代謝總論-生物能學(xué)2019ppt課件

1、General Introduction to Metabolism 新陳代謝簡(jiǎn)稱代謝(metabolism)是指生物體與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過程，也是活細(xì)胞內(nèi)所有化學(xué)變化的總稱。包括兩種代謝作用: 一、新陳代謝的概念一、新陳代謝的概念 生物體內(nèi)酶催化的化學(xué)反應(yīng)是連續(xù)的，前一種酶作用的生物體內(nèi)酶催化的化學(xué)反應(yīng)是連續(xù)的，前一種酶作用的產(chǎn)物往往是后一種酶作用的底物，這種在代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)產(chǎn)物往往是后一種酶作用的底物，這種在代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促反應(yīng)產(chǎn)物統(tǒng)稱為中間產(chǎn)物變的酶促反應(yīng)產(chǎn)物統(tǒng)稱為中間產(chǎn)物metabolic metabolic intermediates)intermediates

2、)或簡(jiǎn)稱代謝物或簡(jiǎn)稱代謝物metabolites)metabolites)。 新陳代謝途徑中的個(gè)別步驟稱中間代謝新陳代謝途徑中的個(gè)別步驟稱中間代謝(intermediary (intermediary metabolism)metabolism)。 主要謝途徑主要謝途徑central metabolic pathway)central metabolic pathway) 分解代謝分解代謝catabolism), catabolism), 也稱異化作用也稱異化作用(disassimilation)(disassimilation) 合成代謝合成代謝anabolism), anabolism),

3、 也稱同化作用也稱同化作用assimilationassimilation）每種代謝作用都包含兩個(gè)方面：每種代謝作用都包含兩個(gè)方面：物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝substance metabolismsubstance metabolism）: : 物質(zhì)的合成與分解物質(zhì)的合成與分解能量代謝能量代謝energetic metabolismenergetic metabolism）: : 能量的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和釋放能量的轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和釋放 生長旺盛時(shí)：生長旺盛時(shí)： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝成長的生物：成長的生物： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝衰老或饑餓：衰老或饑餓： 合成代謝合成代謝分解代謝分解代謝 1

4、. 代謝過程所包含的化學(xué)反應(yīng)通常不是一步完成，代謝過程所包含的化學(xué)反應(yīng)通常不是一步完成，由一系列由一系列 的中間代謝過程所組成，反應(yīng)數(shù)目雖多，但有極的中間代謝過程所組成，反應(yīng)數(shù)目雖多，但有極強(qiáng)的順序強(qiáng)的順序 性。性。2. 代謝作用需要溫和的條件，絕大多數(shù)反應(yīng)都由酶所代謝作用需要溫和的條件，絕大多數(shù)反應(yīng)都由酶所 催化催化, 代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物稱代謝物。代謝過程中連續(xù)轉(zhuǎn)變的酶促產(chǎn)物稱代謝物。3代謝作用具有高度靈敏的自我調(diào)節(jié)。代謝作用具有高度靈敏的自我調(diào)節(jié)。 整體水平整體水平: 主要靠激素或激素伴同神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行的綜合調(diào)節(jié)。主要靠激素或激素伴同神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行的綜合調(diào)節(jié)。 細(xì)胞水平細(xì)胞水平: 主

5、要通過胞內(nèi)酶布局的區(qū)域化而實(shí)現(xiàn)主要通過胞內(nèi)酶布局的區(qū)域化而實(shí)現(xiàn) 分子水平分子水平: 主要通過酶的反饋抑制和基因表達(dá)的調(diào)控等實(shí)現(xiàn)主要通過酶的反饋抑制和基因表達(dá)的調(diào)控等實(shí)現(xiàn) 分解代謝分解代謝: 是代謝作用的分解過程，有機(jī)物糖、是代謝作用的分解過程，有機(jī)物糖、脂和蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化為更小、更簡(jiǎn)單的終產(chǎn)物如乳脂和蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)化為更小、更簡(jiǎn)單的終產(chǎn)物如乳酸、酸、CO2和和NH3等），分解代謝釋放能量，部分被轉(zhuǎn)等），分解代謝釋放能量，部分被轉(zhuǎn)化為化為ATP和還原的電子載體和還原的電子載體NADH、NADPH和和 FADH2），其余的作為熱量散失。），其余的作為熱量散失。 合成代謝合成代謝: 也稱生物合成，小、簡(jiǎn)單

