代谢总论-生物能学2019ppt课件

1、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变的酶促反应产物统称为中间产物metabolic metabolic intermediates)intermediates

2、)或简称代谢物或简称代谢物metabolites)metabolites)。 新陈代谢途径中的个别步骤称中间代谢新陈代谢途径中的个别步骤称中间代谢(intermediary (intermediary metabolism)metabolism)。 主要谢途径主要谢途径central metabolic pathway)central metabolic pathway) 分解代谢分解代谢catabolism), catabolism), 也称异化作用也称异化作用(disassimilation)(disassimilation) 合成代谢合成代谢anabolism), anabolism),

3、 也称同化作用也称同化作用assimilationassimilation）每种代谢作用都包含两个方面：每种代谢作用都包含两个方面：物质代谢物质代谢substance metabolismsubstance metabolism）: : 物质的合成与分解物质的合成与分解能量代谢能量代谢energetic metabolismenergetic metabolism）: : 能量的转换、储存和释放能量的转换、储存和释放 生长旺盛时：生长旺盛时： 合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢成长的生物：成长的生物： 合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢衰老或饥饿：衰老或饥饿： 合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢 1

4、. 代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列由一系列 的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序强的顺序 性。性。2. 代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所 催化催化, 代谢过程中连续转变的酶促产物称代谢物。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。代谢作用具有高度灵敏的自我调节。 整体水平整体水平: 主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节。主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节。 细胞水平细胞水平: 主

5、要通过胞内酶布局的区域化而实现主要通过胞内酶布局的区域化而实现 分子水平分子水平: 主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现 分解代谢分解代谢: 是代谢作用的分解过程，有机物糖、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脂和蛋白质被转化为更小、更简单的终产物如乳酸、酸、CO2和和NH3等），分解代谢释放能量，部分被转等），分解代谢释放能量，部分被转化为化为ATP和还原的电子载体和还原的电子载体NADH、NADPH和和 FADH2），其余的作为热量散失。），其余的作为热量散失。 合成代谢合成代谢: 也称生物合成，小、简单

6、的前体物质形也称生物合成，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，通常需要等，合成代谢需要能量的输入，通常需要ATP分子磷分子磷酸酯键的转移和还原力酸酯键的转移和还原力NADH、NADPH 和和FADH2）。）。 根据生物由环境中获得碳的化学形式，生物可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：分为两大类型：自养生物自养生物(Autotrophs)：可利用大气中的：可利用大气中的CO2作为惟一碳源构建所有含碳分子，如光合细作为惟一碳源构建所有含碳分子，如光合细菌和高等植物。菌和高等植

7、物。异养生物异养生物(Heterotrophs)：不能利用大气中的：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，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。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，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自养生物利用空气中的CO2建造自己的有机建造自己的有机生物分

8、子，有些还分解水产生生物分子，有些还分解水产生O2；反过来异；反过来异养生物利用这些有机物作为营养物质，把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排放到大气中去，有些在氧化反应中消耗耗O2产生水。其中产生水。其中C、O2和和H2O在自养和异在自养和异养间不断循环，太阳能是其中的驱动力。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太阳是地球上所有生物最根本的能量来源ATPATP起捕获和贮存能量的作用起捕获和贮存能量的作用能量传递系统：能量传递系统：ATP,ADPATP,ADP，无机磷，无机磷以以ATPATP形式贮存的能量有以下作用：

9、形式贮存的能量有以下作用： （1 1提供生物合成所需能量提供生物合成所需能量（2 2机体活动及肌肉收缩所需能量机体活动及肌肉收缩所需能量（3 3营养物跨膜运输所需能量营养物跨膜运输所需能量（4 4DNA,RNADNA,RNA，蛋白质等合成中，保证基因信息正确，蛋白质等合成中，保证基因信息正确 传送。传送。 由分解代谢释放出的化学能，除合成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，辅酶合成的需能反应，其中，辅酶（NAD）、）、辅酶辅酶（NADP）、）、FMN和和FAD在这一过程在这一过程中起重要作用。中起重要作

10、用。 烟酰烟酰胺胺（维生（维生素素PP） 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）磷酸）（H-：）：）RR=H：NADR=-PO3：NADP辅酶辅酶、辅酶、辅酶R.FMN和和FAD(VB2)核核黄黄素素核核黄黄素素单单核核苷苷酸酸核核黄黄素素腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸异咯嗪异咯嗪辅酶辅酶ACoA在能量代谢中的作用在能量代谢中的作用 乙酰乙酰Co-A形成的硫酯键和形成的硫酯键和ATP的高能磷的高能磷酸键相似，水解时可释放出大量自由能。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许多代谢的终产物都能形成乙酰Co-A。C CH H3 3C CS SC Co oA AO O

