代谢总论的资料

代谢总论的资料第1页/共70页如何学习代谢*课前预习,课上认真记笔记,课后及时复习*在理解的基础上，加强记忆*与先修和并修课程内容相联系，以促进理解*学习过程中学会总结、归纳和提炼！*要反复复习和回顾，不可突击学习！*养成看参考书的习惯第2页/共70页参考文献：1沈同,王镜岩.生物化学(第三版).北京:高等教育出版社,20022郑集,陈钧辉.普通生物化学(第三版).北京:高等教育出版社,19983周秀贞,何立望,黄如彬.生物化学.贵阳:贵州科技出版社，19934AlbertL.Lehninger,DavidL.Nelson,MichaelM.Cox.PrinciplesofBiochemistry(EditionII).NewYork:WorthPublishers,19935RobertK.Murray,DarylK.Granner,PeterA.Mayes,etal.Harper’sBiochemistry(Twenty-fifthEdition).McGraw-HillCompanies,Inc.,20006TrudyMcKee,JamesR.Mckee.BIOCHEMISTRY:ANINTRODUCTION(SecondEdition).McGraw-HillCompanies,Inc.,20017于自然，黄熙泰主编.现代生物化学.北京:化学工业出版社（教材出版中心），20018张蘅主编.生物化学(第二版).北京:北京医科大学，中国协和医科大学联合出版社,19999PeterN.Campbell,AnthonyD.Smith.BIOCHEMISTRYILLUSTRATED(THIRDEDITION).LongmanGroupUKLimited,199310GeofferyZubay.BIOCHEMISTRY(THIRDEDITION).Wm.C.BrownPublishers,199311李建武，肖能赓，余瑞元等.生物化学实验原理和方法。北京：北京大学出版社，199412翟中和,王喜忠,丁明孝主编.细胞生物学。北京：高等教育出版社，200013.北京大学生物化学课件14.清华大学生物化学课件15.四川农业大学生物化学课件16.湖州师范大学生物化学课件17.周爱儒编医学生物化学课件18陈敏老师的生物化学课件19.周爱儒主编.生物化学（第五版）.北京：人民卫生出版社，200120.南京大学生物化学精品课程课件.21.AlbertL.Lehninger,DavidL.Nelson,MichaelM.Cox.PrinciplesofBiochemistry(EditionIV).NewYork:WorthPublishers,200422.Gene(EditionVIII).23.南开大学生物化学精品课程课件.第3页/共70页

第一章代谢总论（GeneralIntroductiontoMetabolism)

第4页/共70页学习目标掌握新陈代谢的概念、特点及调节机制了解代谢的全貌。糖、脂、蛋白质共同的代谢中枢途径。

了解代谢中的有机反应机制了解新陈代谢的研究方法第5页/共70页内容提要新陈代谢指生物体内一切化学变化的总称。细胞中代谢包括分解代谢和合成代谢（反应区域，能量载体，还原力）代谢是可调控的，主要从分子水平、细胞水平和整体水平进行调控,另外还有基因表达水平的调控代谢中常见的有机反应机制是: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新陈代谢的主要研究方法：同位素示踪法，使用各种酶抑制剂和拮抗物法，遗传缺陷分析法，核磁共振法，苯环示踪法，量气法等第6页/共70页第一章代谢总论一新陈代谢、分解代谢与合成代谢二代谢的基本特点三代谢研究的对象和常用材料四代谢的研究方法五主要的代谢反应类型第7页/共70页一、新陈代谢、分解代谢与合成代谢

1.概念新陈代谢(metabolism)：生物体内一切化学变化的总称。或指生物体与外界环境进行物质和能量交换的过程。也叫代谢。包括两种代谢作用:分解代谢(catabolism)

(异化作用，disassimilation):

机体将营养物质转变为较小、较简单的物质的过程。释放能量

合成代谢(anabolism)(同化作用，assimilation)

：机体利用小分子或大分子的结构元件建造成大分子的过程，又称生物合成(biosynthesis)。需要能量

每种代谢作用都包含两个方面：物质代谢（substancemetabolism）：物质的合成与分解

能量代谢（energymetabolism）：能量的转换、储存和释放第8页/共70页第9页/共70页课外阅读第10页/共70页

2.代谢研究的主要内容:

2.1营养物质的摄入

2.2摄取的营养物质及细胞中原有物质的降解：由大分子形成小分子

2.3由小分子物质合成自身需要的各种生物分子

2.4提供和储存生命活动所需要的能量

第11页/共70页1.代谢描述的是细胞的所有反应2.代谢过程是在酶的催化下进行的3.代谢过程是复杂的、逐步进行的代谢是受到调控的5.代谢包括物质代谢和能量代谢热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。6.同一种物质的分解代谢和合成代谢途径一般是不同的，但各代谢途径之间存在许多重复出现的基元(通用活化载体)7.代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域(区室化)二代谢的基本特点：第12页/共70页3.代谢过程是复杂的、逐步进行的：◆代谢途径（catabolicpathways）：有严格顺序的一系列生化反应。代谢中的许多酶连续地按顺序地起作用，形成多酶体系，使第一个酶促反应产物变成第二个酶促反应的底物，依此类推。习惯上把这种连续的化学反应叫作代谢途径。如戊糖磷酸途径，糖异生途径等。◆代谢物（metabolite）：亦称中间代谢物。指代谢过程中连续转变着的酶促产物。第13页/共70页第14页/共70页4.新陈代谢是可调节的◎分子水平◎细胞水平◎整体水平◎基因表达的调控

（分子水平）第15页/共70页◎分子水平包括反应物和产物的调节（主要是酶的调节和浓度的调节）。酶的调节是最基本的代谢调节，包括酶的数量调节:合成速率与降解速率酶的活性调节:

变构调节可逆的共价修饰调节第16页/共70页底物和产物浓度的调节：

前馈激活反馈抑制前馈激活作用（feedforwardactivation）

:

当代谢途径前面步骤中产生的代谢物激活途径下游某个反应的酶时称为前馈激活作用。第17页/共70页反馈抑制作用(feedbackinhibition)

:

途径的产物（通常是终产物）可以通过抑制途径前面的一步关键反应（通常是途径中的第一个关键的不可逆反应）来控制它自己合成的速度，这就是反馈抑制作用。

第18页/共70页◎细胞水平

代谢途径的区域化，分隔控制

绝大多数代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域，也称为区室化(compartmentation)◎整体水平

激素的调节神经的调节第19页/共70页5.代谢包括物质代谢和能量代谢.

热力学原理是代谢研究的基础，代谢中每一步反应都涉及到物质和能量。

合成代谢（同化作用）：小分子合成大分子，需要能量代谢（anabolism）(metabolism)

分解代谢（异化作用）：大分子分解为小分子,释放能量（catabolism）

物质代谢能量代谢

第20页/共70页第21页/共70页第22页/共70页第23页/共70页生物界能量传递及转化总过程太阳电子传递合成分解电子传递光合作用呼吸作用生命现象自养细胞异养细胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（电能）（化学能）（化学能）（电能）（化学能）生物合成(化学能）机械功（机械能）主动运输（渗透能）生物发光（光能）生物发电（电能）生物发热（热能）第24页/共70页能量代谢中的重要物质：

ATP或GTP等还原型辅酶（例如NADH，NADPH或FMNH2，FADH2

）

CoA-SH自由能(freeenergy)：能够用以做功的能量。机体内捕获和贮存自由能的主要分子是ＡＴＰ和还原型辅酶.第25页/共70页ＧＴＰ、ＵＴＰ和ＣＴＰ也能提供能量。

ＧＴＰ－－Ｇ蛋白的活化、蛋白质的生物合成

ＵＴＰ－－糖原合成（活化葡萄糖分子）

ＣＴＰ－－合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、纤维素以ＡＴＰ形式贮存的自由能，可提供能量用于：

1.生物合成；

2.肌肉收缩；

3.营养物逆浓度梯度跨膜运送；

4.在ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白质等生物合成中，以特殊方式起递能作用。第26页/共70页●辅酶I和辅酶II的递能作用NADH,NADPH以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应。NADPH，还原力，参与脂肪酸和胆固醇合成第27页/共70页课外复习第28页/共70页课外阅读第29页/共70页NADH在340nm处有特征吸收峰课外阅读第30页/共70页●

