大連理工大學生物化學課件-代謝總論

生物化學（下）1課程名稱：生物化學（Biochemistry）使用教材：生物化學（第三版，王鏡巖等）參考教材：生物化學原理（第三版，周海夢等譯）學分學時：2.5/40（9-18周，共10周）課程性質(zhì)：必修考核形式：考試+平時成績一、課程信息2教學目的：掌握物質(zhì)代謝與能量代謝及其調(diào)控方式（糖代謝、三羧酸循環(huán)、脂類代謝、氨基酸代謝、核苷酸代謝、生物氧化、物質(zhì)代謝的聯(lián)系與調(diào)節(jié)）掌握遺傳信息的貯存、傳遞與表達（DNA的生物合成、RNA的生物合成、蛋白質(zhì)的生物合成、基因的表達調(diào)控、基因重組與基因工程）二、教學目的和要求3有較好的生物學﹑物理學和化學方面的基礎，能夠?qū)⑦@些基礎知識運用到生物化學的學習中，要求能從生物大分子的組成﹑結(jié)構(gòu)和性質(zhì)去認識結(jié)構(gòu)與功能的關系物質(zhì)代謝和能量代謝的關系以及代謝調(diào)節(jié)的意義基因信息傳遞的分子基礎重組DNA和基因工程技術(shù)等教學要求：4三、教學的基本內(nèi)容和重點?

物質(zhì)代謝（糖類、脂類、核酸和蛋白質(zhì)）的代謝變化，重點闡述主要代謝途徑（減少逐步化學反應的講解）、生物氧化與能量轉(zhuǎn)換、代謝途徑間的聯(lián)系、代謝調(diào)節(jié)的原理及規(guī)律；

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闡明中心法則所揭示的信息流向，包括DNA復制、RNA轉(zhuǎn)錄、翻譯及基因表達調(diào)控；

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概要地介紹重組DNA和基因工程技術(shù)。5考查與期末考試相結(jié)合的方式平時成績占30%：論文：20分要求2000~2500字，發(fā)表論文的格式學習態(tài)度、回答問題、出勤率等：10分期末考試成績占70%（成績不到42分——不及格）四、考核方式與要求6第一章新陳代謝與生物能學7主要內(nèi)容一、新陳代謝概論二、新陳代謝研究方法三、新陳代謝的代謝途徑四、生物能學簡介（自學）五、高能化合物81、新陳代謝的概念新陳代謝(metabolism)：生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過程。一、新陳代謝概論生物一方面，不斷從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應轉(zhuǎn)變成自身成分，即同化作用(assimilation)；

合成代謝(anabolism):小而簡單的前體被構(gòu)造成大而復雜的分子，如糖類、脂類、蛋白質(zhì)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，將原有復雜成分經(jīng)一系列生化反應，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即異化作用(dissimilation)；

分解代謝(catabolism)：有機營養(yǎng)分子（糖類、脂肪和蛋白質(zhì)）被轉(zhuǎn)化為更小、更簡單的終端產(chǎn)物（乳酸、CO2、NH3）并釋放能量，其中一些能量保存在ATP，NADH、NADPH和FADH2中。通過上述過程，使生物體既能保持自身的穩(wěn)定，又能不斷得到更新，以適應環(huán)境。

10新陳代謝

合成代謝（同化作用）

分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝新陳代謝

(metabolism)：生物體內(nèi)所有化學變化的總稱信息交換11?捕獲太陽能或降解從周圍環(huán)境中獲得的營養(yǎng)物質(zhì)來獲得化學能；?把營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身結(jié)構(gòu)元件（細胞自己的特征分子），包括生物大分子的前體分子；?將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子，如蛋白質(zhì)、核酸等；?合成或降解細胞特殊功能所需要的生物分子；?提供生命活動所需要的所有能量。2、新陳代謝（metabolism）的功能

