法及应用01020301概况一、概况1.新陈代谢的发现1614年，《静态医学术》中，Santorio描述了自己在进食、睡觉、工作、斋戒、饮酒及排泄等各项活动前后体重的改变，发现大多数摄入的食物最终都是通过所谓的“无知觉排汗”被消耗掉了。19世纪，LouisPasteur总结出酵解过程是由酵母细胞内他称为“酵素”的物质来催化的，证明了细胞中发现的化学反应和有机物与其他化学无异，都遵循化学的基本原则。一、概况1.新陈代谢的发现20世纪初，EduardBuchner首次发现了酶，这使得对新陈代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，也标志着生物化学研究的开始。Hanskrebs是新陈代谢的研究者之一，对新陈代谢的研究做出了重大的贡献：他发现了尿素循环，随后又与HansKornberg合作发现了三羧酸循环和乙醛酸循环。①使生物体从周围环境中获得营养物质一、概况新陈代谢是生物体内发生的用于维持生命的一系列有序的化学反应的总称。意义：2.新陈代谢的概念②将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件③将结构元件装配成自身的大分子④分解有机营养物质⑤提供生命活动所需的一切能量01030204一、概况2.新陈代谢的基本特征反应条件温和，大多数代谢反应都是在温和条件下进行，且绝大多数由酶催化。高度调控，代谢过程是由一系列的中间过程完成的，其表现出有条不紊的顺序及灵敏的自我调节，且各个中间反应相互协调、相互联系。代谢途径不可逆且多为限速步骤，尽管每条代谢途径有多数反应为可逆反应，但总存在一两步反应由于ΔG0′为极大的负值而不可逆，且这些步骤是代谢途径的限速步骤。代谢途径在真核细胞中有严格的细胞定位，真核细胞内部高度分室化，致使不同的代谢途径被限定在不同区域，这更有利于代谢途径的调控。02分解代谢与合成代谢二、分解代谢与合成代谢新陈代谢分为分解代谢（catabolism或catabolicreaction）和合成代谢（anabolism或anabolicreaction）。分解代谢也称异化作用，是指生物体内将大分子物质分解为小分子物质且最终变成排泄物排出体外，并伴随释放能量的过程。合成代谢也称同化作用，是指生物体从外界摄取物质并将它们转变成自身物质，并储存能量的过程。绿色植物利用光合作用把从外界吸收进来的水和二氧化碳等物质转化成淀粉、纤维素等物质，并把能量贮存起来，属于合成代谢。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢目的：为合成代谢反应提供所需的能量和反应物。过程第一阶段：生物大分子降解成单体小分子外源生物大分子通过消化作用降解，内源生物大分子则通过胞内酶催化降解，形成单体小分子。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢过程第二阶段：单体分子初步分解阶段此阶段为细胞提供了少量的ATP和一定数量的还原型辅酶（NADH和FADH2等）。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢过程第三阶段：乙酰CoA完全分解阶段这个阶段以底物水平磷酸化的方式产生了少量的ATP。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢过程第四阶段：氢的燃烧阶段还原型辅酶分子（NADH和FADH2）完全氧化，伴随H2O的生成和大量生物能ATP的释放。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢过程分解代谢主要生成3种终产物：CO2、H2O和NH3。化学能主要是以核苷三磷酸（ATP或GTP）和还原型辅酶（NADPH和FADH2）的形式保存。