生物化学下全册配套完整ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,生物化学下课件全册配套完整精品课件,生物化学（下册）,Biochemistry,性 质：必修,学 分：,2.5,学 时：,40,教学对象：本科生,E-mail,：,dlbio2014A2,密 码：,2014A2,生物化学（下册）,Biochemistry,生物化学（第三版 下册）,王镜岩、朱圣庚、徐长法主编,高等教育出版社，,2002.8,面向,21,世纪课程教材,普通高等教育“九五”国家级重点教材,生物化学,(,Biochemistry,),选用的教材,生物化学原理,（第,3,版）,周海梦等译， 高等教育出版社，,2005.,Lehninger Principles of Biochemistry,（,5th Edition,）,David L. Nelson,，,Michael M. Cox,著,Lehninger, Principles of Biochemistry,网站,：, Edition,5th Edition,职称: Professor of Biochemistry,学校: Uniuersity of Wisconsin-Madison,(威斯康星大学麦迪逊分校),曾在哈佛医学院Eugene P. Kennedy (Lehninger的第一批研究生)实验室从事博士后研究.,第,19,章 代谢总论,第,20,章 生物能学,第,21,章 生物膜与物质运输,第,22,章 糖酵解作用,第,23,章 柠檬酸循环,第,24,章 生物氧化,电子传递和氧化磷酸化作用,第,25,章 戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径,第,26,章 糖原的分解和生物合成,第,27,章 光合作用,第,28,章 脂肪酸的分解代谢,第,29,章 脂类的生物合成,生物化学,(,Biochemistry,),教材目录,第,30,章 蛋白质降解和氨基酸的分解代谢,第,31,章 氨基酸及其重要衍生物的生物合成,第,32,章 生物固氮,第,33,章 核酸的降解和核苷酸代谢,第,34,章,DNA,的复制和修复,第,35,章,DNA,的重组,第,36,章,RNA,的生物合成和加工,第,37,章 遗传密码,第,38,章 蛋白质合成及转运,第,39,章 细胞代谢与基因表达调控,第,40,章 基因工程及蛋白质工程,掌握物质代谢与能量代谢及其调控方式,糖代谢,脂类代谢,氨基酸代谢,核苷酸代谢,生物氧化物质代谢的联系与调节,掌握遗传信息的贮存、传递与表达,DNA,RNA,蛋白质的生物合成,基因的表达调控,基因重组与基因工程,生物化学,(,Biochemistry,),学习内容,物质代谢（糖类、脂类、蛋白质和核酸）的代谢变化，重 点阐述主要代谢途径、生物氧化与能量转换、代谢途径间的联系、代谢调节的原理及规律；, 阐明中心法则所揭示的信息流向，包括,DNA,复制、,RNA,转 录、翻译及基因表达调控；,概要地介绍重组,DNA,和基因工程技术。,生物化学,(,Biochemistry,),学习重点,有较好的,生物学,化学,方面的基础，能够将这些基础知识运用到生物化学的学习中，要求能从生物大分子的组成、结构和性质去认识结构与功能的关系。,物质代谢和能量代谢的关系以及代谢调节的意义；,基因信息传递的分子基础；,重组,DNA,和基因工程技术。,生物化学,(,Biochemistry,),学习要求,生物化学,(,Biochemistry,),考试形式,期末考试,：闭卷，,100,分,x 80% = 80,分,平时成绩,：,100,分,x 20% = 20,分, 报告：,50,分,x 20% = 10,分,2,人一题，独立完成，提出,2-3,个问题；,ppt,形式,(,文件名：第,2,组,-,姓名,),；,讲解,5-10,分钟，讨论；,评分,(,根据内容、讲解、制作等，同学,25,分,+,老师,25,分,), 随堂测验,+,回答问题,+,出勤率,+,作业：,50,分,x 20% = 10,分,生物化学,(,Biochemistry,),课堂报告,膜脂异常导致的遗传病,糖尿病（葡萄糖转运）,腹泻（离子通道）,乳酸发酵及应用,柠檬酸合成及其应用,生物氧化辅酶,Q10,蚕豆中毒,糖代谢障碍,光合作用（除草剂敌草隆）,必需脂肪酸,肉毒碱,脂肪代谢（熊和骆驼）,褐色脂肪及其产热,脂肪肝、乙肝、肝硬化,Alzheimer,病（载脂蛋白,E,等位基因）,血脑屏障,胆固醇,缺乏精氨酸的氨中毒,尿黑酸症,重金属中毒（砷、铊等）,自毁容貌性综合症,痛风,DNA,修复与癌症,艾滋病及其的,HIV,反转录酶的抑制剂,利福平治疗肺结核,DNA,克隆技术,亲子鉴定,遗传密码的诱导变异,人类基因组计划,基因治疗,干细胞治疗,课程特点,内容较多，需要理解记忆；,系统性较差，需要归纳；,多媒体课件，需要精力集中；,前沿学科，需要知识更新。,学习安排,随时消化，温故知新,总结归纳，比较分类,理解内容，便于记忆,个人看法,坚持上課，认真听讲；,掌握重点，事半功倍；,掌握知识，皆大欢喜。,History of Biochemistry,1783,年：,Lavoisier and Laplace,，研究燃烧和呼吸过程的本质,，,物质与氧化合的新燃烧理论。推翻燃素学说，将神秘的生命现象还原为基本的化学过程。,1828,年：,Friedrich Whler,从无机化合物氰化铵合成尿素,1830,年：,Liebig,发现了氮对于植物营养的重要性。,1857,年：巴斯德创立细菌学,，,巴氏消毒法,1869,年：,Friedrich Miescher,发现遗传物质核素,1903,年：,Biochemistry,拉瓦锡（,Lavoisier,）,1743-1794,法国化学家，氧发现者,现代化学之父,拉普拉斯（,Laplace,）,1749-1827,法国天文家，数学家,拉普拉斯的定理：行星的轨道大小只有周期变化。