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1、高级生物化学,赵永斌 吉林师范大学,生物能量及ATP 代谢 基因表达调控 蛋白质及酶,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部分。,ATP的磷酸基因转移势能和其他一些磷酸化合物比较,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。,ATP合

2、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。,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,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。,电子传递,NADH氧化反应是高效放能的 1molNADH被O2

3、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,ATP的合成,ATP合成机制最有说服力的是1961年由Peter Mitchell 提出的化学渗透原理(chemiosmotic theory) 氧化磷酸化要求完整的线粒体内膜 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 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 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

4、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。,Peter Mitchell, 19201992,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Boyer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.,Paul Boyer,John E. Walker,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,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,苹果酸天冬氨酸穿梭malate-aspa

5、rtate shuttle,磷酸甘油穿梭Glycerophosphate shuttle,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,棕色脂肪组织解偶联产热,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,然而有氧代谢也有其缺点,许

6、多生物和组织仅仅依靠有氧代谢,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,细胞色素P450 超氧化物歧化酶SOD 2GSH+H2O2 GSSG+2H2O GSSG+NADPH+H+ 2GSH+NADP+,谷胱甘肽还原酶,谷胱甘肽过氧化物酶,光合磷酸化,2H2O O2+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ATP

7、还原CO2，并将CO2整合到糖的三碳前体分子中。,光,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pH也在下降，试解释此现象。,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

8、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脱氢酶、细胞色素c、细胞色素b、细胞色素a的氧化还原状态？,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

9、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？,7.ATP合酶的F0亚基质子通道的功能可受到二环已基碳二亚胺(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

10、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?,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。,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

11、,乙醛酸循环,糖异生,脂肪酸合成,脂肪酸分解,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.,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

12、,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,1,2,3,4,5,6,7,8,0,（2）乙醛酸循环三羧酸循环支路,三羧酸循环在异柠檬酸与苹果酸间搭了一条捷径。（省了6步）,异柠檬酸,柠檬酸,琥珀酸,苹果酸,草酰乙酸,CoASH,三羧酸循环,乙酰CoA,只有一些植物和微生物有这样的途径；,异柠檬酸裂解酶,苹果酸合成酶,这种途径对于植物和微生物意义重大！,两分子乙酰CoA只产生2分子NADH和1分子FADH2，意义不在于产能，在于生存。 .种子发芽,糖异生,油类植物种子中的油,脂代谢,糖,乙醛酸循环,草酰乙酸,乙酰CoA,原

13、始细菌生存,乙酸菌 以乙酸为主要食物的细菌 （物质循环中的重要一环）,生存,四碳、六碳化合物,转化,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-葡萄糖焦磷酸化酶,糖原合酶,糖原分支酶,磷酸葡萄糖变位酶,葡萄糖-6-磷酸,三羧酸循环,磷酸戊糖途径,糖原合成,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

14、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?,3.假如你把甲基标记的丙酮酸加入到线粒体制剂,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.,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

15、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+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.,(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

16、可能允许最大限度地产生酒精?(A)使介质中的葡萄糖浓度加倍(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?,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

17、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,可产生多少ATP? 12.(1)由葡萄糖-6-磷酸合成糖原所需要的能量比当糖原降解为葡萄糖-6-磷酸所需的能量多吗?(2)当肌肉运动时,肌肉和肝脏的糖原转变为葡萄糖的代谢物,为肌肉提供ATP,肝糖原和肌糖原能提供一样多的ATP吗?,13.试比较一个人在静止休息时和在作长距离运动时,骨骼肌对丙酮酸的利用. 14.E.coli能生长在以乙酸作为唯一碳源的培养基中,试说明原因,另外, 一个E.coli突变株不能生长在以乙酸为唯一碳源的介质中,但在含有丙酮酸的介质中能生长,推测该突变株中缺乏哪一种酶? 15.脚气病是由于膳食中缺少维生素B1所引起的,病人血液中丙酮酸和-酮戊二酸水平增高,为什么? 16.如果把32Pi加入到正在进行糖酵解的无细胞肝脏制剂中，这种标记物会参入到糖酵解的中间产物中吗？,17.有一位患者在短暂的禁食后患低血糖症,他不能进行长时间的运动.患者的肌糖原是正常的,但他的肝糖原比正常人要高很多.尽管它的结构似乎是