代谢总论与生物能学.ppt

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1、辅酶I和辅酶的递能作用,吡啶,NAD(P)+可接受多种代谢产物脱下来的氢生成还原型的NAD(P)H,4,4,第八章 代谢总论与生物能学,教学目标要求理解新陈代谢的基本概念了解代谢中常见的有机反应机制。熟悉新陈代谢的研究方法。熟悉生物体内能量代谢的基本规律理解高能化合物的概念，熟悉ATP的一般性质掌握G0及Keq 的计算,1新陈代谢1.1新陈代谢基本概念1)新陈代谢metabolism定义生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。,合成代谢(anabolism),分解代谢(catabolism),小分子大分子需能,放能大分子小分子,能量代谢,物质代谢,生物体的分解代谢与合成代谢采取不同的途径

2、，且一般在不同的部位进行。,代谢途径的区域化,如：糖酵解在细胞质中进行，三羧酸循环在线粒体基质中进行，氧化磷酸化在线粒体内膜进行。,代谢反应是在温和的条件下进行的，由不同的酶催化。代谢过程由一系列的连续的化学反应构成，却有严格顺序。生物体内的代谢反应有灵活的自我调控步骤。生物的代谢体系是长期进化中逐步形成，逐步完善的。,2）新陈代谢的特点,代谢途径（metabolic pathway）,体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连续的有严格顺序的反应构成代谢途径。代谢途径的个别步骤称作中间代谢，个别步骤的产物称作中间产物。,代谢途径的一览图1点1线在1个途径的末端;1点2线在1个途径的中间;1点3线

3、参与2个途径；其余类推。,代谢途径的区域化,1.2新陈代谢的生物功能,获得营养物质营养物质转变为结构元件，组装成生物大分子形成或分解特殊功能所需的生物分子提供能量,有机化学反应常涉及共价键的断裂。共价键断裂时，若两个电子分开，称作均裂断裂，产生不稳定基团，常见于氧化还原反应。,1.3新陈代谢中常见有机反应机制,若两个电子不分开，称作异裂断裂，如C-H键断裂，电子对通常留在碳原子一侧（碳原子的电负性大于氢原子），形成碳负离子和氢离子。,富电子的碳负离子为亲核基团，容易与缺电子的亲电基团发生反应。若有氢负离子的受体存在，C-H键断裂时电子有可能留在氢原子一侧形成碳正离子和氢负离子。,在生物化学反应

4、中，通常为亲电基团从一个亲核体转移到另一个亲核体常见的转移基团有酰基、磷酰基和葡萄糖基等。,1）基团转移反应(grouptransferreaction),酰基化合物-X,（1）酰基转移,酰基化合物-Y,（2）磷酰基转移,己糖激酶,（3）葡糖基转移,双取代：葡萄糖基上的的亲核体X先脱下，形成共振稳定的碳正离子，其后亲核体Y-：进攻葡萄糖环上C1。单取代：Y直接取代X。,葡萄糖基的C1也相当于半缩醛分子的中心碳原子，形成共振稳定的碳正离子。,酮在酸性条件下形成碳正离子,实质是电子的得失，在生物化学反应中十分普遍，从代谢物转移的电子，通过一系列的传递体转移到氧，并伴随能量的释放。,2）氧化反应和还

5、原反应(oxidation and reduction),乳 酸,消除反应伴随碳-碳双键的生成，可通过协同机制、碳正离子机制或碳负离子机制完成，形成顺式或反式消除产物。在生物化学中，常见的异构化反应是双键移位。如酮糖-醛糖互变。重排反应伴随碳-碳键的断裂和重生成，使碳骨架发生变化。,3）消除、异构化及重排反应,（1）消除反应,消除反应的立体化学,（2）异构化反应,1,2,1,2,双键移位，即分子内氢原子的迁移,酮糖-醛糖互变,碱,分解代谢和合成代谢以碳-碳键的形成与断裂为基础，常见的有：,4）碳-碳键的形成与断裂反应,（1）羟醛缩合反应和羟醛裂解反应：如果糖-1,6-二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和

6、甘油醛-3-磷酸。,醛缩酶,（2）克莱森酯缩合反应：如柠檬酸合酶催化的反应。,（3）-酮酸的氧化脱羧反应：如异柠檬酸的氧化脱羧。,一般方法,1）in vivo（体内）,（1）利用异常代谢物的研究方法,提出了-氧化假说,1.4中间代谢的研究方法,微生物的营养缺陷型可以分为若干种亚型,每种亚型由一种酶的缺陷造成，对比研究可以搞清代谢途径。如途径A B C D中B C 的酶缺失,则A和B会堆积,C D的酶缺失,则A，B和C会堆积。,（2）利用患代谢障碍病的病人或生物进行代谢研究,利用遗传缺欠症研究代谢途径,（3）使用酶的抑制剂,用酶的专一抑制剂阻断酶作用的某个特定环节，造成相关的中间代谢物积累，从而