6、的前體物質(zhì)形也稱生物合成，小、簡(jiǎn)單的前體物質(zhì)形成更大、更復(fù)雜的分子，如脂、多糖、蛋白質(zhì)和核酸成更大、更復(fù)雜的分子，如脂、多糖、蛋白質(zhì)和核酸等，合成代謝需要能量的輸入，通常需要等，合成代謝需要能量的輸入，通常需要ATP分子磷分子磷酸酯鍵的轉(zhuǎn)移和還原力酸酯鍵的轉(zhuǎn)移和還原力NADH、NADPH 和和FADH2）。）。 根據(jù)生物由環(huán)境中獲得碳的化學(xué)形式，生物可根據(jù)生物由環(huán)境中獲得碳的化學(xué)形式，生物可分為兩大類型：分為兩大類型：自養(yǎng)生物自養(yǎng)生物(Autotrophs)：可利用大氣中的：可利用大氣中的CO2作為惟一碳源構(gòu)建所有含碳分子，如光合細(xì)作為惟一碳源構(gòu)建所有含碳分子，如光合細(xì)菌和高等植物。菌和高等植

7、物。異養(yǎng)生物異養(yǎng)生物(Heterotrophs)：不能利用大氣中的：不能利用大氣中的CO2，必須從環(huán)境中獲得相對(duì)復(fù)雜的有機(jī)碳，必須從環(huán)境中獲得相對(duì)復(fù)雜的有機(jī)碳分子如葡萄糖，如高等動(dòng)物和多數(shù)微生物。分子如葡萄糖，如高等動(dòng)物和多數(shù)微生物。 許多自養(yǎng)生物可進(jìn)行光合作用，利用太陽許多自養(yǎng)生物可進(jìn)行光合作用，利用太陽能作為能量來源，而異養(yǎng)生物通過分解自養(yǎng)能作為能量來源，而異養(yǎng)生物通過分解自養(yǎng)生物產(chǎn)生的有機(jī)營養(yǎng)物獲得能量。生物產(chǎn)生的有機(jī)營養(yǎng)物獲得能量。生物圈中自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物生活在一起，生物圈中自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物生活在一起，自養(yǎng)生物利用空氣中的自養(yǎng)生物利用空氣中的CO2建造自己的有機(jī)建造自己的有機(jī)生物分

8、子，有些還分解水產(chǎn)生生物分子，有些還分解水產(chǎn)生O2；反過來異；反過來異養(yǎng)生物利用這些有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)，把養(yǎng)生物利用這些有機(jī)物作為營養(yǎng)物質(zhì)，把CO2排放到大氣中去，有些在氧化反應(yīng)中消排放到大氣中去，有些在氧化反應(yīng)中消耗耗O2產(chǎn)生水。其中產(chǎn)生水。其中C、O2和和H2O在自養(yǎng)和異在自養(yǎng)和異養(yǎng)間不斷循環(huán)，太陽能是其中的驅(qū)動(dòng)力。養(yǎng)間不斷循環(huán)，太陽能是其中的驅(qū)動(dòng)力。太陽是地球上所有生物最根本的能量來源太陽是地球上所有生物最根本的能量來源ATPATP起捕獲和貯存能量的作用起捕獲和貯存能量的作用能量傳遞系統(tǒng)：能量傳遞系統(tǒng)：ATP,ADPATP,ADP，無機(jī)磷，無機(jī)磷以以ATPATP形式貯存的能量有以下作用：