FMN和FAD的递能作用FMN(flavinmononucleotide):黄素单核苷酸FAD(flavinadeninedinucleotide)：

黄素腺嘌呤二核苷酸接受两个电子和两个质子FMNH2FADH2在呼吸链中传递电子和氢原子第31页/共70页课外复习第32页/共70页课外阅读第33页/共70页●辅酶Ａ在能量代谢中的作用辅酶A(coenzymeA,CoA)辅酶A-SH,CoA-SH接受或提供乙酰基Acetylation乙酰-CoA(acetylCoA):具有高的乙酰基转移势能CH3-CO-SCoA,乙酰-S-CoA(acetyl–S-CoA)活泼的乙酰基团●辅酶Ａ在糖类和脂类代谢中起重要作用第34页/共70页6.同一种物质的分解代谢和合成代谢途径一般是不同的，但各代谢途径之间存在许多重复出现的基元(通用活化载体)。两用代谢途径(amphibolicpathway):在分解代谢和合成代谢途径中存在一些双方都可利用的代谢环节。柠檬酸循环(citricacidcycle)代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域：也称区室化（compartmentation)第35页/共70页

第36页/共70页三代谢研究的对象和常用材料大肠杆菌（Escherichiacoli）：细菌代谢代表大肠杆菌T4噬菌体（BacteriophageT4）大肠杆菌λ噬菌体（Bacteriophage-Lambda）红色面包霉（Neurcsporacrassa）：生化遗传小球藻（Chlorellavulgaris）：光合作用研究经典材料玉米（Zeamays）：光合作用、遗传鸽（Columbalivia）：代谢循环大鼠（Musmusculus）：代谢兔（Lepuscalifornicus）：免疫生化第37页/共70页代谢研究的其他对象：枯草杆菌(Bacillussubstitis)四膜虫(Tetrahymenathermophila)酒酵母(Saccharomycescerevisiae)海胆(Arbaciapunctulata)爪蟾(Xenopuslaevis)小鼠(Musmusculus)第38页/共70页四、新陈代谢的研究方法

研究水平:体内研究(invivo，在体内):

用生物整体、整体器官，或微生物细胞群等体外研究(invitro，在体外)：

用器官或组织的切片、匀浆液或提取液第39页/共70页体内研究(invivo):1904年，F.Knoop根据用苯环标记脂肪酸饲喂狗的实验结果，提出了脂肪酸的-氧化假说。脂肪酸末端甲基接上苯基偶数碳FA：苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸）奇数碳FA：苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）第40页/共70页β-氧化作用的试验证据

第41页/共70页体外研究(invitro)：第42页/共70页

代谢研究的方法:

1、同位素示踪技术：同位素：原子序数相同（在周期表上地位相同，化学性质相同），但质量不同的元素。天然同位素：稳定的同位素。如：2H（D）、15N、13C和18O

质谱分析放射性同位素：人工制备，不稳定。有特定的半衰期。常用的：32

P、14C、3H(氚,tritium,T)

、35S、131I

放射自显影，计数法等例如：柠檬酸合成：

CH-COOHCH3-14COOHHO-CH-COOHCH-14COOH第43页/共70页

常用放射性同位素同位素名称符号放射线种类半寿期氢3（氚）3H,Tβ-12.26年碳1414Cβ-5730天磷3232Pβ-14.3天碘131131Iβ-8.070±0.009天硫3535Sβ-87.1天

正比计数法(proportioncounting)：放射线→（物质产生离子化）放光→（光电倍增管）电子脉冲→检测液体闪烁计数法(liquidscintillationcounting)：射线→（芳香族的溶剂）荧光→检测放射自显影法（autoradiography）：射线→感光胶片→分析感光胶片课外阅读第44页/共70页2、使用各种酶抑制剂和拮抗物：