7、探明酶的作用。,2）in vitro（体外）,（1）组织切片法（2）组织匀浆法（3）组织抽提液,细胞提取液的离心分离,梯度离心对细胞成份进行分离 Fractionation of a cell extract by differential centrifugation.,同位素示踪法,3H，14C，32P，35S，125I,（12.1年）（5568年）（14天）（87天）（60天）,用同位素可标记任何一种化合物的任何一个原子，也能探察同位素在某种代谢物中所处的位置。,同位素示踪法:,用14C标记CO2，培养绿藻，提取液进行双向纸层析，放射自显影，发现放射性最早出现在3-磷酸甘油酸(PGA),

8、随后出现在其他中间物。,核磁共振波谱技术：分子内处于不同环境中的 原子核的化学位移原理。,磷酸肌酸,运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况,磷酸肌酸,是通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、蛋白质分子的修饰和蛋白质分子相互作用的研究。质谱仪通过测定离子化生物分子的质荷比便可得到相关分子的质量。,（四）质谱技术(Mass Spectroscope,MS)：,普适性 高灵敏度 专一性,特点：,局限：,需要已知化学结构的标准化合物作为参照，难以确定化学结构未知的全新代谢产物。,2生物体内能量代谢的基本规律（生物能学）生物能学完全建立在热力学上。2.1热力学概念1)热力学第一定律,2)

9、热力学第二定律任何一种物理或化学过程都自发地趋向于增加体系与环境的总熵。,能量守恒定律,熵（S）：指体系能量分散程度的状态函数。,S=S体系+S环境 0,一个体系过程发生进行时，其熵可能是降低的，但其周围环境的熵必然增加，即它们的总和必是正值。,3)自由能（free energy）与反应平衡常数自由能指反应中可以被利用的能量，用“G”表示。(1)G（恒温恒压下体系自由能变化）设：A+B C+D+H,H（焓变）：体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。,G=H-T S,G 0 反应不能自发进行。G=0 反应处于平衡状态。G 0 反应能自发进行。,(2)G0、G0与Keq G0（标准自由能变

10、化）：相应于一系列标准条件下（T为298K，压力1atm，所有溶液的浓度为1mol/L）下发生的反应的自由能变化。G0：pH=7时的标准自由能变化对于反应 aA+bB cC+dD G=G0+RTln,CcDd,Aa Bb,Keq=,Cc Dd,Aa Bb,当 G=0时G0=-RTln Keq=-2.303RTlg Keq,达平衡时=Keq=19,解：,G=-RTlnKeq=-2.3038.314 311 log19,G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314 311 log0.1,未达平衡时=Qc=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%

11、，G-6-P占95%，求G0。如果反应未达到平衡，设，求反应的 G是多少？,例题：,(3)G0与Keq 计算,(4)偶联化学反应标准自由能变化具可加性,Glc+PiGlc-6-p+H2O,ATP+H2O ADP+Pi,求 Glc+ATP Glc-6-p+ADP 的标准自由能变化？,G0=+13.8kJ/mol,G0=-30.5kJ/mol,解：反应3为反应1与2之和，其标准自由能变化是反应1与2之和：13.8kJ/mol+（-30.5kJ/mol）,3高能化合物随水解或基团转移反应可放出大量自由能（20.92kJ以上）的化合物。3.1类型1)磷氧键型（-O-P-）酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇

12、式磷酸合物,(1)酰基磷酸化合物,1,3-磷酸甘油酸,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,11.8千卡/摩尔,酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（2）焦磷酸化合物,ATP,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,2)氮磷键型（-N-P-）,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用,3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸,酰基辅酶A,3)硫酯键型（活性硫酸基）,S-腺苷甲硫氨酸,4)甲硫键型（活性甲硫氨酸）,1)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

13、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）。,ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1,ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1,3.2ATP,ATP在能量转运中地位和作用,ATP是细胞内的“能量通货”ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,ATP水解标准自由能变为-30.5kJ/mol，但实际的自由能变化在不同的细胞有不同值。不同细胞中ADPPi/ATP值不同。细胞所处的能量状态用能荷（energy charge）来表示 能荷=（ATP+1/2ADP）/（ATP+ADP+AMP）,