王镜岩 生物化学 经典课件 8代谢总论 考研必备 学生物化学必备.ppt

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1、代谢总论,第19章,一、新陈代谢的一般规律(一）基本概念新陈代谢是体内化学反应的总称，体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连续反应构成代谢途径，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。新陈代谢的主要作用有：获取营养物质，并将其转化为自身所需的物质，称作合成代谢；分解营养物质提供生命活动所需的能量，称作分解代谢；合成代谢和分解代谢的调控步骤通常由不同的酶催化，分解代谢中大量释放能量的反应通常是不可逆的，在合成代谢中，这样的步骤需要输入能量来完成。有时，合成代谢和分解代谢可以在不同的细胞器中进行。有些代谢环节是合成代谢和分解代谢共同利用的，称作两用代谢途径，如柠檬酸循环就是两用

2、代谢途径。,（二）代谢途径的一览图1点1线或1点2线:410个；1点3线:71个；1点4线:20个；1点5线:11个；1点6线或6线以上:8个；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线参与2个途径；其余类推。,（三）代谢途径的类型：（a）多种游离酶构成的代谢途径；（b）多酶复合体构成的代谢途径；（c）膜结合酶构成的代谢途径。,（四）分解代谢的三个阶段,（五）能量代谢在新陈代谢中的重要地位,（六）辅酶I和辅酶的的递能作用,（七）FMN和FAD的递能作用,（八）辅酶A在能量代谢中的作用,（九）分解代谢和合成代谢的调控,代谢途径的区域化,细胞提取液的离心分离,二、代谢中常见的有机

3、反应机制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。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，缺电子的亲电基团容易与富电子的碳负离子(为亲核基团)发生反应。,（一）基团转移反应(grouptransferreaction)在生物化学反应中，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

4、、磷酰基和葡萄糖基等。,1.酰基转移,2.磷酰基转移,3.葡糖基转移,（二）氧化反应和还原反应(oxidationandreduction)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。,（三）消除、异构化及重排反应消除反应伴随碳-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。,1.消除反应,消除反应的机制,2.异构化反应,1,2,1,2,消除反应的立体化学,（四）碳-碳键的形成

5、与断裂反应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：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甘油醛-3-磷酸。2.克莱森酯缩合反应如柠檬酸合酶催化的反应(在柠檬酸循环中介绍)。3.-酮酸的氧化脱羧反应如异柠檬酸的氧化脱羧。,三、新陈代谢的研究方法,（一）使用酶的抑制剂,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ABCD中BC的酶缺失,则A和B会堆积,CD的酶缺失,则A,B和C会堆积。,（二）利用遗传缺欠症研究代谢途径,（三）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，

6、放射自显影，发现放射性最早出现在3-磷酸甘油酸(PGA)，随后出现在其他中间物。,（四）核磁共振波谱法,磷酸肌酸,运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况,基本要求1.掌握分解代谢与合成代谢及与能量代谢的关系。（重点）2.掌握辅酶I、辅酶、FMN、FAD和辅酶A在能量代谢中的作用。（重点）3.掌握新陈代谢调节的一般规律。（重点）4.了解代谢中常见的有机反应机制。5.熟悉新陈代谢的研究方法。,生物能学,第20章,一、有关热力学的一些基本概念（一）体系的概念、性质和状态（二）能的两种形式:热与功（三）内能和焓的概念（四）热力学第一定律U=QW,等压时:U=dQPdV（五）化学能的转化（六）热力学

7、第二定律和熵的概念对于隔离体系S=S体系+S环境0（七）自由能的概念dG=VdPSdTdW,等温时:dG=VdPdW,等温且等压时:G=W即自由能是等温且等压条件下，体系做有用功的能力。,隔离体系,封闭体系,开放体系,二、化学反应中自由能的变化和意义（一）化学反应的自由能变化公式G=HTS（二）标准自由能变化和化学平衡的关系对化学反应aA+bBcC+dD达到化学平衡时（三）标准生成自由能及其应用G0=G0f产物G0f反应物（四）偶联化学反应标准自由能变化的可加性及其意义偶联化学反应标准自由能变化是可以相加的,如:AB+C的G0=+21kj/mol,BD的G0=-34kj/mol,则AC+D的G

