第10章 代谢总论.ppt

1、1，第10章，新陈代谢的一般原理，2，主要内容，新陈代谢的概念和功能，内容，电子载体和三磷酸腺苷新陈代谢的研究方法，3，新陈代谢也称为新陈代谢：一种高度协调和有目的的化学反应，发生在活细胞中，由酶催化(生物体中所有化学变化的总称)。它主要包括：将太阳能或环境中富含能量的营养物质转化为可用的化学能；将营养分子转化为细胞自身所需的分子，包括大分子所需的前体；将小分子前体聚合成蛋白质、核酸和多糖；合成和降解具有特定细胞功能的生物分子。4，10.1生物圈构建了生物体之间的相互依存关系。1.代谢多样性反映了生物的多样性。虽然大多数生物细胞的主要代谢途径是相同的，但不同的生物或细胞在进化过程中通过其选择的

2、途径而特化，从而赋予它们代谢的多样性。根据对碳的需求，生物可分为自养生物和异养生物：自养生物：能够利用大气中的CO2作为唯一碳源并将其转化为所需含碳化合物的生物；异养生物：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获取相对复杂的有机碳(如葡萄糖)，并将其转化为自身所需的含碳化合物；根据能量的来源，生物分为光营养生物和化学营养生物：光营养生物：能够利用光作为能量的光合作用生物；生物营养有机体：使用有机化合物作为能源；根据氧是否作为电子受体产生能量，可分为需氧生物、厌氧生物和兼性厌氧生物。原核生物比真核生物具有更大的代谢多样性。原核生物可分为化学能异养、光能自养或化学能自养；真核生物：原生动物、真菌、植

3、物和动物；真菌和动物是异养的，植物是光能自养的。8，2，生物圈中的代谢循环，(1)能量流动和碳氧循环，光自养生物利用光能将CO2和H2O同化为有机物；异养生物利用光合细胞合成的有机产物作为能量分子和前体来合成自己独特的生物分子，而CO2作为异养生物碳代谢的最终产物，返回到大气中并被光自养生物重新利用。生物圈中的能量流动是在碳循环中进行的，驱动碳循环的动力是光能；9，碳循环，10，(2)氮循环，氮是生物的关键元素，也是蛋白质和核酸的组成部分；在无生命的环境中，氮在大气中以N2的形式出现，在土壤和海洋中以NO3-。原核生物的固氮作用：N2被还原为氨离子NH4，氨离子NH4随后被结合到碳骨架中，并转

4、化为有机氮用于生物利用；硝化细菌：将NH4转化为NO3-；将NO3-转化为N2的植物：同化NH4和NO3-形成氨基酸等。动物：利用含氮物质释放NH4和含氮有机物质，11，氮循环，12，10.2分解代谢和合成代谢，代谢目标物质能量物质合成和分解能量转换，储存和释放代谢过程分解代谢：产生能量并为合成代谢提供前体合成代谢：利用分解代谢前体分析和合成所需的生物分子需要能量。13。有机营养物通过一系列反应步骤转化成更小更简单的物质的过程称为分解代谢。有机养分通过分解代谢的过程大致可分为三个阶段。在第一阶段，营养物质的大分子被分解成小分子；第二个阶段是将各种小分子进一步转化成一些普通物质；第三阶段包括两种

5、常见的代谢途径：柠檬酸循环和氧化磷酸化。这一阶段是三磷酸腺苷形成的主要阶段。分解代谢的显著特征是趋同；大多数分解代谢反应是氧化反应，通常释放能量，释放的化学能通常以三磷酸腺苷的形式被捕获；1.分解代谢(异化)，14。2.合成代谢(同化)。生物体从小分子或大分子的结构元素构建自己的大分子的过程称为合成代谢，也称为生物合成。合成代谢的显著特征是其向性。代谢反应通常需要能量，三磷酸腺苷(腺嘌呤三磷酸)和NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)提供能量。新陈代谢是指生物与其周围环境之间的物质交换和能量交换的过程。生物体的新陈代谢，生物大分子分解为生物大分子释放能量(为了合成代谢和生理运动的需要)，生物大