,路易斯,巴斯德（,Louis Pasteur),1822,1895,微生物学家、化学家，微生物学的奠基人之一。,尤斯图斯,冯,李比希 ，男爵,（,Justus von Liebig,）,德国化学家,米歇尔,(Friedrich Miescher,）,1844 - 1895,被认为是细胞核化学的创始人和,DNA,的发现者,合作设计：,冰的热量计,The Nobel Prize in Chemistry 1902,in recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and purine syntheses,费舍尔，德国科学家,Hermann Emil Fischer,生物化学的创始人,克雷伯斯,Hans Adolf Krebs,Watson and Crick,桑格,Frederick Sanger,20th century,：,Nobel prize in Chemistry, Physiology and Medicine,1902,年,： Emil Fischer,合成了糖类及嘌呤；首次证明蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并证明酶催化作用的“锁,-,钥”学说。,1928,年：,Fleming, Discovery of Penicillin 1954,年获奖,1932,年：,Hans Adolf Krebs,发现,柠檬酸循环 1953,年获奖,1949,年：,Pauling,指出镰刀形细胞贫血症是一种分子病，并于,1951,年提出蛋白质二级结构，,1954,年获诺贝尔化学奖,1953,年,: James Watson and Francis Crick,，,DNA double helix model,1955,年：,Sanger,确定牛胰岛素的一级结构,1965,年：中国首次人工合成结晶牛胰岛素,鲍林,Linus Pauling,History of Biochemistry,1969-1972,年：,Smith(,美,),，,Nathans(,美,),和,Arber(,瑞士,),在核酸限制性内切酶的分离与应用方面的贡献获得,1978,年诺贝尔奖,1972,年：,Berg,在重组,DAN,技术研究方面贡献获得,1980,年诺贝尔奖,History of Biochemistry,1968,年：,Boyer,在大肠杆菌中分离得到限制性内切酶,Eco,RI,1972,年：,Cohen,分离获得了携带对抗生素具有抗性的质粒，并将其重新整合到大肠杆菌内，实现了质粒的克隆。,1973,年：,Boyer,与,Cohen,合作，两种大肠杆菌质粒在体外切割形成一个重组质粒，转移到大肠杆菌内可以复制和基因表达。将葡萄球菌质粒转移到大肠杆菌后仍然可以具有复制能力，这项成就宣告基因工程的诞生，因为这是第一次人类打破物种界限实现了基因转移。,1974,年：继续合作，将含有非洲爪蟾基因的质粒整合到宿主菌中，意味着将来动物甚至人类的基因都可以在大肠杆菌中表达，具有超强繁殖能力的大肠杆菌将可以作为高等生物目的蛋白质生产的“理想工厂”。,1976,年：,Boyer,成立美国基因工程技术公司,(Genentech,，简称基因泰克,),，生物技术行业的创始者；,1977,年：公司制造出荷尔蒙生长抑制素；,1978,年合成人类胰岛素；,1979,年合成生长素；,1980,年合成干扰素。,1985,年：将基因工程产品,人胰岛素推向了市场，开始了真正服务于大众。,1986年：著名生物学家、诺贝尔获奖得主雷纳托. 杜尔贝科(,Renato Dulbecco,), 在Science杂志上率先提出“人类基因组计划”,(Human Genomic Project,简称,HGP)。,1990年：10,月美国政府出资30亿美元正式启动,“,人类,基因组计划”，预计2005年得到人体全部基因序列 (共约30亿个碱基对全序列)，有美、英、日、德、法参加。,1999年：7月我国在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂从D3S3610至端粒的30 Mb区域上3000万个碱基对的测序任务 (占整个基因组的1%)，简称1%项目。,2001,年：6月,Venter(,美,),等报道：完成了,人类基因组,草图测序。,2003,年：国际人类基因组单体型图计划（简称HapMap计划）。,2007,年：,11,月第一个中国人基因组序列图谱“炎黄一号”的绘制和分析工作完成。,History of Biochemistry,克隆羊,1997,年,罗斯林研究所,爱尔兰生物学家,Wilmut,成功地培育出世界上第一头体细胞克隆羊，首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质,多莉（,Dolly,），美国,科学,杂志评为,1997,年世界十大科技进步的第一项。,2003,年,2,月,14,日因患晚期肺病和关节炎，被处以安乐死。,克隆羊“多利”的成功诞生,66%,应归功于其同事坎贝尔博士。有关冷冻细胞以用于克隆的构想是由坎贝尔博士提出的，而最终导致克隆羊“多利”诞生的实验则是由科学家比尔,里奇进行的。,2006,年,03,月,07,日伊恩,维尔莫特承认 “多利”之父不是他！,克隆羊,克隆羊多莉死了，更多的多莉活了,(2010-11,),新多莉,(Dollies),是多莉的百分百复制品，与捐献乳腺组织的母羊毫无差异。基思,坎贝尔博士在将,Dollies,当成宠物喂养。他说：“多莉仍然活着并且很健康。从遗传的角度上说，它们就是多莉。”,Dollies,是,3,年半前出生的。,克隆羊多莉（,Dolly,）已经获得“重生”。