生物化学第七章新陈代谢及生物能学课件

生物化学生物化学 动态部分动态部分 .第七章 代谢总论及生物能学.第一节 代谢总论.什么是新陈代谢？什么是新陈代谢？新的来，旧的去新的来，旧的去 花开花落花开花落“长江后浪推前浪，一代新人换旧人长江后浪推前浪，一代新人换旧人”.生化定义生化定义泛指生物与周围环境进泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物行物质与能量交换的过程。是生物体体物质代谢物质代谢与与能量代谢能量代谢的有机统一的有机统一.1、营养物质的摄取与吸收、营养物质的摄取与吸收利用光能的生物（植物、微生物）利用光能的生物（植物、微生物）食草动食草动物物 食腐动物（微生物）食腐动物（微生物）食食肉动物肉动物（轮回）（轮回）新陈代谢的过程新陈代谢的过程.2、将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结、将摄取的营养物质和细胞中原有的物质（结构物质或功能物质）分解为机体所需的结构元构物质或功能物质）分解为机体所需的结构元件或分解供能件或分解供能3、将结构元件装配成大分子（结构物质、功能、将结构元件装配成大分子（结构物质、功能物质）物质）4、在物质代谢的同时进行能量代谢、在物质代谢的同时进行能量代谢主要涉及目前已经清楚的细胞内主要涉及目前已经清楚的细胞内四大物质的合成四大物质的合成与分解与分解。.1、不同生物的代谢不同生物的代谢大同大同小异大同大同 各类生物的物质的代谢途径十分相似各类生物的物质的代谢途径十分相似小异小异 低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了高等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好更为高效的好更为高效的好更为高效的好氧代谢氧代谢氧代谢氧代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。但同时保存了厌氧代谢途径。新陈代谢的特点新陈代谢的特点.2、反应反应步骤繁多步骤繁多，具有严格的具有严格的顺序性顺序性；.3、与环境相适应，与环境相适应，自动调节；自动调节；在整体水平进行调节在整体水平进行调节 在细胞水平进行调节在细胞水平进行调节 通过通过酶活性调节酶活性调节来进行调节。（来进行调节。（39章）章）.分解代谢：将从外界摄取或机体原有的物质物分解代谢：将从外界摄取或机体原有的物质物质通过一系列的反应步骤变为较小的、较简质通过一系列的反应步骤变为较小的、较简单的物质的过程。单的物质的过程。合成代谢：生物利用小分子或大分子结构元件合成代谢：生物利用小分子或大分子结构元件构建自身大分子的过程。构建自身大分子的过程。一、物质的分解代谢与合成代谢一、物质的分解代谢与合成代谢.合成合成代谢代谢分解分解代谢代谢生物生物体的体的新陈新陈代谢代谢生物小分子合成生物大分子生物小分子合成生物大分子一般需要能量一般需要能量一般释放能量一般释放能量生物大分子分解为生物小分子生物大分子分解为生物小分子能量代谢能量代谢能量代谢能量代谢物质物质物质物质代谢代谢代谢代谢二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢.二、能量代谢在新陈代谢中的作用二、能量代谢在新陈代谢中的作用.维持生命活动的能量来源维持生命活动的能量来源光光能能（太太阳阳能能）：植植物物和和某某些些藻藻类类，通通过过光合作用将光能转变成生物能。光合作用将光能转变成生物能。化化学学能能：动动物物和和多多数数微微生生物物，通通过过生生物物氧氧化化作作用用将将有有机机物物质质存存储储的的化化学学能能释释放放出出来来，并转变成生物能。并转变成生物能。.外外界界摄摄取取的的营营养养物物质质和和机机体体内内储储存存的的物物质质如如：糖糖、脂脂、蛋蛋白白质质等等在在体体内内分分解解时时逐逐步步释释放放能能量量、最最终终生生成成二二氧化碳和水氧化碳和水 .ATPATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物非储存能量的形式非储存能量的形式,是传递能量的形式是传递能量的形式.ATPATP的性质的性质ATP ATP 分子的最显著特点是分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。含有两个高能磷酸键。ATPATP水解时水解时,可以释放出大量可以释放出大量自由能。自由能。ATP ATP 是生物体内最重要的是生物体内最重要的能量转换中间体。能量转换中间体。ATP ATP 水水解释放出来的能量用于推解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生动生物体内各种需能的生化反应。化反应。.另外：GTP对G蛋白的活化、蛋白质的生物合成、蛋白质的寻靶作用以及蛋白质运转等过程提供自由能；UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；CTP在合成磷脂酰胆碱及纤维素等方面有作用。.三、能量代谢中的其他重要物质1、辅酶、辅酶和辅酶和辅酶2、FMN和和FAD3、CoA-SH.烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶辅酶I）NAD+烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶辅酶）NADP+烟酰胺NAD+磷酸磷酸NADPNADP+NMPAMPO功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶 传递传递H.V VB2B2H二甲基异咯嗪二甲基异咯嗪二甲基异咯嗪二甲基异咯嗪核糖核糖核糖核糖醇醇醇醇？键相连键相连核苷键核苷键黄素单核苷酸黄素单核苷酸黄素单核苷酸黄素单核苷酸 F FMMN N黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸黄素腺嘌呤二核苷酸 F FA AD DAMP FMN FMNVB2FAD功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶功能：脱氢酶辅酶 传递传递H.