6、分子合成为生物大分子需要能量(来自分解代谢、光、热等)。)、分解代谢(异化)、合成代谢(同化)、物质替代、16、分解代谢和合成代谢途径之间的能量关系、分解代谢(。合成代谢(还原，能量吸收)，碳水化合物脂肪蛋白质，细胞大分子，生产营养素，蛋白质多糖脂质核酸，氨基酸糖脂肪酸碱基，前体分子，17，3，合成代谢和分解代谢，分解代谢和合成代谢有相反的作用，但它们是相互关联的，即一个过程的产物为相反的过程提供底物，许多代谢中间产物被两个过程共享；这种可以共同使用的代谢联系被称为两栖角闪体途径。柠檬酸循环可视为一种典型的双重目的代谢途径。两用代谢途径的存在使人体细胞的代谢更加灵活。任何物质生物合成所需的能量

7、都超过了该物质分解代谢所产生的能量，否则生物体可能会变成一个永动机。代谢的调节可以大致分为三个不同的层次：分子层次的调节包括反应物和产物的调节(主要是浓度调节和酶的调节)；细胞水平的调节主要是由于细胞的特殊结构，这使得酶的作用有严格的定位和组织；调节的总体水平主要包括激素调节和神经调节。新陈代谢和生物能学自由能对生物体来说意义重大，因为它不仅可以用来判断生物体中的一个过程是否可以自发进行，而且生物体做功所用的能量也是体内生化反应释放的自由能。生物氧化提供的能量只是身体可利用的自由能。吉布斯称能用来做功的能量为自由能。20，自由能变化，自由能变化(g):产物和反应物的自由能之差与反应转化过程无关

8、。标准自由能的变化范围为298千欧，101.3千帕，反应物浓度为1摩尔/升.生化反应中标准自由能的变化(克):298千帕，101.3千帕，反应物浓度1摩尔/升，酸碱度=7。21，自由能，自由能(g):指在反应系统中能做功的那部分能量。自由能对生物体来说很重要，它不仅可以用来判断生物体中的某一过程是否可以自发进行，而且可以用来在生物体中做功的能量是体内生化反应释放的自由能。1878年，乔赛亚威拉德吉布斯结合热力学第一定律和第二定律提出了自由能公式：G=H-TS G代表自由能的变化，H代表焓的变化，S代表熵的变化。22，如a b c d g=(GC GD)-(ga GB)g=G0 RTL NCD/

9、abg0反应不能自发进行，因此它需要提供能量。自由能的变化与生化反应有关，而g的反应只取决于反应物的自由能(初始状态)和产物的自能(最终状态)，而与反应路径和机理无关。g是判断一个化学反应是否能朝某个相反方向进行的基础，与反应速度无关。，23，生物化学中能量学应用的一些规定，1。水的浓度(接近活性)为1.02，酸碱度=0.0(即氢=1M)，标准自由能变化为G0标准条件酸碱度=7.0。此时，标准自由能变化为G0 3 pH 7.0，因此不推荐用G0值4来表示标准自由能变化，单位为焦耳或kJmol-1。氧化还原电位氧化还原反应：电子从一种物质转移到另一种物质的任何化学反应。提供电子的分子称为还原剂，

10、接受电子的分子称为氧化剂。失去电子后，物质被氧化，然后得到电子，然后氧化还原电位降低(E):在氧化还原反应中，自由能的变化与反应物放出或得到电子的趋势成正比，这用数字表示。标准氧化还原电位：在25，pH0，压力101.3千帕，所有反应物和产物的浓度为1摩尔-1时，半反应的电极电位。E:ph 7时的标准氧化还原电位E=标准氧化电极电位(电子受体)标准还原电极电位(电子供体)E值越小，电负性越大，电子供体的趋势越大，即还原能力越强，E值越大，电负性越大，获得电子的趋势越大，即氧化能力越强。电子总是从较低的氧化还原电位(即较小的e值)流向较高的电位(即氧化还原电位和自由能，即在生物化学反应中由G-n