11、辅酶辅酶A(VB3) 基团转移反应基团转移反应 氧化氧化- -还原反应还原反应 消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应 碳碳- -碳键的形成与断裂反应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。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。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，用的研究称体内研究，用 in vivo表示，表示， 用组织切片、匀浆、提取液作

12、为材料的用组织切片、匀浆、提取液作为材料的研究体称外研究，用研究体称外研究，用in vitro表示。表示。1 1、酶抑制剂的应用、酶抑制剂的应用代谢研究主要方法：代谢研究主要方法：2 2、同位素示踪法、同位素示踪法3 3、气体测量法、气体测量法4 4、核磁共振波谱法、核磁共振波谱法5 5、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酪氨酸氧化酶酪氨酸氧化酶尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶1. 1. 体系、环境、形状体系、环境、形状2. 2. 能的两种主要形式能的两种主要形式 热与功热与功3. 3. 内能内能(internal energy)(internal energy)、焓、焓(enth

13、alpy)(enthalpy)和热力和热力 学第一定律学第一定律 内能内能:U(E):U(E) 焓焓H H：体系的热含量：体系的热含量) )；焓变：；焓变： H=H= U+U+ PV, PV, 热力学第一定律：能量守恒定律热力学第一定律：能量守恒定律 ， U=Q-WU=Q-W 生物化学中近似恒压恒容，生物化学中近似恒压恒容， 所以：所以： HH U U 4. 4. 热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵(entropy)(entropy) 热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的传导只能由高温物体传至低温物体。 熵熵SS：体系质点散乱无序程度：体系质点散乱无序程度 熵变熵变 S S，隔离体系：，

14、隔离体系： S= S= S S体系体系+ + S S环境环境00体系体系吸热吸热体系体系做功做功 式中式中“=”=”表示可逆的过程，表示可逆的过程， S=0,S=0,此时体系处于平衡状态。此时体系处于平衡状态。“0 0表示可逆的过程，体系熵增加。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。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。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新陈代谢过程使生物有机体不断向环境释放其生命

15、活动不得不产生的全部正熵。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，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。自由能则可以。 在温度和压力不变时：在温度和压力不变时：* * ( (体系中能对环境作功的能量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：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0G0G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行 G=0G=0，反应处于平衡状态。，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。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

16、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（标准自由能改变（G G） ：2525度、度、1 1大气压、反大气压、反应物、产物浓度均为应物、产物浓度均为1mol/L(1mol/L(有氢离子参加时，其有氢离子参加时，其浓度也是浓度也是1mol/L1m

17、ol/L，pHpH为为0 )0 )时。时。G= G= G G+RTln+RTln生成物生成物/反应物反应物 反应达到平衡点时反应达到平衡点时 G=0G=0 G= G= G G+RTlnK+RTlnK平，平， G G=-RTlnK=-RTlnK平平生化标准自由能改变：生化标准自由能改变：pH=7 pH=7 G G= - RTlnK= - RTlnK平平 （单位：（单位：J /molJ /mol或或kJ/molkJ/mol）三、化学反应中自由能的变化三、化学反应中自由能的变化 G ， G ， G 对于化学反应：对于化学反应：A+B C+D达平衡时达平衡时 =Keq=19解：解：G0= - RTln

18、Keq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G0+ RTln生成物生成物/反应物反应物 =-7.6+ 2.3038.314 311 log 0.1 =-13.6 KJ.MOL-1未达平衡时未达平衡时 =0.1反应反应G-1-PG-6-P在在380C达到平衡时，达到平衡时， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求G0。如果反应未达到平。如果反应未达到平衡，设衡，设G-1- P=0.01mol/L， G-6-P=0.001mol/L，求反应的求反应的G 是多少？是多少？例题：例题： 生化反应中，在水解时或基团转移反应生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（中可释放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩尔摩尔的化合物称为高能化合物。的化合物称为高能化合物。1 1磷氧键型：磷氧键型：ATPATP、氨甲酰磷酸、氨甲酰磷酸 2 2氮磷键型：磷酸肌酸氮磷键型：磷酸肌酸 3 3硫酯键型：酰基硫酯键型：酰基CoACoA4 4甲硫键型