9、形式貯存的能量有以下作用： （1 1提供生物合成所需能量提供生物合成所需能量（2 2機(jī)體活動(dòng)及肌肉收縮所需能量機(jī)體活動(dòng)及肌肉收縮所需能量（3 3營養(yǎng)物跨膜運(yùn)輸所需能量營養(yǎng)物跨膜運(yùn)輸所需能量（4 4DNA,RNADNA,RNA，蛋白質(zhì)等合成中，保證基因信息正確，蛋白質(zhì)等合成中，保證基因信息正確 傳送。傳送。 由分解代謝釋放出的化學(xué)能，除合成由分解代謝釋放出的化學(xué)能，除合成ATP外，還以氫原子和電子的形式供給生物外，還以氫原子和電子的形式供給生物合成的需能反應(yīng)，其中，輔酶合成的需能反應(yīng)，其中，輔酶（NAD）、）、輔酶輔酶（NADP）、）、FMN和和FAD在這一過程在這一過程中起重要作用。中起重要作

10、用。 煙酰煙酰胺胺（維生（維生素素PP） 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）磷酸）（H-：）：）RR=H：NADR=-PO3：NADP輔酶輔酶、輔酶、輔酶R.FMN和和FAD(VB2)核核黃黃素素核核黃黃素素單單核核苷苷酸酸核核黃黃素素腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸異咯嗪異咯嗪輔酶輔酶ACoA在能量代謝中的作用在能量代謝中的作用 乙酰乙酰Co-A形成的硫酯鍵和形成的硫酯鍵和ATP的高能磷的高能磷酸鍵相似，水解時(shí)可釋放出大量自由能。酸鍵相似，水解時(shí)可釋放出大量自由能。許多代謝的終產(chǎn)物都能形成乙酰許多代謝的終產(chǎn)物都能形成乙酰Co-A。C CH H3 3C CS SC Co oA AO O

11、輔酶輔酶A(VB3) 基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) 氧化氧化- -還原反應(yīng)還原反應(yīng) 消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng)消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng) 碳碳- -碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)碳鍵的形成與斷裂反應(yīng) 代謝研究所指的活細(xì)胞是一種概括代謝研究所指的活細(xì)胞是一種概括的說法，既來自于單細(xì)胞、也來自于多的說法，既來自于單細(xì)胞、也來自于多細(xì)胞生物、還包括病毒和噬菌體等。細(xì)胞生物、還包括病毒和噬菌體等。 代謝研究主要是對(duì)中間代謝的研究。代謝研究主要是對(duì)中間代謝的研究?？梢栽诓煌乃缴线M(jìn)行，用生物整體可以在不同的水平上進(jìn)行，用生物整體的研究稱體內(nèi)研究，用的研究稱體內(nèi)研究，用 in vivo表示，表示， 用組織切片、勻漿、提取液作

12、為材料的用組織切片、勻漿、提取液作為材料的研究體稱外研究，用研究體稱外研究，用in vitro表示。表示。1 1、酶抑制劑的應(yīng)用、酶抑制劑的應(yīng)用代謝研究主要方法：代謝研究主要方法：2 2、同位素示蹤法、同位素示蹤法3 3、氣體測(cè)量法、氣體測(cè)量法4 4、核磁共振波譜法、核磁共振波譜法5 5、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑酪氨酸氧化酶酪氨酸氧化酶尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶1. 1. 體系、環(huán)境、形狀體系、環(huán)境、形狀2. 2. 能的兩種主要形式能的兩種主要形式 熱與功熱與功3. 3. 內(nèi)能內(nèi)能(internal energy)(internal energy)、焓、焓(enth

13、alpy)(enthalpy)和熱力和熱力 學(xué)第一定律學(xué)第一定律 內(nèi)能內(nèi)能:U(E):U(E) 焓焓H H：體系的熱含量：體系的熱含量) )；焓變：；焓變： H=H= U+U+ PV, PV, 熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律 ， U=Q-WU=Q-W 生物化學(xué)中近似恒壓恒容，生物化學(xué)中近似恒壓恒容， 所以：所以： HH U U 4. 4. 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵(entropy)(entropy) 熱的傳導(dǎo)只能由高溫物體傳至低溫物體。熱的傳導(dǎo)只能由高溫物體傳至低溫物體。 熵熵SS：體系質(zhì)點(diǎn)散亂無序程度：體系質(zhì)點(diǎn)散亂無序程度 熵變熵變 S S，隔離體系：，