新陳代謝是高度協(xié)調(diào)的細胞活動，有很多多聚酶系統(tǒng)（代謝路徑）協(xié)調(diào)合作來完成其功能。123、能量代謝在新陳代謝中的重要地位——分解代謝和合成代謝之間能量關系富含能量的營養(yǎng)物質(zhì)糖類、脂類、蛋白質(zhì)分解代謝能量釋放以后的終產(chǎn)物CO2、H2O、NH3ADP+PiNAD+NADP+FADATPNADHNADPHFADH2合成代謝細胞大分子蛋白質(zhì)、多糖脂質(zhì)、核酸前提分子氨基酸、脂肪酸單糖、含氮堿基13生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程14光合自養(yǎng)生物異養(yǎng)生物生物圈中自養(yǎng)界（光合作用）與異養(yǎng)界之間的CO2和O2循環(huán)自養(yǎng)生物（autotroph）：能以CO2作為自身基本碳源的生物。異養(yǎng)生物（heterotroph）：依靠外界有機物而存活的生物。生物物種根據(jù)從環(huán)境中攝取碳的化學形式分為生物圈中碳的轉(zhuǎn)化量41011噸/年15大氣中的N2固氮細菌硝化細菌反硝化細菌動物氨基酸硝酸鹽、亞硝酸鹽氨植物生物圈中的氮循環(huán)164、新陳代謝的調(diào)節(jié)生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)配合，關鍵在于它有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機體能適應其體內(nèi)、外復雜的環(huán)境變化，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：?分子水平?細胞水平?整體水平175、代謝中常見的有機化學反應機制?基團轉(zhuǎn)移反應?氧化-還原反應?消除、異構(gòu)化和重排反應?碳-碳鍵的形成與斷裂反應18酶催化，反應特異、靈敏；反應條件溫和、有序、代謝途徑逐步進行、彼此協(xié)調(diào)；高度適應周圍環(huán)境。6、新陳代謝的特點體外化學反應？19二、新陳代謝的研究方法1、活體內(nèi)(invivo)水平的代謝研究2、體外(invitro)水平的代謝研究3、整體水平的研究4、器官水平的代謝研究5、細胞、亞細胞水平的代謝研究20單細胞生物多細胞生物病毒(virus)噬菌體(bacteriophage)病毒和噬菌體介于生物和非生物之間，只有寄生于生物細胞中，才能表現(xiàn)代謝等生命現(xiàn)象。新陳代謝研究的具體對象——活細胞中所有化學變化211、活體內(nèi)(invivo)水平的代謝研究——應用同位素示蹤法(isotopictracertechnique)或熒光標記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天鈣45（45Ca）152天硫35（35S）88天22抑制劑或抗代謝物2、體外(invitro)水平的代謝研究

——應用酶抑制劑和結(jié)抗物生物體內(nèi)的反應都是酶促反應，因此使用某種酶的抑制劑或抗代謝物，觀察某一反應被抑制后的結(jié)果，從而推測某物質(zhì)在體內(nèi)的代謝變化。A+BC+？推測23如，(Knoop)以活的動物犬為試驗對象，給犬飼喂不同碳原子數(shù)的脂肪酸后，分析它的排泄物成分，提出了脂肪酸-氧化作用的學說。3、整體水平的代謝研究24如，排尿素動物尿素合成部位的研究。切除動物的肝臟，發(fā)現(xiàn)動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，動物不久即死亡。切除腎臟卻無此現(xiàn)象，說明肝臟與尿素合成有關。4、器官水平的代謝研究25組織勻漿液

離心（差速，密度梯度）

分離亞細胞成分

不同亞細胞成分含不同酶系，功能不同發(fā)現(xiàn)糖類、脂類物質(zhì)的分解代謝主要在線粒體中進行脂肪酸的合成主要在胞漿中進行5、細胞、亞細胞水平的代謝研究26代謝過程是通過一系列酶促反應完成的。完成某一代謝過程的一組相互銜接的酶促反應稱為代謝途徑。三、新陳代謝的代謝途徑27代謝途徑的特點：1、沒有完全可逆的代謝途徑：物質(zhì)的合成與分解，有的要完全不同的兩條代謝途徑（如脂肪酸的代謝）來完成；有的要部分地通過單向不可逆反應（如糖代謝）來完成。2、代謝途徑的形式多樣：有直線型，分支型，環(huán)形。3、代謝途徑有確定的細胞定位：酶在細胞內(nèi)有確定的分布區(qū)域，所以每個代謝過程都是在確定的區(qū)域內(nèi)進行。如，糖酵解在細胞質(zhì)中進行，三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進行，氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進行。284、代謝途徑是相互溝通的：各代謝途徑間，可通過共同的中間代謝物而相互交叉，也可通過過渡步驟相互銜接，而構(gòu)成復雜的代謝網(wǎng)絡。5、代謝途徑之間有能量關聯(lián)：合成代謝消耗能量，分解代謝釋放能量。ATP為能量載體。296、代謝途徑的流量可調(diào)控：機體通過控制物質(zhì)代謝的流量來實現(xiàn)所需的能量或代謝物。代謝過程可通過控制酶的活力與數(shù)量來實現(xiàn)。每個代謝途徑的流量，都受反應速度最慢的步驟的限制，這個步驟稱為限速步驟或關鍵步驟，這個酶稱為限速酶或關鍵酶。限速步驟一般是代謝途徑或分支的第一步，這樣可避免有害中間產(chǎn)物的積累。限速步驟一般是不可逆反應，其逆過程往往由另一種酶催化。限速酶的活性和數(shù)量，往往受多種機制的調(diào)節(jié)，最普遍的是反饋抑制，即代謝終產(chǎn)物的積累對限速酶產(chǎn)生抑制。30生物大分子的分解有三個階段：水解產(chǎn)生構(gòu)件分子、氧化分解產(chǎn)生乙酰輔酶A、乙酰輔酶A進一步氧化成二氧化碳和水。在這個過程中，隨著結(jié)構(gòu)層次的降低，傾向產(chǎn)生少數(shù)共同的分解產(chǎn)物，即具有趨同性。意義：分解代謝是釋放能量的過程。第一階段放能很少，第二階段約占三分之一，可推動ATP、NADH、NADPH和FADH2的合成，作為能量載體向體內(nèi)的耗能過程提供能量。第三階段通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化釋放其余的能量，主要用于ATP的合成。三羧酸循環(huán)形成二氧化碳和還原輔酶，后者在氧化磷酸化過程中釋放能量，形成ATP和水。7、分解代謝的階段性和趨同性31生物分子結(jié)構(gòu)的多層次性決定合成代謝的階段性。首先由簡單的無機分子(CO2、NH3、H2O等)合成生物小分子（單糖、氨基酸、核苷酸等），再用這些構(gòu)件合成生物大分子，進而組裝成各種生物結(jié)構(gòu)。