最初进行此项克隆研究的科学家诺丁汉大学，基思,坎贝尔博士又培育出,4,只克隆羊，被形象地称之为“,Dollies”,（多莉的复数）。,2005,年,8,月,3,日，韩国汉城大学教授黄禹锡展示世界上首只克隆狗,-,阿富汗公犬,“,Snuppy” (Seoul National University Puppy),“首尔国立大学狗狗”的缩写,。,Snuppy,（右）与“爸爸”,“Snuppy”,全家福,克隆狗,“,韩国的民族英雄，是克隆技术的权威。”,干细胞造假案,2006,年韩国政府已经取消其“韩国最高科学家”称号，并免去他担任的一切公职。美国,科学,杂志正式撤销黄禹锡造假论文两篇。,韩国克隆之父黄禹锡造假风波,2011,年,10,月黄禹锡研究团队利用狗的卵子成功异种 克隆了,8,只郊狼。异种克隆尚属首次 。,2011,年,10,月,17,日，在韩国京畿道野生动物救助中心，韩国科学家黄禹锡,(,右,),将 一只克隆郊狼送给京畿道知事金文洙。团队接下来将挑战非洲野狗等濒危动物的克隆。,韩国异种克隆,8,只郊狼,克隆雌狗,2006,年,6,月韩国首次成功克隆雌狗，利用耳朵细胞，克隆成功率达到,Snuppy,的,30,倍。,2008,年,9,月,世界首例克隆狗“,Snuppy,” 当爸爸了,。,Bona,、,Peace,、,Hope,狗宝宝双亲都是克隆狗，世界首例,证明克隆狗有繁殖能力,。,2009,年,6,月,17,日美克隆,德牧“特拉克” ，于,2009,年,4,月死亡。,“,特拉克”,的五只克隆犬,9.11,事件英雄搜救犬,2001,年,12,月,22,日克隆猫,2000,年克隆牛,2001,年,3,月克隆转基因小猪,2007,年,2,月克隆兔,2000,年,6,月克隆北山羊,2007,年,6,月克隆驴,克隆动物,2003,年,01,月,27,日中国克隆羊首次在上海亮相,台湾第一对双胞胎克隆羊,2003,年,07,月,24,日周岁，她们从同一只羊的耳朵组织复制出来的。,自体克隆马，,2003,年,5,月,28,日降生“普罗米塔,”,从“代孕母亲”身上提取细胞克隆出后代,2007,年,11,月美国科学家成功克隆出猴子胚胎，,10,岁雄性恒河短尾猴,克隆技术,担忧？,恐惧？,第,20,章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,二、化学反应中自由能的变化和意义,三、高能磷酸化合物,体系、环境、状态,能的两种形式,热与功,热力学第一定律和内能,(internal energy),、焓,(enthalpy),热力学第二定律和熵,(entropy),自由能,(free energy),第,20,章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,热力学第一定律：能量守恒定律,热力学第二定律：熵定律,自由能：,G = H - TS,G:,自由能变化,H,：总热能变化,S,：总体熵的改变,G,0,时，体系的反应能自发进行,(,为放能反应,),；,G,0,时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行,(,为吸能反应,),；,G = 0,时，表明体系已处于平衡状态。,第,20,章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,1.,有关定律,2.,自由能（,free energy,）,物理意义：,*,(,体系中能对环境作功的能量,),自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：,G 0,，反应不能自发进行,G = 0,，反应处于平衡状态。,自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。,第,20,章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,1,、化学反应的自由能变化的基本公式,G = H - TS,2,、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系,3,、偶联化学反应,G,变化的可加性,4,、能量学用于生物化学反应中的一些规定,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,化学反应自由能的变化和平衡常数的关系,假设有一个化学反应式：,aA + bB = cC + dD,恒温恒压下：,G=G+ RTlnQc,式中：,G= - RTlnKeq,G ,某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的,pH,和温度而改变的自由能变化。,Qc -,浓度商：,G ,标准条件（,T=298,O,K,大气压为,1atm,反应物和生成物浓度为,1mol/L,pH=7.0,）下，化学反应自由能的变化。,Keq -,平衡常数：,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,化学反应自由能的变化和氧化,-,还原电势的关系,氧化,-,还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：,G=,nFE,任何一个氧化,-,还原反应，在理论上都可以构建成一个,原电池,。氧化,-,还原物质连在一起，都可以有氧化,-,还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原,(E,0,),，电池的标准电动势可用下式计算：,0,（,E,0,）,= E,0,正极,-,E,0,负极,生物体内的氧化还原物质在进行氧化,-,还原反应时，基本原理和原电池一样。