辅酶辅酶A（CoASH）3.5-ADP3355巯基乙胺巯基乙胺酰胺键磷酸二酯键泛酸泛酸功能功能酰基转移酶酰基转移酶辅酶辅酶，传递，传递酰基酰基在脂类与糖类代谢在脂类与糖类代谢中中起重要的作用起重要的作用.四、代谢的研究方法四、代谢的研究方法代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢的研究内容也即分为两个方面：的研究内容也即分为两个方面：参与的酶参与的酶 物质的变化过程物质的变化过程通过通过巧妙的实验设计巧妙的实验设计、严密的逻辑推断严密的逻辑推断与与重复性的验证重复性的验证。.整体方法（整体方法（in vivo)纯纯化化合合物物排泄物的化排泄物的化学分析学分析典型案例典型案例脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化.Knoop的标记化合物实验的标记化合物实验 脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化脂肪酸末端甲基接上脂肪酸末端甲基接上苯基苯基偶偶数碳数碳FA 苯乙酰苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）甘氨酸（苯乙尿酸）奇奇数碳数碳FA 苯甲酰苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）甘氨酸（马尿酸）.离体法离体法(in vitroin vitro)器官、组织或细胞器官、组织或细胞各类组织细胞各类组织细胞各种破碎方法各种破碎方法碎片置于碎片置于试管试管中中向该向该试管试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。谢中间产物及酶，逻辑推断。典型案例典型案例 糖代谢、生物氧化等等糖代谢、生物氧化等等.1 1、利用酶的抑制剂利用酶的抑制剂代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累碘乙酸碘乙酸3-3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶氟化钠氟化钠烯醇化酶烯醇化酶2 2、利用遗传缺陷症研究代谢途径利用遗传缺陷症研究代谢途径参与酶的确定参与酶的确定.黑色素是吲哚醌的聚合物黑色素是吲哚醌的聚合物白化病白化病(albinism)缺乏酪氨酸酶缺乏酪氨酸酶酪氨酸酶酪氨酸酶.尿黑酸尿症尿黑酸尿症(alkaptonuria)尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸裂环降解尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸裂环降解受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相应的对醌，后者可聚合为黑的色素。应的对醌，后者可聚合为黑的色素。尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶.同位素示踪法同位素示踪法利用含利用含放射性同位素放射性同位素的物质，测试其在不同物质间的转移的物质，测试其在不同物质间的转移 高能化合物高能化合物 ATP ATP物质的转化物质的转化.第二节 生物能学.一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念.（一）、体系（一）、体系 宇宙宇宙 太阳系太阳系 地球地球 每个生物或非生物每个生物或非生物 化学反应体系化学反应体系.能量的传递形式热热功功？内能内能的传递方式的传递方式？动能、势能动能、势能转化和传递的方式转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等包括机械功、电功、化学功等（二）、能的两种形式（二）、能的两种形式.体系总能量体系总能量=可做功的能可做功的能+不能做功的能不能做功的能（H）（自由能（自由能G）（热能）（热能）.热力学第一定律热力学第一定律(能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律)热力学第二定律热力学第二定律(能量传递的方向性定律能量传递的方向性定律)当体系的状态发生变化后当体系的状态发生变化后总能量不变总能量不变变化的是变化的是G（G）变化朝自由能降低的变化朝自由能降低的方向进行方向进行（G）.二、化学反应体系中的自由能二、化学反应体系中的自由能（一）根据（一）根据自由能变化自由能变化可以可以判断判断中间物质代谢方向中间物质代谢方向.状态状态A GA 状态状态B GB G=GB GA 当反应体系恒温、恒压下发生变化时当反应体系恒温、恒压下发生变化时.G0时，时，W0，体系对外作功，体系对外作功，该反应该反应可自可自发发进行，放能反应进行，放能反应 G=0时，时，W=0，该反应处于平衡该反应处于平衡 G0时，时，W0，该反应该反应不可自发不可自发进行，进行，必须必须吸收外来能量才能进行（吸能反应）吸收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反，同时，该反应的逆过程可以自发进行。应的逆过程可以自发进行。.（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性热力学上不利的反应可以由热力学上有利的热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反应所驱动反应所驱动 A B GO0（不能不能自发进行）自发进行）CD GO0（能能自发进自发进行）行）A+C B+D GO0（能能自发进行）自发进行）.三、三、高能化合物高能化合物定义：定义：一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ/mol21 kJ/mol（5 5千卡千卡/mol)/mol)以上自由能（以上自由能（G G -21 -21 kJ/molkJ/mol）的化合物称为高能化合物。）的化合物称为高能化合物。.高能化合物高能化合物（水解）（水解）低能化合物低能化合物 GO0（能能自发进行）自发进行）A B GO0（不能不能自发进行）自发进行）A+高能化合物高能化合物 B+低能化合物低能化合物 GO0（能能自发进行）自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？