11、Fe n-f法拉第常数(96.403kJmol-1)转移的电子数)，自由能的这种变化意味着系统转移电子的能力。27、10.4生物氧化还原反应的电子载体，糖类、脂类和蛋白质等含碳有机分子的降解和氧化是物质分解代谢的主要内容；代谢有机物氧化分解的主要途径，如糖酵解、脂肪酸氧化、氨基酸氧化分解和柠檬酸循环；有机化合物在酶的催化下氧化脱氢，产生的电子是生物体的主要能量来源。28，在生物体中，有许多氧化的反应物分子，它们在相应的脱氢酶的催化下再生；只有少数电子受体作为氧化反应。这些受体可以作为不同酶的辅酶参与不同的反应。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)是主要的电子载体。黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二

12、核苷酸(FAD)也是重要的电子载体。辅酶(氧化的)(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)辅酶(还原型的)(氧化的)辅酶(还原型的)黄素腺嘌呤二核苷酸(还原型的)黄素单核苷酸(氧化的)黄素单核苷酸(还原型的)，生物氧化反应中的电子载体，辅酶(还原型的)辅酶(还原型的)，以一个氢和两个电子(氢阴离子氢-)，烟酰胺(还原型的)的形式将其自身的能量转移到生物合成的需要能量的反应中NAD(烟酰胺嘌呤二核苷酸)和NADP(烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸酯)维生素PP(B5)/烟酸烟酰胺，31，AH2 NAD A NADH，NAD收集分解代谢释放的电子并与产生能量的氧化分解代谢相关，接收一个H和两个电子(2e)，32，NADPH

13、为合成代谢、还原底物、合成代谢、分解代谢、氧化前体、氧化产物和还原产物提供还原能力，33，FMN(黄素单核苷酸)和FAD(黄素腺嘌呤) 高能硫酯键、10.5三磷酸腺苷和磷酸基团转移，高能磷酸化合物具有易水解的磷酰基，并能释放大量的自由能磷酸化合物。一般来说，在水解过程中，自由能超过-25kjmol-1的键被释放为“高能键”。“高能键”是指水解后释放的大量自由能，“键能”是指破坏化学键所需的能量。，36，37，生物体内高能化合物的类型，38，生物体内高能磷酸盐化合物：三磷酸腺苷，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。三磷酸腺苷是最重要的高能磷酸化合物，而其他高能化合物只能

14、作为高能磷酸基团(P)的供体，将P转移到ADP生成三磷酸腺苷，很少直接参与其他能量吸收反应。由一个分子腺嘌呤、一个分子核糖和三个相连的磷酸基团组成。三磷酸腺苷分子中的三个磷酸基团是、和磷酸基团，它们依次来自分子中与腺苷基团相邻的磷酸基团。磷酸基团和腺苷之间的键称为磷酸键，而磷酸基团和磷酸基团之间的键称为酸酐键。酸酐键是高能键。三磷酸腺苷的结构中，酸酐键容易水解并释放自由能，其原因是：(1)酸酐键之间的不稳定性是由于磷酸基团之间相邻负电荷的相互排斥；三磷酸腺苷水解形成的ADP3-和HPO42-是混合共振，比三磷酸腺苷更稳定。在所有含磷酸基团的化合物中，三磷酸腺苷在能量转运中的位置和作用以及三磷酸

15、腺苷的G0(标准自由能变化)处于中间状态。它在磷酸基团的运输中充当中间介质。它可以转移到低和高磷酸基团。一种转移磷酸基团的“通用中间体”。三磷酸腺苷系统的动态平衡以及三磷酸腺苷的生产和利用处于相对稳定的平衡状态。细胞中有一种调节机制来维持三磷酸腺苷的相对稳定：调节三磷酸腺苷的生成以满足细胞的能量需求；调整可承诺量的利用率。三磷酸腺苷提供下列四个方面的能量需求：(1)它提供生物合成中化学工作所需的能量(2)它是生物体活动和肌肉收缩的能量来源(3)它提供营养物逆着浓度梯度穿过细胞膜进入生物体细胞所需的自由能(4)它确保基因信息在脱氧核糖核酸、核糖核酸和蛋白质生物合成中的正确传递，45，10.6研究代谢的方法。体内活性，体内实验室，体外，46，1。追踪代谢物的命运。同位素示踪法常用的放射性同位素有：氚(3H)、14C、131 I等。不影响化学性质并且非常容易确定。它已成为当前研究中不可或缺的手段。47，常用放射性同位素名称符号辐射种类半衰期氢3(氚)3H，T-12.26碳14 14C-5730天磷32