,氧化,-,还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：,0,（,E,0,）,= (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,原电池示意图,E,0,= E,0,正极,-,E,0,负极,=,+,0.34,V - (-0.76 V) = + 1.10 V,负极反应,:,Zn = Zn,2+,+ 2e E,0 Zn,2+,/,Zn,= - 0.76 V,正极反应,:,Cu = Cu,2+,+ 2e E,0 Cu,2+,/,Cu,= + 0.34 V,检流计,盐桥,ZnSO,4,CuSO,4,e,+,-,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,例：反应,G-1-P,G-6-P,在,38,达到平衡时，,G-1-P,占,5%,，,G-6-P,占,95%,，求, G,0,。如果反应未达到平衡，设,G-1- P=0.01 mol/L,，,G-6-P=0.001 mol/L,，,求反应的, G,是多少？,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,G=G+ RTlnQc (Qc-,浓度商,),=-7.6+ 2.303,8.314,311,log0.1,=-13.6KJ.MOL-1,未达平衡时,=Qc=0.1,达平衡时,=Keq=19,解：,G= - RTlnKeq,=-2.303,8.314,311,log19,=-7.6KJ.mol-1,NADH + H,+,+ 1/2O,2,NAD,+,+ H,2,O,正极反应：,1/2O,2,+ 2H,+,+ 2e,H,2,O E,+,0.82,负极反应：,NAD,+,+ H,+,+ 2e,NADH E,-,- 0.3,G,- nFE, ,- 2 96485 0.82 - (-0.32),-2 20 KJmol,-1,例题：计算下反应式,G,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,偶联化学反应,G,变化的可加性,在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：,A = B+C G= + 20.92 KJ/mol, B = D,G= - 33.47 KJ/mol,则,A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,能量学用于生物化学反应中的一些规定,生物能量学（,bioenergetics,）：,定量研究发生在活细胞中的能量转换记者谢转换背后化学过程的特性和功能的科学。,在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度（近似的即活度）为,1.0,。,生物体标准状况的,pH,规定为,7.0,。,G,是,pH,为,7.0,时的标准状况下的标准自由能。,根据国际单位制,(Le Systeme international Unut,，简称,SI,单位,),，热和能量的单位用焦耳,/,摩尔,(Joules/mol),。,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,生物系统中的能流,第,20,章 生物能学,二、化学反应中自由能的变化和意义,生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（, 25 kJ/ mol,）的化合物称为,高能化合物,。高能键用,表示。,1,、高能化合物的类型,2,、,ATP,的特点及其特殊作用,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,指机体内磷酸化合物的,磷酰基水解,时，释放出大量自由能的这类化合物叫,高能磷酸化合物,。一般水解时释放出,25 kJ/mol,以上自由能的键视为高能键，高能键用,表示。,烯醇式磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,胍基磷酸化合物,硫酯键化合物,甲硫键化合物,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,高能化合物的类型,*,UTP,参与多糖合成,*,CTP,参与脂类合成,*,GTP,参与蛋白质合成,其它高能磷酸化合物,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,磷酸肌酸和磷酸精氨酸可通过磷酸基团的转移作为储能物质，,称为磷酸原（,phosphagen,）。,磷酸肌酸,（,phosphocreatine,）,是易兴奋组织如肌肉、脑、神经等惟一能起暂时,储能作用,的物质。肌肉中的含量比,ATP,高,4,倍，,大脑,中是,1.5,倍，可贮存供短期活动用的、足够的磷酸基团。活动后的恢复期，积累的肌酸又可被,ATP,磷酸化，重新生成磷酸肌酸。,磷酸精氨酸,（,arginine phosphate,PA,）,是无脊椎动物肌肉中的储能物质，与磷酸肌酸类似。,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,ATP,的结构特性,ATP,（三磷酸腺苷或叫腺苷三磷酸）是高能磷酸化合物的典型代表，由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸。,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,在,pH=7,环境中，,ATP,分子中的三个磷酸基团完全解离成带,4,个负电荷的离子形式（,ATP,4-,），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（,G=,30.5,千焦,/,摩尔）。