代谢总论-生物能学.ppt
代谢总论,General Introduction to Metabolism,新陈代谢简称代谢(metabolism)是指生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程，也是活细胞内所有化学变化的总称。包括两种代谢作用:,一、新陈代谢的概念,生物体内酶催化的化学反应是连续的，前一种酶作用的产物往往是后一种酶作用的底物，这种在代谢过程中连续转变的酶促反应产物统称为中间产物（metabolic intermediates)或简称代谢物（metabolites)。新陈代谢途径中的个别步骤称中间代谢(intermediary metabolism)。主要谢途径（central metabolic pathway),分解代谢（catabolism),也称异化作用(disassimilation)合成代谢（anabolism),也称同化作用（assimilation）,每种代谢作用都包含两个方面：物质代谢（substance metabolism）:物质的合成与分解能量代谢（energetic metabolism）:能量的转换、储存和释放,生长旺盛时：合成代谢分解代谢成长的生物：合成代谢分解代谢衰老或饥饿：合成代谢分解代谢,二、代谢作用的特点,1.代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列 的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序 性。,2.代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所 催化,代谢过程中连续转变的酶促产物称代谢物。,3代谢作用具有高度灵敏的自我调节。,整体水平:主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节。,细胞水平:主要通过胞内酶布局的区域化而实现,分子水平:主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现,三、代谢作用中的能量关系,分解代谢:是代谢作用的分解过程，有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、CO2和NH3等），分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和还原的电子载体（NADH、NADPH和 FADH2），其余的作为热量散失。,合成代谢:也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等，合成代谢需要能量的输入，通常需要ATP分子磷酸酯键的转移和还原力（NADH、NADPH 和FADH2）。,根据生物由环境中获得碳的化学形式，生物可分为两大类型：,自养生物(Autotrophs)：可利用大气中的CO2作为惟一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。,异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。,许多自养生物可进行光合作用，利用太阳能作为能量来源，而异养生物通过分解自养生物产生的有机营养物获得能量。生物圈中自养生物和异养生物生活在一起，自养生物利用空气中的CO2建造自己的有机生物分子，有些还分解水产生O2；反过来异养生物利用这些有机物作为营养物质，把CO2排放到大气中去，有些在氧化反应中消耗O2产生水。其中C、O2和H2O在自养和异养间不断循环，太阳能是其中的驱动力。,太阳是地球上所有生物最根本的能量来源,代谢总貌,ATP起捕获和贮存能量的作用能量传递系统：ATP,ADP，无机磷以ATP形式贮存的能量有以下作用：,（1）提供生物合成所需能量,（2）机体活动及肌肉收缩所需能量,（3）营养物跨膜运输所需能量,（4）DNA,RNA，蛋白质等合成中，保证基因信息正确 传递。,由分解代谢释放出的化学能，除合成ATP外，还以氢原子和电子的形式供给生物合成的需能反应，其中，辅酶（NAD）、辅酶（NADP）、FMN和FAD在这一过程中起重要作用。,烟酰胺（维生素PP）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）,（H-：）,FMN和FAD,(VB2),核黄素,核黄素单核苷酸,核黄素腺嘌呤二核苷酸,异咯嗪,辅酶A（CoA）在能量代谢中的作用,乙酰Co-A形成的硫酯键和ATP的高能磷酸键相似，水解时可释放出大量自由能。许多代谢的终产物都能形成乙酰Co-A。,C,H,3,CS,C,o,A,O,辅酶A,(VB3),四、代谢中常见的有机化学反应机制,基团转移反应,氧化-还原反应,消除、异构化和重排反应,碳-碳键的形成与断裂反应,代谢研究所指的活细胞是一种概括的说法，既来自于单细胞、也来自于多细胞生物、还包括病毒和噬菌体等。代谢研究主要是对中间代谢的研究。可以在不同的水平上进行，用生物整体的研究称体内研究，用 in vivo表示，用组织切片、匀浆、提取液作为材料的研究体称外研究，用in vitro表示。,五、代谢研究的方法,1、酶抑制剂的应用,代谢研究主要方法：,2、同位素示踪法,3、气体测量法,4、核磁共振波谱法,5、利用遗传缺陷症研究代谢途径,酪氨酸氧化酶,尿黑酸氧化酶,生物能学(Bioenergetics),一、有关热力学的一些基本概念,1.体系、环境、状态,2.能的两种主要形式 热与功,3.内能(internal energy)、焓(enthalpy)和热力 学第一定律 内能:U(E)焓（H：体系的热含量)；焓变：H=U+PV,热力学第一定律：能量守恒定律，U=Q-W 生物化学中近似恒压恒容，所以：HU,4.热力学第二定律和熵(entropy)热的传导只能由高温物体传至低温物体。熵S：体系质点散乱无序程度 熵变S，隔离体系：S=S体系+S环境0,式中“=”表示可逆的过程，S=0,此时体系处于平衡状态。“0”表示可逆的过程，体系熵增加。所有自发过程都是不可逆的，熵总是增加。形成一个高度有序的生物体之所以可能，是由于本身的熵降由环境的熵增加所抵消并有余。新陈代谢过程使生物有机体不断向环境释放其生命活动不得不产生的全部正熵。用熵作为衡量生化过程能否自发进行是困难的，自由能则可以。,二、自由能（free energy）,在温度和压力不变时：*(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：G0，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能力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。,标准自由能改变（G）：25度、1大气压、反应物、产物浓度均为1mol/L(有氢离子参加时，其浓度也是1mol/L，pH为0)时。G=G+RTln生成物/反应物反应达到平衡点时 G=0 G=G+RTlnK平，G=-RTlnK平生化标准自由能改变：pH=7 G=-RTlnK平（单位：J/mol或kJ/mol）,三、化学反应中自由能的变化,G，G，G,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,G0=-RTlnKeq=-2.3038.314 311 log19-1,G=G0+RTln生成物/反应物=-7.6+2.3038.314 311 log 0.1=-13.6 KJ.MOL-1,未达平衡时=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设G-1-P=0.01mol/L，G-6-P=0.001mol/L，求反应的G 是多少？,例题：,四、高能化合物,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（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。,1）磷氧键型：ATP、氨甲酰磷酸 2）氮磷键型：磷酸肌酸 3）硫酯键型：酰基CoA4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸,高能化合物类型,硫酯键型甲硫键性,ATP的特点,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（ATP4-），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）。,腺嘌呤核糖 O P O P O P O-,O,O,O,O-,a,b,g,Mg2+,ATP在能量转运中地位和作用,ATP的水解G 位于细胞磷酸化合物 之中间位置,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）,葡萄糖-6-磷酸,甘油-3-磷酸,ATP是细胞内的“能量通货”,放能反应和吸能反应相偶联的目的是利用前者的能量来推动后者，而不以热的形式丢失。ATP/ADP循环系统的作用就是作为一个高能磷酸基团的供体和受体，在放能反应中能量以ATP储存，在吸能反应中由ATP供给能量。（自然界的货币）,