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢以ATP形式贮存的自由能的意义④在DNA、RNA和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确船体，ATP以特殊的方式起着递能的作用①提供生物合成做化学功时所需的能量②生物机体活动及肌肉收缩的能量来源③供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需的自由能在分解代谢的过程中，必须不断地从外界环境中摄取氧来氧化分解体内的有机物，释放出其中的能量，以便维持自身各项生命活动的进行。需氧型厌氧型在缺氧的条件下仍能够将体内的有机物氧化，从中获得维持自身生命活动所需要的能量。兼性厌氧型在氧气充足的条件下进行有氧呼吸，把有机物彻底分解为二氧化碳和水，在缺氧的条件下把有机物不彻底地分解为乳酸或乙醇和水。二、分解代谢与合成代谢1.分解代谢类型①生成前体分子，如氨基酸、单糖、类异戊二烯和核苷酸。②利用ATP水解所提供的能量，这些分子被激活形成活性形式。③活性形式的分子被组装成复杂的分子，如蛋白质、多糖、脂类和核酸。二、分解代谢与合成代谢2.合成代谢三个阶段能够直接从外界环境摄取无机物，通过光合作用，将无机物制造成复杂的有机物，并且贮存能量，来维持自身生命活动的进行。自养型异养型只能依靠摄取外界环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。兼性营养型有些生物（如红螺菌）在没有有机物的条件下能够利用光能固定CO2合成有机物并转化为自身的组成物质，来满足自己的生长发育需要；或在有现成的有机物时，这些生物就会利用现成的有机物来满足自己的生长发育的需要。二、分解代谢与合成代谢2.合成代谢类型相互促进相互发展关系：区别：二、分解代谢与合成代谢3.分解代谢与合成代谢的关系分解代谢是分解有机物的放能反应合成代谢是合成有机物的储能反应。二、分解代谢与合成代谢3.分解代谢与合成代谢的关系光合作用是典型的合成代谢案例绿色植物和藻类利用CO2和H2O，或带紫膜的嗜盐古菌利用H2S和H2O，经过光反应和暗反应，在可见光的照射下转化为有机物，并释放出O2或H2的生化过程。二、分解代谢与合成代谢3.分解代谢与合成代谢的关系高等植物和动物的有氧呼吸是典型的分解代谢案例细胞在有氧的参与下，通过酶的作用，糖类、脂肪和蛋白质都可以作为反应物而被处理和消耗，然而在糖酵解作用下降解成丙酮酸；丙酮酸经过一系列反应分解成CO2和还原氢[H]，并释放少量能量；进一步地，还原氢[H]经过一系列反应，与氧结合生成水，同时释放大量的能量。03代谢研究方法及应用三、代谢研究方法及应用体内研究体内研究是对生物整体、器官、组织或者活细胞及微生物细胞群进行的研究，可以通过药物喂养、活器官的分离或者培育等方法获得各种代谢信息。体外研究是以细胞质基质提取液为材料，通过分离提纯获得某物质，并在试管中进行研究。1.代谢研究的基本内容新陈代谢的研究主要是指研究某一中间代谢过程中的一系列酶促反应。根据实验材料的不同，可以将新陈代谢研究分为体内研究和体外研究。2.代谢研究的研究方法同位素示踪法同位素示踪法是指利用放射性同位素或者经富集的稀有稳定核素作为示踪剂，研究代谢过程中发生的化学、生物、环境和材料等领域科学问题的技术。目前，在生物化学领域广泛应用的放射性同位素主要有氚（3H）、碳14（14C）、磷32（32P）、碘131（131I）、硫35（35S）等。酶抑制剂酶抑制剂是指特异性作用于酶的某些基团，降低酶的活性甚至使酶完全丧失活性的物质。利用酶抑制剂阻断或者干扰正常的代谢途径，造成某一中间代谢物的积累，通过测定该中间代谢物或者终产物的含量变化，以此获得有关代谢途径和调节节点的信息。酶抑制剂又可分为可逆抑制剂和不可逆抑制剂。可逆抑制剂主要通过抑制剂与酶的非共价结合改变酶的的空间构象，不可逆抑制剂主要通过抑制剂与酶的共价键结合方式来调节酶的空间构象。酶抑制剂的作用原理简图突变体分析代谢通路在早期代谢研究中，科学家也通过酶基因的突变来阻断某一代谢通路和增加对应底物的积累，从而为研究代谢通路的物质变化顺序提供最直接的证据，并以此鉴定每一步代谢过程所对应的酶的生化功能。近年来，随着RNAi、基因敲除、基因编辑等技术在生物学领域的广泛应用，由这些技术衍生的基因定点突变也逐渐代替物理化学诱变，成为代谢通路研究的关键技术。3.代谢组学代谢组学（metabolomics）是继基因组学、蛋白质组学、转录组学后出现的，主要针对生物体（细胞）中维持正常生长发育和参与新陈代谢过程中的代谢产物进行定性和定量分析的一门新兴组学学科。