NADHNADH-Q—||QH2—||CytC1

还原酶鱼藤酮

抗霉素A

安密妥

CytC

细胞色素氧化酶—||O2

CN-，N3，CO

第45页/共70页使用酶的抑制剂：

碘乙酸抑制磷酸甘油醛脱氢酶，

3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累；

氟化物抑制烯醇化酶,

2-磷酸甘油酸和3-磷酸甘油酸积累。P17第46页/共70页第47页/共70页3、利用遗传缺欠症研究代谢途径：1、苯丙氨酸代谢异常：苯丙酮尿症(phenylketonuia,PKU)2、酪氨酸代谢异常：白化病（albinism）、尿黑酸尿症、帕金森氏病遗传缺欠症（先天性基因突变）→缺乏某种酶→前体物的积累→在血液或随尿排出→测定D第48页/共70页Phe和Tyr的代谢去甲肾上腺素酪氨酸苯丙氨酸多巴胺多巴醌对羟苯丙氨酸肾上腺素黑色素吲哚醌尿黑酸延胡索酸、乙酰乙酸酪氨酸酶酪氨酸羟化酶(神经、肾上腺)羟化酶苯乙酸苯丙氨酸转氨酶多巴（DOPA）甲状腺激素氧化酶脱羧酶①②④③苯丙酮酸尿症白化病Parkinsondisease帕金森氏病

尿黑酸尿症第49页/共70页第50页/共70页白化鳄第51页/共70页第52页/共70页4、其他研究方法：

☻核磁共振（波谱）法

(nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMR)

☻量气法（瓦式呼吸器，Warburg-Barcroftapparatus）

☻苯环示踪法

☻代谢组学(metabonomics／metabolomics)P18第53页/共70页核磁共振波谱法：运动19min后运动前磷酸肌酸磷酸肌酸无机磷酸无机磷酸ATPATP31磷酸肌酸运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况人体前臂肌肉在运动前后磷酸肌酸,无机磷酸和ATP三个磷酸基团的31PNMR波谱碳(13C)谱,氟(19F)谱,31P谱,15N谱第54页/共70页五主要的代谢反应类型（四类）：1.基团转移反应(group-transferreaction)

酰基转移、磷酰基转移、葡糖基转移2.氧化-还原反应

(redoxreaction)3.消除、异构化和重排反应

4.碳-碳键的形成或断裂反应羟醛缩合反应（aldolcondensation)

克莱森酯缩合反应(Claisenestercondensation)

-酮酸的氧化脱羧反应

第55页/共70页主要的代谢反应类型（四类）：1基团转移反应（亲核取代）：

A-X+Y：

Y-A+X(1)酰基转移反应。

OO-OR-C-X+Y：

R-C–XR-C-Y+X：

Y

四面体共价中间物P7第56页/共70页葡萄糖的磷酸化（G6P）(2)磷酰基转移反应第57页/共70页

磷酰基转移:phosphorylgrouptransferation

三角形双金字塔结构的中间物四面体磷酰基构象反转P8第58页/共70页2氧化-还原反应（reduction）：实质是电子得失（转移）。

HOHHOC–NH2C–NH2

2H（2e）

—H—H+H+N+NRR

（NAD+）（NADH

）

NAD++2HNADH+H+

P9第59页/共70页3消除、异构化及重排反应：消除反应（elimination）：顺式（产物顺式）和反式消除（产物反式）消除的基团：H2O、NH3、R-OH、R-NH2HHRHR–C–C-R’C=C+H++OH-HOHHR’

机制：负碳机制、正碳机制和协同机制三种。B：H+..P10第60页/共70页异构化反应（isomerization）：如：H在分子内迁移，使双键位置改变。例如醛、酮互变：

HHHHC=OC-O：C-OHHC-OHH-C-OHC-O-HC-O-C=O

RRRR

（醛）（单烯二羟负离子中间体）（酮）分子内重排反应：-C-C-C-变位酶

-C-C-C-（rearrangement）CB12CB：

B：

HB

B：

HB-P11第61页/共70页

C-C键的形成或断裂：例如：负碳离子向正碳离子（醛、酯、酮、CO2等的C原子）发生亲核攻击。（1）羟醛缩合（aldolcondensation）：

RRRRC=OC=OC-O-

C=OCH2

-CH2CH2CH3HC-O…H+（产物2，酮）

R’H-C=OR’

（醇）（产物1，醛）B-P12烯醇化物共振中间体第62页/共70页(2)克莱森酯缩合反应(claisenestercondensation)P13第63页/共70页碳-碳键的形成与断裂反应克莱森酯缩合反应(claisenestercondensation)反应具有严格的立体专一性第64页/共70页Si面第65页/共70页S-柠檬酰-CoA前-S方向(pro-Sarm)前-R方向(pro-Rarm)第66页/共70页（3）-酮酸的氧化脱羧：

COO-