,ATP,的特点,ATP,4-,+ H,2,O,ADP,3-,+ Pi,2-,+ H,+,G,-30.5 kJ/mol,腺嘌呤,核糖, O P O P O P O,-,O,O,O,O,-,O,-,O,-,+,+,+,Mg,2,+,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,ATP,在能量转运中地位和作用,ATP,是细胞内的“能量通货”，寿命：,46,秒,ATP,是细胞内磷酸基团转移的中间载体,P,P,P,P,ATP,P,0,2,10,8,6,4,12,14,磷酸基团转移能,磷酸烯醇式丙酮酸,3-,磷酸甘油酸磷酸,磷酸肌酸,（磷酸基团储备物）,6-,磷酸葡萄糖,3-,磷酸甘油,ATP,能为在中间,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,* 生物合成做化学功时所需能量；,* 机体活动以及肌肉收缩的能量来源；,* 供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需的自由能；,*,DNA,、,RNA,和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，也起递能作用。,ATP,形式贮存的自由能可提供,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,萤火虫的发光机制,William McElroy,和约翰,-,霍普金斯大学的同事分离出,荧光素（复杂的羧酸）和荧光素酶,萤火虫荧光素,荧光素酰腺苷酸,再生反应,第,20,章 生物能学,三、高能磷酸化合物,思考题,第,20,章 生物能学,第,21,章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输,二、小分子物质的运输,三、生物大分子的跨膜运输,四、离子载体,五、生物膜运输的分子机制,第,21,章 生物膜与物质运输,生物膜的组成,外周蛋白,膜内在蛋白,(,单跨膜螺旋,),与脂质共价连接的外周蛋白,极性磷脂头部,膜内在蛋白,(,多跨膜螺旋,),固醇,脂双层,糖蛋白的寡糖链,糖脂,非极性脂肪酰链,生物膜流动镶嵌模型,(fluid mosaic model),第,21,章 生物膜与物质运输,第,21,章 生物膜与物质运输,第,21,章 生物膜与物质运输,能量转换,氧化磷酸化,(,线粒体,),、光合磷酸化,(,叶绿体,),信息识别与传递,生物信号,(G-,蛋白偶联受体和第二信使、视觉、 嗅觉、味觉的信号传导、致癌基因、肿瘤抑制基因等,),物质运输,生物膜具有通透性和高度选择性,生物膜功能：,一、被动运输与主动运输,第,21,章 生物膜与物质运输,被动运输(,passive transport),：,顺浓度梯度方向的跨膜运送物质。,物质的运输速率既依赖于膜两侧运送物质的浓度差，又与被运送物质的分子大小、电荷和在脂双层中的溶解度有关。,例：,1.,带电或极性物质,转运蛋白,2.,红细胞葡萄糖转运,葡萄糖转运蛋白（,GluT1,）,3.,红细胞的,Cl,-,和,HCO,3,-,转运,阴离子交换蛋白,在膜蛋白协助下的被动运输 (,passive transport),与水结合的溶质,无转运蛋白的简单扩散,有转运蛋白的简单扩散,转运蛋白,一、被动运输与主动运输,第,21,章 生物膜与物质运输,带电或极性物质,转运蛋白,溶质的简单扩散,被选择性渗透,障碍所阻止。,极性或带电的溶质：, 去除水合层中与水分子相互作用；, 通过溶解性较差的溶剂扩散,。,过程需要高能量,G,。,协助扩散,(facilitated diffusion),或被动转运,(passive transport),：,极性化合物和离子的跨膜通道是由膜蛋白组成的，降低转运的活化能。,转运蛋白,(transporters),或穿透酶,(permeases),红细胞葡萄糖转运蛋白介导被动运输(,Passive Transport,),葡萄糖进入红细胞是通过葡萄糖特异性转运蛋白的协助扩散来实现的。,红细胞的葡萄糖转运蛋白,(glucose transporter, GluT1)结构模型,GluT1：,红细胞膜内在蛋白(,M,r,45 000)，有12个疏水片段，形成12个跨膜螺旋，,螺旋片段表面上极性和非极性氨基酸残基的分布，形成,两亲性螺旋,5-6,个两亲性螺旋边边相加，极性面向内，构成跨膜通道，,Glc,与极性氨基酸残基形成氢键。,血浆葡萄糖浓度：5 mM，葡萄糖扩散速度是未催化扩散的5万倍,一、被动运输与主动运输,第,21,章 生物膜与物质运输,糖尿病人的葡萄糖转运缺陷,GluT4,：,肌肉和脂肪中的葡萄糖转运的蛋白，能被胰岛素激活。,摄入葡萄糖过量,肌糖原,心肌,骨骼肌,三酰甘油,脂肪细胞,当胰,岛素与受体结合，囊泡移到膜表面并与其融合，从而增加质膜表面,GluT4,数量。,胰腺释放胰岛素,这些细胞膜含有葡萄糖转运蛋白,GluT4,GluT4,贮存在细胞内的,囊泡,膜,上。,当胰岛素水平下降，,GluT4,通过胞吞作用重新从质膜上移回胞内，形成囊泡。,小囊泡与内涵体融合。,内涵体出芽形成小囊泡，以备胰岛素水平升高时，重新移到细胞表面。,GluT4,型,糖尿病人不能释放胰岛素，导致肌肉和脂肪组织对葡萄糖的吸收率很低，后果血糖增高。,一、被动运输与主动运输,第,21,章 生物膜与物质运输,*GluT2,：,将肝糖原分解的葡萄糖转运出肝细胞。,能够根据胞内葡萄糖增加相应增加葡萄糖向外转运速率。