8、0=-13kj/mol,反应可以自发进行。,（五）化学反应和自由能关系的进一步说明只有G0的反应可以和G0的反应，在非标准状态下，G有可能0。（3）热力学第二定律只能确定反应的方向和限度，不能预示反应过程的速率，许多G0的反应，需要提供活化能或使用催化剂才能使反应实际发生。（六）能量学用于生物化学反应中的一些规定（1）水作为反应物或产物时，水的浓度通常规定为1（实际浓度约为55.5mol/L)。（2）生物体系的pH规定为7.0，称作生物体系的标准自由能变化，用G0表示。如果反应体系的pH不等于7.0，就不能使用G0。（3）标准自由能的单位用kj/mol表示。,（七）G0、G以及平衡常数计算的举

9、例(教科书P33),三、高能磷酸化合物,1.磷氧键型,2.氮磷键型,3.硫酯键型,（三）ATP的结构特性,相邻正电荷的电子排斥作用,乙酸酐的多种共振形式,ATP水解为ADP释放静电排斥力；ATP和水转化为ADP，无机磷酸和质子使熵增加。,黄色表示可以解离的氢,（四）细胞内影响ATP自由能释放的因素ATP和ADP均由多种解离形式，并且可以同金属离子相互作用，这些引均可影响自由能的释放。,ATP水解释放自由能与pH的关系,ATP水解释放自由能与Mg2+的关系(pH7.0,38oC),ATP水解释放自由能与其浓度的关系(pH7.0,38oC),（五）ATP在能量转运中的地位和作用,（六）磷酸肌酸和磷

10、酸精氨酸及其他贮能物质,由PEP生成丙酮酸释放大量自由能,（七）ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用,ATP断裂形成AMP和焦磷酸的G0=-31.2kj/mol，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸的G0=-28.84kj/mol，总的G0=-61.03kj/mol。大致相当于2分子ATP水解为2分子ADP释放的能量。ATP断裂形成AMP和焦磷酸的反应有重要的生物学意义，萤火虫的荧光物质是通过这一反应提供能量的。脂肪酸的酶促活化也是通过这一反应提供能量的，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸对反应有重要的推动作用。,（八）ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用ATP是主要的递能物质，除ATP外，合成多糖还需要UT

11、P，合成蛋白质还需要GTP，合成磷酯需要CTP，合成RNA需要CTPUTPATPGTP，合成DNA需要dCTPdTTPdGTPdATP。,（九）ATP系统的动态平衡ATP在体内不断的合成和分解，处于动态平衡，周转速度特变快，一个静态的成人消耗ATP高达40kg/d，在紧张活动的情况下，消耗ATP高达0.5kg/min，大多数细胞的能荷即ATP+0.5ADP/ATP+ADP+AMP在0.80到0.95之间。,基本要求1.熟悉有关热力学的一些基本概念。2.熟悉化学反应中自由能的变化和意义。3.掌握高能磷酸化合物。（重点）,第21章,物质运输,生物膜与,复杂的膜系统,一、被动运输与主动运输所有生物细

12、胞都要从环境获得原材料为其生物合成和能量消耗，同时还需释放其代谢物到环境中去。质膜可以识别并允许细胞所需物如糖、氨基酸、无机离子等进入细胞，有时这些成分进入细胞是逆浓度梯度的，即它们是被“泵”入细胞的，同样一些分子是被“泵”出细胞的。小分子物质的跨膜一般是直接通过蛋白质构成的跨膜通道（channels）、载体(carriers)或泵（pumps）通过生物膜的。被动运输是顺浓度梯度运输，不会引起物质的积累。主动运输是逆浓度梯度运输，引起物质的积累。主动运输直接或间接地依赖于一些放能过程，非热力学自动发生，往往伴随有光的吸收、氧化作用、ATP水解或其他顺浓度梯度的运输。在初级主动运输中，物质的积累

