生物化学-代谢总论与生物能学

生物化学理论课1主要内容代谢总论和生物能学糖代谢、柠檬酸循环（重点）生物氧化（重点）脂代谢氨基酸和蛋白质代谢核酸代谢细胞代谢和基因表达调控（自学）基因工程及蛋白质工程（自学）复习（课堂+自习）2代谢总论3

新陈代谢是体内化学反应的总称。是生物体表现其生命活动的重要特征之一。

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。

数以千计的酶作用的专一性、精密灵活的调节机制，使机体错综复杂的代谢过程成为高度协调的、整合在一起的化学反应网络。新陈代谢的基本概念4

1、从环境中获得营养物质,2、将外界获取的营养物质转变为自身需要的结构元件。3、将结构元件组装成自身的大分子。4、形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子。

5、提供生命活动所需的一切能量。6、排出自身产生的废弃物。新陈代谢的功能5新陈代谢途径及其调节控制和信息代谢新陈代谢合成代谢（同化）分解代谢（异化）生物小分子生物大分子需要能量能量代谢物质代谢释放能量生物大分子生物小分子信息代谢6生物能的来源热核反应可见光光子植物、藻类和细菌的光合作用动物、植物、藻类和细菌呼吸作用7新陈代谢的主要作用合成代谢:获取营养物质，并将其转化为自身所需的物质。分解代谢:分解营养物质提供生命活动所需的能量。合成代谢和分解代谢可以在不同的细胞器中进行。两用代谢途径：是合成代谢和分解代谢共同利用的代谢环节。81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个代谢途径的一览图91011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12分解代谢的三个阶段生物大分子结构元件分子共同降解产物单质、小分子及分解代谢产物终产物蛋白质多糖脂质氨基酸葡萄糖甘油、脂肪酸丙酮酸乙酰辅酶A13能量代谢在新陈代谢中的重要地位产能物质细胞大分子能量贫乏的终产物前体分子14辅酶I和辅酶Ⅱ的的递能作用还原的生物合成产品还原的供能物质15NAD+和NADP+的结构NAD+（辅酶Ｉ）NADP+（辅酶ＩＩ）16FMN和FAD的递能作用17黄素单核苷酸（FMN/FMNH2）18黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD/FADH2）19辅酶A在能量代谢中的作用亲核攻击20辅酶A（CoA）的结构21辅酶I和辅酶Ⅱ的的递能作用FMN和FAD的递能作用辅酶A在能量代谢中的作用22分解代谢和合成代谢的调控23代谢途径的区域化糖酵解在细胞质中进行三羧酸循环和氧化磷酸化在线粒体中进行24代谢过程几乎都是酶促有机反应，酶促有机反应机制可归纳为以下几种：代谢中常见的有机反应机制酸碱催化共价催化金属离子催化静电催化酶催化反应的实现，多是经过反应部位的接近和取向的效应，形成过渡态而发生的。25生物化学中的反应可归纳为四类：代谢中常见的有机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－碳键的形成或断裂反应26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。共价键的断裂的方式27基团转移反应(group—transferreaction)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、磷酰基和葡萄糖基等。代谢中常见的有机反应机制281.酰基转移基团转移反应(group—transferreaction)292.磷酰基转移基团转移反应(group—transferreaction)303.葡糖基转移基团转移反应(group—transferreaction)31氧化反应和还原反应(oxidationandreduction)氧化反应和还原反应的实质是电子的得失，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。代谢中常见的有机反应机制32氧化反应和还原反应(oxidationandreduction)33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。代谢中常见的有机反应机制341.消除反应消除反应的机制消除、异构化及重排反应35消除反应的立体化学消除、异构化及重排反应362.异构化反应（分子内氢原子的迁移）1212消除、异构化及重排反应37３.分子重排反应（C-C键断裂并重新形成）消除、异构化及重排反应C-C-CCC-C-CC38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，例：果糖-1,6-二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。2、克莱森酯缩合反应例：柠檬酸合酶催化的反应。3、α-酮酸的氧化脱羧反应例：异柠檬酸的氧化脱羧。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：代谢中常见的有机反应机制3940新陈代谢的研究方法使用酶的抑制剂利用遗传缺欠症研究代谢途径同位素示踪法核磁共振波谱法气体测量法41使用酶的抑制剂42利用遗传缺欠症研究代谢途径43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)，随后出现在其他中间物。44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45生物能学生物能学是深入理解生物化学特别是理解生物机体新陈代谢规律不可缺少的基本知识，是生物化学中涉及生活细胞转移和能量利用的基本问题。46自养生物异养生物47分解代谢与合成代谢含有能量的营养物物质分解代谢合成代谢能量耗竭的终产物细胞大分子前提物分子48

趋同的分解代谢与趋异的合成代谢趋同的分解代谢趋异的合成代谢循环途径49一切生命活动都需要能量。所有生物都可以看成是能量转换者。绿色植物和光合细菌等自养生物能将日光辐射转变为化学能，并贮存于所合成的有机化合物（糖、蛋白质等）中；

动物和某些微生物等异养生物不能直接利用光能，而必须依赖光合植物提供的燃料分子在体内氧化产生可供利用的化学能，这个过程主要是生物通过细胞呼吸代谢把燃料分子氧化成CO2和H2O，同时产生ATP。

这就是生物圈中能量和物质的流动与转换。正是这种能量和物质的流动和转换，驱动着生命的维持、增殖和繁衍。生物能学的基本概念50在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G表示。

在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。

自由能G=H–

TS自由能的变化△G=△H-

T△S=

G产物-G反应物生物能学的基本概念化学反应的自由能△H——体系焓的变化T——体系的绝对温度△S——体系的熵变细胞是一个等温体系，必须在恒温恒压条件下生长。热传导不能作为其能量来源，生物体在生命活动过程中所需的能量，都来自体内生物化学反应释放的自由能。51

一个放热反应（或吸热反应）总热量的变化（△H），不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是准确的判据。

△G<0，反应能自发进行，能做有用功。△G>0，反应不能自发进行，必须供给有用功。△G=0，反应处于平衡状态。△G<0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行。

催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。当△G为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。52△G°－标准自由能的变化

R——气体常数T——绝对温度若将标准状况pH定为pH=7.0，则标准值自由能的变化用△G°´表示。自由能变化与化学反应平衡常数的关系aA+bB←cC+dD→53标准状态下pH=7.0时的平衡常数为Keg54平衡常数与化学反应标准自由能变化的关系55

标准状态平衡常数、标准自由能变化与化学反应方向的关系56标准自由能的变化：△G1°´，△G2°´总反应：A→C△G总°´△G总°´=△G1°´+△G2°´自由能变化的加和性在偶联的几个化学反应中，总自由能的变化等于每一步反应自由能变化之和。两个依次的化学反应：A→B，B→C57第一步：Glc+Pi→G-6-P+H2O，此反应不能自发进行第二步：ATP+H2O→ADP+Pi总反应：Glc+ATP→G-6-P+ADP例Glc+ATP→G-6-P+ADP（总反应）因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，使整个反应可以进行。在生物体内，此类反应很普遍。58高能磷酸化合物水解时，每摩尔磷酸基能释放5000cal以上能量的磷酸化合物，在生物换能过程中占有重要地位。磷氧键型酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物S－腺苷甲硫氨酸氮磷键型磷酸肌酸，磷酸精氨酸硫酯键型3-磷酸腺苷-5-磷酰硫酸酰基辅酶A甲硫键型乙酰磷酸1,3-二磷酸甘油酸氨甲酰磷酸酰基腺苷酸