,氯离子与碳酸氢根离子的协同转运(Cotransport),氯离子与碳酸氢根离子交换蛋白,(chloride-bicarbonate exchanger),又称,阴离子交换蛋白,(anion exchange (AE) protein),氯离子与碳酸氢根离子交换蛋白,：,膜内在蛋白，有12个疏水片段，形成12个跨膜螺旋。,协同运输,：转运蛋白调节2种阴离子同时移动。,反向运输(antiport),：两种底物向相反方向移动。,同向运输(symport),：两种底物同时沿相同方向移动。,单向运输(uniport),：只运转一种底物。,分解代谢产生的,CO,2,进入红细胞,碳酸氢根溶解在血浆中,碳酸酐酶,在肺中,在呼吸组织中,CO,2,离开红细胞并被呼出,碳酸氢根从血浆中进入红细胞,红细胞的另一种协助扩散系统,一、被动运输与主动运输,第,21,章 生物膜与物质运输,第,21,章 生物膜与物质运输,主动运输(active transport)：,物质逆浓度或逆电化学梯度的运输，需要供给能量,(,needs to provide energy from surrounding),G = 2.3 RT lg (C2/C1) + ZF,V,如：,C2 C1, G 0,过程不能自发进行，,需要供给能量,一、被动运输与主动运输,主动运输特点：,专一性：专一运输特定物质；,运输速度可以达到“饱和”状态；,方向性；,选择性抑制；,需要提供能量。,主动运输需要两个体系：,参与运输的传递体,由酶或酶系组成的能量传递系统,溶质的聚集直接与放热的化学反应偶联。,ATP水解释放能量驱动溶质X逆电化学梯度运动。,一个溶质的耗能运输与另一溶质的释放流动相偶联，释放的能量由初级主动运输提供的。,初级主动转运建立X离子的浓度梯度，X顺电化学梯度移动为第二溶质S逆电化学梯度运动提供能量。,主动转运是一种能量消耗途径。,如太阳光的吸收、氧化反应、,ATP,分解等。,第,21,章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输,初级主动运输,次级主动运输,初级主动运输,1. P-,型,ATP,酶的Na,+,K,+,的主动协同运输,2. P-,型,ATP,酶的Ca,2+,泵,3. F-,型的,ATP,合酶,4. ABC,转运蛋白：多药物转运蛋白,次级主动运输,1.,糖和氨基酸的运送,大肠杆菌的乳糖和,H,+,的同向运输,2.,糖和氨基酸的运送,小肠上皮细胞的葡萄糖和,Na,+,的同向运输,第,21,章 生物膜与物质运输,一、被动运输与主动运输,P,-型,V,-型,F,-型,P,：磷酸化,V,：液泡,F,：能量伴生因子,乳糖和,H,+,的同向运输,第,21,章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,P-型ATP酶催化Na,+,与K,+,的主动协同运输,Jens Skou,1957,年发现,Na,+,K,+,ATP酶,，,2个单体的膜内在蛋白，均跨膜存在。,细胞内,Na,+,的浓度比周围液体环境低，,K,+,则相反。,膜电位,胞外液体或血浆,细胞质,转运蛋白从细胞内结合,3,个,Na,+,磷酸化作用形成,P-Enz,转运蛋白释放,3,个,Na,+,到胞外，并结合胞外的2个K,+,去磷酸化，产生,Enz,转运蛋白向细胞内释放,2,个,K,+,Enz,与Na,+,亲和力高；,P-Enz,与K,+,亲和力高,Na,+,K,+,ATP,酶特异性抑制剂,类固醇衍生物,乌本苷,(,ouabain，,洋地黄的活性成分，用于治疗充血性心力衰竭)。抑制酶使胞内,Na,+,浓度升高，激活,Na,+,-Ca,2+,反向转运蛋白，使胞内,Ca,2+,浓度升高，从而加强心肌收缩。,电势差是神经细胞中电信号传导的中心。,Na,+,的浓度差可驱动许多类型细胞中溶质逆浓度梯度的转运。,Na,+,K,+,ATP酶,第,21,章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,P-型Ca,2+,泵维持胞质中低浓度的Ca,2+,细胞质中游离,Ca,2+,浓度是,100 nmol/L,，远远低于周围介质。,肌细胞中，,Ca,2+,集,中在一种特殊的内质网,肌质网中，,肌质网膜钙泵,(SERCA )：,膜内在蛋白，一条肽链,10,次跨膜，,在胞质中的结构域较大，含有,ATP,结合区和可逆磷酸化的,Asp,残基。,磷酸化酶：胞质侧与,Ca,2+,亲和力高的部分暴露出来；,去磷酸化酶：内质网腔侧与,Ca,2+,亲和力低的部分暴露出来。,通过,2,种形式转换，,ATP,水解为,ADP,和,Pi,，能量用于实现,Ca,2+,的跨膜逆电化学梯度转运。,mmol,级的无机磷酸盐,(P,i,和PiP,i,),+ Ca,2+,钙磷酸盐(难溶),Ca,2+,需要低浓度水平,质膜钙泵,Ca,2+,泵出,胞外,内质网,细胞质,内质网钙泵,Ca,2+,泵入,内质网,细胞质,肌质网膜钙泵,(SERCA ),P-,型,ATP,酶,第,21,章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,F-型ATP酶(F-type ATPases)是可逆的、ATP驱动的质子泵,F-,型,ATP,酶,：,在细菌、线粒体和叶绿体的能量贮存反应中处于核心位置。,催化以,ATP,水解驱动质子逆浓度梯度的跨膜运动；,质子的反方向流动中能驱动,ATP,的合成。,F-,型,ATP,酶/,ATP,合酶,：多亚基复合物，,膜内在蛋白,F,0,(跨膜通道)，产生ATP。,外周蛋白,F,1,(分子马达)，所用能量由ATP水解释放。,活性在于F1蛋白。,F-,型,ATP,酶的可逆性：,ATP,驱动的质子转运蛋白也在质子沿电化学梯度流动时催化,ATP,合成。