趨異性是指隨著合成代謝階段的上升，傾向于產(chǎn)生種類更多的產(chǎn)物。8、合成代謝的階段性和趨同性32賴氨酸（Lysine）蘇氨酸（Threonine）色氨酸（Tryptophane）異亮氨酸（Isoleucine）苯丙氨酸（Phenylalanine）亮氨酸（Leucine）蛋氨酸（Methionine）纈氨酸（Viline）組氨酸（Hlstidine）精氨酸（Argnine）9、合成代謝的營養(yǎng)依賴性人類不能合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能從食物中攝取的物質(zhì)，稱為是必需的。如氨基酸中有10種是必需氨基酸，維生素和某些不飽和脂肪酸也是必需的。331）模板指導組裝核酸和蛋白質(zhì)的合成。如DNA的復制、轉(zhuǎn)錄以及反轉(zhuǎn)錄、翻譯都是在模板指導下的聚合過程。所需的信息存在于模板分子的構(gòu)件序列中，能量來自活化的構(gòu)件分子或ATP等。生物大分子形成高級結(jié)構(gòu)并構(gòu)成亞細胞結(jié)構(gòu)是自我組裝過程，其信息存在于一級結(jié)構(gòu)中，其能量來自組裝過程中釋放的自由能。2）有些構(gòu)件序列簡單均一的大分子通過酶促組裝聚合而成。其信息指令來自酶分子，不需要模板。如糖原、肽聚糖、一些小肽等，都在專一的酶指導和催化下合成。10、合成代謝的信息來源

生物大分子有兩種組裝模式34四、生物能學簡介（自學）一、有關熱力學的一些基本概念二、自由能的概念三、化學反應中自由能的變化和意義四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個階段351、有關熱力學的一些基本概念體系、環(huán)境、狀態(tài)能的兩種形式—熱與功熱力學第一定律和內(nèi)能(internalenergy)、焓(enthalpy)熱力學第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy)36有關定律熱力學第一定律：能量守恒定律熱力學第二定律：熵定律自由能：ΔG=ΔH-TΔSΔG:自由能變化ΔH：總熱能變化ΔS：總體熵的改變ΔG＜0時，體系的反應能自發(fā)進行(為放能反應)；ΔG＞0時，反應不能自發(fā)進行，當給體系補充自由能時，才能推動反應進行(為吸能反應)；ΔG=0時，表明體系已處于平衡狀態(tài)。372、自由能（freeenergy）物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*(體系中能對環(huán)境作功的能量)自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行，即：ΔG<0，反應能自發(fā)進行ΔG>0，反應不能自發(fā)進行ΔG=0，反應處于平衡狀態(tài)。自由能的概念對于研究生物化學過程的力能學具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學反應釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應的其它有用參數(shù)。383、化學反應中自由能的變化和意義

1、化學反應的自由能變化的基本公式

ΔG=ΔH-TΔS2、化學反應自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關系3、偶聯(lián)化學反應ΔG′°變化的可加性4、能量學用于生物化學反應中的一些規(guī)定39化學反應自由能的變化和平衡常數(shù)的關系

假設有一個化學反應式：aA+bB=cC+dD恒溫恒壓下：ΔG′=ΔG′°+RTlnQc式中：ΔG′°=-RTlnKeq

ΔG′—某一化學反應隨參加化學反應物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學反應的pH和溫度而改變的