13、直接与放能反应（如ATPADP+Pi）相连接；次级主动运输由初级主动运输引起的离子浓度梯度驱动。光、氧化作用、ATP水解驱动Na+或H+的离子梯度的形成，离子梯度为次级主动运输提供能量，驱动其他物质的协同运输。,两种类型的主动运输,协同运输的两种类型,除去水化膜的简单扩散,跨膜蛋白降低溶质跨膜运输的活化能,亲水溶质通过生物膜脂双层的能量变化,被动运输是由膜蛋白促进的顺浓度梯度的扩散因膜将胞内和胞外环境分隔开来，膜是一种选择性通透屏障，生物体内的简单扩散要通过脂双分子层，极性分子或带电溶质必需解除水化膜的作用，然后透过约3nm的质膜。水是一种例外，可很快透过生物膜，机制尚不清楚，膜两侧溶质浓度差

14、异大时，渗透压的不平衡引起膜两侧水的流动，直至两侧的渗透压相等。极性溶质或离子的过膜运输由膜上的蛋白降低活化能，而对特异的物质提供过膜路径，促进其通过膜的双分子层，称作促进扩散。,非带电物质的被动扩散,带电物质的扩散,被动扩散和促进（易化）扩散的区别,二、小分子物质的运输（一）Na+和K+的运输每个动物细胞与环境相比维持较低的Na+和较高的K+，这种不平衡由质膜上的主动运输所建立和维持，涉及Na+K+-ATPases，偶联ATP水解，引起Na+,K+的逆浓度梯度运输。每水解1ATP，偶联运输2个K+进质膜内，3个Na+出质膜外。Na+K+-ATPases是一种膜蛋白，由2个跨膜蛋白亚基组成。,

15、Na+K+ATPase驱动的钠钾离子运输的作用机制,强心甙抑制Na+K+ATPase使血管壁细胞的钠和钙堆积，血管收缩变窄，血压升高。,几种强心甙的结构,内酯环为黄色。,洋地黄皂苷元,毒毛旋花子苷元,乌本苷,Na+K+ATPase在质膜上的排列,（二）Ca2+的运输,Ca2+ATPase在膜上的排列,（三）三类驱动离子运输的ATPasesNa+K+-ATPase是一种运输蛋白的典型形式（Prototype），被称为P-typeATPase（可以可逆磷酸化的）；另一类为V-typeATPaseProtonpumps(V-vacuole即微囊)，通过ATP水解供能逆浓度梯度转运质子；第三种，即F-

16、typeATPases（F-energy-couplingfactors），在细菌、线粒体和叶绿体中的能量转化中起中心作用。细菌、线粒体和叶绿体可以利用电子传递（氧化反应）释放的能量使质子逆浓度跨膜运输产生浓度梯度，当质子通过F-typeATPases的质子通道由高浓度一侧流向低浓度一侧时，释放的能量用于ATP的合成。,三种类型离子运输ATPase亚基结构,F类型ATPases,四种类型的运输ATPases,几种ATPase核苷结合结构域和磷酸化结构域的同源性,H+,K+ATPase在胃粘膜上的作用,H+ATPase将H+转运到破骨细胞膜和骨表面之间促进骨骼的矿物质溶解,破骨细胞,（四）阴离子

17、运输(aniontransport)氯化物和碳酸氢盐跨红细胞膜的运输为协同运输（Cotransport）红细胞存在另一种促进扩散系统阴离子交换体，这对于肌肉及肝脏中CO2回到肺中的运输是必需的。呼吸组织产生的废气CO2由血浆进入红细胞，在红细胞中转化为HCO3-，HCO3-重新回到血浆中被运输到肺组织。因HCO3-比CO2的溶解度大，这种变化增加了CO2由组织到肺的运输量，在肺中HCO3-重回红细胞被转化为CO2，被缓慢呼出。氯化物-碳酸氢盐交换体也被称为阴离子交换蛋白，可增加红细胞膜的HCO3-透过量，这一系统也被称为协同运输系统。,红细胞膜膜上氯-碳酸氢盐交换体,（五）糖和氨基酸的运送1.