,氧化磷酸化和光合磷酸化中的作用,the FoF1 ATPase/ATP synthase,Reversibility of F-type ATPases,第,21,章 生物膜与物质运输,二、小分子物质的运输,ABC转运蛋白利用ATP驱使多底物的主动转运,ABC,转运蛋白：,单一底物：特异性针对一种物质,多底物：氨基酸、多肽、蛋白质、金属离子、 脂质、胆汁盐和疏水性化合物、药物,20,世纪,80,年代抗癌药的抗药性研究发现,多药物转运蛋白(multidrug transporter, MDR1)：,癌细胞膜上依赖ATP的转运蛋白，将不同的药物运出细胞，阻止抗癌药物在癌细胞内聚集，具有阻止其抑制细胞生长作用，阻断药物(阿霉素、长春碱等)的治疗。,致病：,囊性纤维变性(遗传性胰腺病),高密度脂蛋白缺乏症,视网膜变性,贫血症,肝功能衰竭,物种,编码,ABC,转运蛋白的基因数量,人类,48,酵母,31,果蝇,56,大肠杆菌,80,脂质翻转酶,维生素,B12,的转入蛋白,ATP,结合区,两种酶的结构：,同源二聚体，,在细胞质一侧有：,2,个,ATP,结合区,NBDs,(nucleotide binding domains),和2个跨膜区，,MsbA一个亚基,有,6,个跨膜片段，,BtuCD一个亚基,有,10,个跨膜片段。,第,21,章 生物膜与物质运输,三、生物大分子的跨膜运输,1.,外排作用,胞吐作用,2.,内吞作用,胞吞作用,吞噬作用、胞饮作用、受体介导的胞吞作用,3.,蛋白质的跨膜运送,内吞或外排、通过内质网膜、通过线粒体、叶绿体膜,第,21,章 生物膜与物质运输,三、生物大分子的跨膜运输,从高尔基体上发芽产生小泡,膜融合,胞吐作用,内涵体和溶酶体融合,胞吞作用,精子与卵子融合,病毒感染,与小液泡融合,(,植物,),细胞分裂两个质膜分离,生物膜的一个显著特征,在不破坏其完整性的情况下，与其他膜进行融合。,胞吐作用,：细胞通过囊泡的形成并与细胞膜 融合而将胞内物质,(,液态或固态,),排出到细胞外基质的过程。,胞吞作用,：质膜凹陷将所摄取的液体或颗粒物质包裹形成泡，质膜融合，形成细胞内的独立小泡。人类和动物的许多细胞均靠胞吞作用摄取物质。主动运输，需要消耗,ATP,。,分泌物,小泡,膜融合,(Membrane Fusion),过程在一些生物进程中发挥核心作用,第,21,章 生物膜与物质运输,四、离子载体,(ionophores),1.,缬氨霉素,2.,“,A23187”,载体,3.,尼日利亚菌素,4.,短杆菌肽,A,与K,+,结合的肽离子载体缬氨霉素 (Valinomycin，凡林霉素)环形小分子肽，环绕在K,+,周围，中和正电荷。,这种肽可以携带K,+,顺浓度梯度穿过细胞膜进入细胞，使其胞内外浓度梯度缩小，破坏跨膜离子梯度。,K,+,与,K,+,结合的氧原子,疏水外面,亲水腔,凡林霉素,和,莫能菌素,(monensin，一种Na,+,载体)都是抗生素，可以通过扰乱次级转运和能量贮存反应来杀死微生物细胞。,离子载体(ionophore)：能够携带离子进入细胞膜的物质。,离子载体分两类：,通道形成体,(channel former),移动性离子载体,(mobile ion carrier),第,21,章 生物膜与物质运输,五、生物膜运输的分子机制,1.,移动性载体模型,2.,孔道或通道模型,3.,构象变化假设,蛋白质的跨膜运送,1.,分泌蛋白通过内质网膜的运送,信号肽,(signal sequences),：,20,个氨基酸残基中有,12-14,个疏水性残基,信号识别蛋白体,(signal recognition particle, SRP),停泊蛋白,(docking protein, DP),2.,线粒体蛋白的跨膜运送,导肽（,leader sequences,）,Unfolding ,Refolding,第,21,章 生物膜与物质运输,Nobel Prize of Physiology or Medicine 1999,Blobel, Guenter,德国人,美国洛克菲勒大学,for the discovery that proteins have intrinsic signals that govern their transport and localization in the cell,内质网膜,成熟蛋白,signal sequences,or,topogenic signals,思考题,第,21,章 生物膜与物质运输,主动运输和被动运输,Na,+,K,+,运输,Ca,+,运输,Cl,-,和,HCO,3,-,的运输,胞吞作用和胞吐作用,一、糖酵解作用的研究历史,二、糖酵解过程概述,三、糖酵解和酒精发酵的全过程图解,四、糖酵解第一阶段的反应机制,五、糖酵解第二阶段,放能阶段,六、由葡萄糖转变为两分子丙酮酸能量转变的估算,七、丙酮酸的去路,八、糖酵解作用的调节,九、其他六碳糖进入糖酵解途径,第,22,章 糖酵解作用,(Glycolysis),糖代谢,单糖,(,Monosaccharides,),D-,醛糖,D-,酮糖,D-,甘油醛,D-,赤藓糖,D-,核糖,D-,阿拉伯糖,D-,木糖,D-,葡萄糖,D-,甘露糖,D-,半乳糖,二羟丙酮,D-,赤藓酮糖,D-,核酮糖,D-,木酮糖,D-,果糖,糖代谢,二糖,(,Disaccharides,),又称食糖，分布于甘蔗、甜菜中,蔗糖,Glc (1, 2,) Fru,或,Fru(,21,)Glc,-D-,吡喃型果糖,-D-,吡喃型葡萄糖苷,海藻糖,Glc(,1 1,)Glc,-D-,吡喃型葡萄糖,-D-,吡喃型葡萄糖苷,仅存在乳汁中,乳糖,(,型,),Gal(,1 4)Glc,-D-,吡喃型半乳糖,-(1 4,)-,-D-,吡喃型葡萄糖,还原端,没有游离异头碳，非还原性糖,昆虫循环体液成分，体内能量的贮存方式,没有游离异头碳，非还原性糖,二糖含有糖苷键,(,O,-glycosidic bond),(1),淀 粉,(2),糖 原,(3),纤维素,(4),几丁质,贮存多糖,（能源物质）,结构多糖,（植物细胞壁和动物外骨骼）,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,非还原端,还原端,直链淀粉,支链淀粉,-D-,葡萄糖，,(,14) glycosidic bond,支链,主链,淀粉是贮存的燃料，以淀粉粒形式贮存于,植物细胞中,(,16),2,条支链或,1,条支链和,1,条直链形成双螺旋结构，,降解从非还原末端去掉一个,Glc,残基,。