14、隔離體系： S= S= S S體系體系+ + S S環(huán)境環(huán)境00體系體系吸熱吸熱體系體系做功做功 式中式中“=”=”表示可逆的過程，表示可逆的過程， S=0,S=0,此時(shí)體系處于平衡狀態(tài)。此時(shí)體系處于平衡狀態(tài)。“0 0表示可逆的過程，體系熵增加。表示可逆的過程，體系熵增加。所有自發(fā)過程都是不可逆的，熵總是增加。所有自發(fā)過程都是不可逆的，熵總是增加。 形成一個(gè)高度有序的生物體之所以可能，是由于形成一個(gè)高度有序的生物體之所以可能，是由于本身的熵降由環(huán)境的熵增加所抵消并有余。本身的熵降由環(huán)境的熵增加所抵消并有余。 新陳代謝過程使生物有機(jī)體不斷向環(huán)境釋放其生新陳代謝過程使生物有機(jī)體不斷向環(huán)境釋放其生命

15、活動(dòng)不得不產(chǎn)生的全部正熵。命活動(dòng)不得不產(chǎn)生的全部正熵。 用熵作為衡量生化過程能否自發(fā)進(jìn)行是困難的，用熵作為衡量生化過程能否自發(fā)進(jìn)行是困難的，自由能則可以。自由能則可以。 在溫度和壓力不變時(shí)：在溫度和壓力不變時(shí)：* * ( (體系中能對(duì)環(huán)境作功的能量體系中能對(duì)環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即：自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即： G0G0G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對(duì)于研究生物化學(xué)過程的能力學(xué)具有很重要的意義。自由能的概念對(duì)于研究生物化學(xué)過程的能力學(xué)具有很重要的意義。 生物體用

16、于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)自由能改變（標(biāo)準(zhǔn)自由能改變（G G） ：2525度、度、1 1大氣壓、反大氣壓、反應(yīng)物、產(chǎn)物濃度均為應(yīng)物、產(chǎn)物濃度均為1mol/L(1mol/L(有氫離子參加時(shí)，其有氫離子參加時(shí)，其濃度也是濃度也是1mol/L1m

17、ol/L，pHpH為為0 )0 )時(shí)。時(shí)。G= G= G G+RTln+RTln生成物生成物/反應(yīng)物反應(yīng)物 反應(yīng)達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡點(diǎn)時(shí) G=0G=0 G= G= G G+RTlnK+RTlnK平，平， G G=-RTlnK=-RTlnK平平生化標(biāo)準(zhǔn)自由能改變：生化標(biāo)準(zhǔn)自由能改變：pH=7 pH=7 G G= - RTlnK= - RTlnK平平 （單位：（單位：J /molJ /mol或或kJ/molkJ/mol）三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化 G ， G ， G 對(duì)于化學(xué)反應(yīng)：對(duì)于化學(xué)反應(yīng)：A+B C+D達(dá)平衡時(shí)達(dá)平衡時(shí) =Keq=19解：解：G0= - RTln

18、Keq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G0+ RTln生成物生成物/反應(yīng)物反應(yīng)物 =-7.6+ 2.3038.314 311 log 0.1 =-13.6 KJ.MOL-1未達(dá)平衡時(shí)未達(dá)平衡時(shí) =0.1反應(yīng)反應(yīng)G-1-PG-6-P在在380C達(dá)到平衡時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求G0。如果反應(yīng)未達(dá)到平。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)衡，設(shè)G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001mol/L，求反應(yīng)的求反應(yīng)的G 是多少？是多少？例題：例題： 生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（中可釋放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩爾摩爾的化合物稱為高能化合物。的化合物稱為高能化合物。1 1磷氧鍵型：磷氧鍵型：ATPATP、氨甲酰磷酸、氨甲酰磷酸 2 2氮磷鍵型：磷酸肌酸氮磷鍵型：磷酸肌酸 3 3硫酯鍵型：?；蝓ユI型：?；鵆oACoA4 4甲硫鍵型