18、红细胞葡萄糖渗透酶（GlucosePermease）调控的被动运输红细胞中产生能量的代谢，依赖于葡萄糖不断地由血浆中进入红细胞，葡萄糖通过渗透酶由促进扩散进入细胞，这一膜蛋白（Mr=45000）有12个疏水区域，可能跨膜12次，它可使葡萄糖进入细胞内的速度增大约50000倍。,葡萄糖转运蛋白的结构模式图,1.D-Glc与T1特异结合降低构象改变的活化能,2.T1转变为T2改变Glc跨膜通道的结构,3.Glc由T2释放到胞质,4.T2构象变回T1,2.葡萄糖运输进入红细胞的模型,3.葡萄糖在肠内皮细胞的协同运输,Na+或K+梯度驱动的协同运输,3.葡萄糖的基团运输,(六）格兰氏阴性菌的膜孔蛋白大

19、肠杆菌的膜孔蛋白PhoE跨膜区-折叠片的排布，这些-折叠片形成桶状，疏水一侧在外围与双分子膜结合，亲水一侧在桶状结构内侧，可以使小分子物质通过，有些膜孔蛋白可以使多种小分子物质通过称作通用型膜孔蛋白，另有一些膜孔蛋白对小分子物质有选择性，称作选择型膜孔蛋白。,Rhyodobactercapsuulatus膜孔蛋白为三聚体，每个单体由-折叠片形成桶状，桶状结构内侧可以使小分子物质通过。,单体侧面,三聚体顶面,（七）哺乳动物细胞膜的间隙连接,（八）乙酰胆碱受体离子通道的结构,（十）ATP/ADP交换体,（九）链霉的K+通道（IonChannel),三、生物大分子的跨膜运输,四、离子载体(ionop

20、hores)抗生素和特异性的膜孔蛋白,缬氨霉素,无活菌素,莫能菌素,短杆菌肽A,离子载体抗生素的两种类型,移动型离子载体,通道型离子载体,缬氨霉素-K+的结构,缬氨霉素的结构,缬氨霉素为移动型离子载体,短杆菌肽为通道型离子载体，通道由双螺旋或头-头相连的单螺旋构成,单螺旋每圈6.3个残基，为左手螺旋。,蜂毒素(26肽)的结构，-螺旋可以聚集成跨膜孔道，蚕的杀菌肽具有类似的结构。,大肠菌素Ia(ColicinIa)的三维结构,膜孔形成毒素,R亚基,C亚基,T亚基,C亚基,10螺旋束，绿色为疏水螺旋，其余8个为两亲螺旋。,跨过周质,苏云金芽孢杆菌-内毒素的结构,棒状杆菌白喉毒素的结构,-螺旋束构成

21、跨膜结构，白色为疏水螺旋。,Theumbrellamodelofmembranechannelproteininsertion.,两亲螺旋围绕疏水螺旋,疏水螺旋插入双分子膜,两亲螺旋形成膜孔,pH或膜电位的变化启动跨膜结构域插入双分子膜,Thestructureoftheheptameric（七聚体）chennelformedby-hemolysin（溶血素）.eachofthesevensubunitscontributesa-sheethairpintothetransmembranechannel.,五、生物膜运输的分子机制,（一）移动载体模型,（二）通道模型发现于神经元、肌肉细胞，许多其他细胞的质膜中，原核、真核中也有，不同的刺激引起神经元及肌细胞质膜跨膜电势的迅速改变，引起离子通道的快速打开和关闭，对信号传导起重要作用。,（三）构像变化假设,基本要求1.掌握被动运输与主动运输等基本概念。2.熟悉小分子物质和生物大分子的跨膜运输。3.熟悉重要的离子载体。4.熟悉生物膜运输的分子机制。,