两反应如何可以结合在一起呢？（一）功能（一）功能高能基团的传递有着十分重要的生物意义有着十分重要的生物意义.激酶激酶激活底物激活底物（A）连接高能键的酶连接高能键的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化活化（能量增加）（能量增加）反应反应 激酶激酶.类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在。十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比磷酸葡萄糖比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。后续葡萄糖分解的根基。例例D-葡萄糖葡萄糖+ATPD-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖+ADP 激酶激酶.硫酯键化合物硫酯键化合物 S甲硫键化合物甲硫键化合物 CH3S+-C-CO（二）高能化合物的种类（二）高能化合物的种类 高能键高能键,水解断开，并可传递能量水解断开，并可传递能量磷氧型磷氧型-OP磷氮型磷氮型 HN=C-NP(O)磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物.1,1,磷氧键型（磷氧键型（OP)OP)(1)酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔.氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸.（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔30.5KJ/mol.（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡千卡/摩尔摩尔.2,2,氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸（磷酸肌酸（N-甲基甲基-胍基乙酸）胍基乙酸）磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔（虾、蟹）摩尔（虾、蟹）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。.3,3,硫酯键型硫酯键型3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-磷酸硫酸磷酸硫酸酰基辅酶酰基辅酶A.4,4,甲硫键型甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸.（三）（三）ATP的结构特点的结构特点酸酸酐酐键键磷磷酯酯键键.1、酸酐键上的、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。稳定性降低，甚至断裂。2、pH=7时，时，ATP带带4个负电荷，互相排个负电荷，互相排斥。斥。3、产物（、产物（ADP和磷酸）比和磷酸）比ATP稳定。稳定。.高能化合物由于内在因素高能化合物由于内在因素本身化学不稳定本身化学不稳定(G高高)，水，水解产物稳定解产物稳定(G低低)。.（四）细胞内影响（四）细胞内影响ATP水解的因素水解的因素 pH（pH越越高高，放出的能量越多），放出的能量越多）.（五）（五）ATP“能量中间体能量中间体”稳定程度不同，各种高能化合物的稳定程度不同，各种高能化合物的Go有高低之分有高低之分.磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸 暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖1-1-磷酸磷酸磷酸磷酸作用：作用：能量传递能量传递转转化化传传递递传递传递.磷酸肌酸磷酸肌酸（哺乳类）（哺乳类）磷酸精氨酸磷酸精氨酸（虾、蟹）（虾、蟹）（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用作用H.磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP 肌酸肌酸 +ATPG =G 1 +G2 =-43.1+30.5 =-12.6 KJ/mol在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机体会很灵敏地进行调节，使反应朝体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸生成或磷酸肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。缓冲剂。.（七）（七）ATPATP断裂成断裂成AMP AMP 和焦磷酸和焦磷酸焦磷酸焦磷酸7.3千卡千卡/摩尔摩尔.2 -6.9千卡千卡/摩尔摩尔7.3+6.9=14.2千卡千卡/摩摩尔尔活化底物需要更多能量时活化底物需要更多能量时.(八）八）其他三磷酸核苷的递能作用其他三磷酸核苷的递能作用.能量源自能量源自能源物质（能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解）的分解分分 解解 代代 谢谢氧氧 化化产产 能能产产 能能ADP机械能机械能（运动）（运动）化学能化学能（合成反应）（合成反应）渗透能渗透能（分泌、吸收）（分泌、吸收）电能电能（生物电）（生物电）热能热能（体温维持）（体温维持）光能光能（生物发光）（生物发光）UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能合成，供能ATP.(九）九）能荷能荷能能 荷荷 =ATP+1/2ADPATP+1/2ADP ATP+ADPATP+ADP +AMP+AMP 分母是个定值，能荷在一定范围内波动分母是个定值，能荷在一定范围内波动（0.8-0.95)0.8-0.95)，受到机体的严格调控。，受到机体的严格调控。.