核磁共振（NMR）、液相色谱质谱（HPLC-MS，UPLC-MS/MS）、气相色谱质谱（GC-MS，GC-MS/MS）、液相-核磁-质谱（HPLC-NMR-MS）、电泳质谱（CE-MS）、等离子体质谱（ICP-MS）等联用技术。①植物基因功能研究；②疾病诊断方面；③制药业；④微生物领域；⑤毒理学研究；⑥食品及营养学。定义技术应用气相色谱-质谱联用在代谢组学研究中的应用气相色谱的流动相为惰性气体，气-固色谱法中以表面积大且具有一定活性的吸附剂作为固定相。当多组分的混合样品进入色谱柱后，由于吸附剂对不同组分的吸附力不同，经过一定时间后，各组分在色谱柱中的运行速率不一样。吸附力弱的组分容易被解吸下来，最先离开色谱柱从而进入检测器中，而吸附力最强的组分最不容易被解吸下来，最后离开色谱柱。因此，各组分得以在色谱柱中彼此分离，顺序进入检测器中被检测、记录下来。原理应用气相色谱-质谱联用仪代谢组学研究方法及应用液相色谱不受样品挥发度和热稳定性的限制。液相色谱一般在室温下即可操作，偶尔为了提高柱效或改善分离才会在较高的温度下操作，但最高也不超过流动相溶液的沸点，所以只要待测物质在流动相溶剂中有一定的溶解度，便可上柱分析。因此，液相色谱适合于那些沸点高、极性强、热稳定性差的化合物，如生化物质和药物、离子型化合物及热稳定性差的天然产物等。应用液相色谱-质谱联用在代谢组学研究中的应用液相色谱-质谱联用仪核磁共振（nuclearmagneticresonance，NMR）技术是一种无偏的、普适性的分析技术，样品的前处理简单，测试手段丰富，包括液体高分辨NMR、高分辨率魔角旋转（HR-MAS）NMR和活体核磁共振波谱（MRS）技术等。采用核磁共振氢谱（H-NMR）代谢组学技术研究生物体在内因或外因影响下内源性小分子的变化，可以阐释病因病机，探讨药物对机体产生的内源性物质总体代谢的调控作用。应用核磁共振技术在代谢组学研究中的应用核磁共振仪代谢组学与基因组学联合分析全基因组关联分析（GWAS）指利用全基因组重测序或外显子测序技术获取数以百万计的SNP分子标记，与表型数据进行联合分析，从中筛选出与疾病相关的SNP，发现影响复杂性状的基因变异。与GWAS相比，mGWAS以代谢物替代表型，可获得更多、可量化的数据，广泛靶向代谢组技术联合基因组重测序技术在数据挖掘上有明显优势。群体重测序数据结合群体代谢组数据mGWAS代谢组学与蛋白质组学联合分析蛋白质组学：从整体水平上对细胞内蛋白质的组成、蛋白质与蛋白质的相互作用及不同蛋白的活动规律进行研究。代谢组学：通过定性描述和定量表征不同生物基质中小分子代谢物的变化，从而来探索生物体与细胞代谢相关的关键科学问题。代谢组学和蛋白质组学联合分析：是指对来自代谢组和蛋白质组的批量数据进行归一化处理及统计学分析，同时结合代谢通路富集、相关性等分析，实现下游代谢物变化与代谢酶调控机制的分子模型构建，从而为后续进行深入实验与分析提供数据基础。代谢组学与转录组学联合分析代谢组学与转录组学联合分析优势可针对特定的生理、病理等表型进行研究，利用转录组的数据获得大量差异表达的基因，与代谢组检测得到的差异代谢物进行关联分析，从而从原因和结果两个层次对生物体的内在变化进行分析，鉴定关键基因靶点、代谢物及代谢通路，构建核心调控网络，系统全面地解析疾病发生发展的复杂机制，从整体上解释生物学问题。转录组是获得生物体内基因表达的重要方法代谢组是生物体表型的基础和直接体现者同位素示踪法在代谢研究中的经典应用4.代谢研究的应用光合作用机制研究C14呼气检测幽门螺杆菌原理基因定点突变技术在代谢研究中的经典应用叶酸代谢相关基因定点突变案例特定种类（specie）植物的代谢物组学研究这类研究通常以某一植物为对象，选择某个器官或组织，对其中的代谢物进行定性和定量分析。0101代谢组学在植物研究中的应用植物代谢组学是全细胞代谢组学的一个相对独立的分支，目前的研究主要集中在环境因素变化后植物细胞中的代谢组分动态变化。不同基因型（genotype）植物的代谢组学表型研究一般需要两个或两个以上的同种植物（包括正常对照和基因修饰植物），然后应用代谢组学对所研究的不同基因型植物进行比较和鉴别。01