,多糖,(1),淀粉,(Starch),淀粉粒,直链淀粉,支链淀粉,多个,非还原端,一个,还原端,多糖,(1),淀粉,(Starch),糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,-,淀粉酶,-,淀,粉酶,葡萄糖淀粉酶,-1,6-,糖苷酶,非还原端,非还原端,多糖,(1),淀粉,(Starch),淀粉酶,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,肝 脏：肝糖原,骨骼肌：肌糖原,糖原又称动物淀粉，存在于动物细胞的胞液内,糖原结构与支链淀粉相似，但分支程度更高，分支链更短，结构紧密。,多糖,(2),糖原,(glycogen),在体内,糖原磷酸化酶,可降解,糖原的,非还原端,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,纤维素是自然界最丰富的有机物质，植物细胞壁的主要成分。,多糖,(3),纤维素,(cellulose),线状无分支，,1,万到,1.5,万个,-,D-,葡萄糖单体构成，,链中每个葡萄糖残基相对于前一个残基翻转,180,。,-D-,葡萄糖，,(,14) glycosidic bond,(14),糖苷键连接的,2,个,D-,葡萄糖单位,2,条平行的纤维素片段,Most abundant polysaccharide.,(14) glycosidic linkages.,Result in long fibers for plant structure.,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,纤维素与淀粉结构差异,纤维素 淀粉和糖原,(,14),糖苷键、线状结构,(,14),糖苷键、卷曲螺旋状结构,人的唾液和小肠分泌物中含有,-,淀粉酶，可以催化连接葡萄糖的,(,14),糖苷键的断裂，进而水解食物中的淀粉和糖原。,但大多数动物体内没有水解,(14),糖苷键的酶，不能利用纤维素作为能量物质。,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,多糖,(3),纤维素,(cellulose),纤维素与生物燃料,第一代生物燃料,：,原料：,可食用作物,玉米、大豆、甘蔗,第二代生物燃料,原料：,纤维素,农业废弃物,(,麦草、玉米秸秆、玉米芯,),工业废弃物,(,制浆和造纸厂的纤维渣,),林业废弃物,城市废弃物,(,废纸、包装纸,),Feedstock pretreatment,Enzyme hydrolysis,Fermentation,Fuels and products,生物燃料,：通过生物资源生产的,燃料乙醇,和,生物柴油,，可以替代由石油制取的汽油和柴油。,知识拓展,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,膳食纤维与健康饮食,多糖,(3),纤维素,(cellulose),有助于肠内大肠杆菌,合成多种维生素,；,比重小，体积大，有饱食感，有利于,减肥,；,刺激胃肠道，使消化液分泌增多、增强胃肠道蠕动，,防治便秘,；,可溶性纤维在肠内形成凝胶等作用，,使糖的吸收减慢,；,降低血液胆固醇含量、预防心血管疾病；,预防糖尿病；,预防结肠癌。,膳食纤维,：不易被消化的食物营养素。,成 分：主要是非淀粉多糖的多种植物物质,（纤维素、木质素、几丁质、果胶等）,分两类：,非水溶性膳食纤维,和,水溶性膳食纤维,作 用：,副作用：妨碍消化与吸附营养的副作用,知识拓展,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,又称甲壳素、动物纤维素,多糖, (4),几丁质,(chitin),几丁质在自然界中的数量仅次于纤维素，存在于节肢动物外骨骼。,N-,乙酰,-D-,葡糖胺，,(14) glycosidic bond,线状无分支，其结构与纤维素相似，,唯一不同处：乙酰化的氨基取代了,C,2,-OH,。,几丁质代谢酶：,几丁质合酶,几丁质内切酶,几丁质外切酶,几丁质去乙酰化酶,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,壳聚糖,(chitosan),：,别名： 壳多糖、脱乙酰甲壳素、几丁聚糖等,化学名称：聚葡萄糖胺、,(14)-2-,氨基,-,-D-,葡萄糖,是由几丁质脱乙酰基的产物。,N-,乙酰基脱去,55%,以上称为,壳聚糖,。,N-,乙酰度在,50%,以下都被称为,甲壳素,。,多糖,(4),几丁质,(chitin),脱乙酰基程度,(D.D),决定了大分子链上氨基,(NH,2,),含量的多少，而且,D.D,增加，由于氨基质子化而使壳聚糖在稀酸溶液中带电基团增多，聚电解质电荷密度增加，其结果必将导致其结构，性质和性能上的变化，,生理活性：,1.,控制胆固醇,2.,抑制细菌活性,3.,预防和控制高血压,4.,吸附和排泄重金属,5.,免疫效果,应用：,1.,化妆品,2.,絮凝剂,3.,农业、饲料、饵料,4.,吸附剂,5.,烟草,(,烟胶,),糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,多糖,(4),几丁质,(chitin),昆虫几丁质代谢酶：杀虫剂的新靶标,知识拓展,糖代谢,多糖（Polysaccharide,）,昆虫特有的生理过程,糖代谢,糖是生物