生物化学ii苏维恒代谢总论

生物化学ii苏维恒代谢总论第1页/共47页Biochemistry

PartII

第2页/共47页Whatwillwelearn？Howtolearn?第3页/共47页Basicbiochemistry:Theunitofalllifeisthecell.Single-celledorganisms:BacteriaandprotozoaMulti-celledorganisms:AllplantsandanimalsHierarchyofcellularlife:Cells-->Tissues-->Organs-->Organisms-->Populations第4页/共47页SmallmoleculesoflifeWhataretheelementsoflivingmolecules?

CHONPS–biogenicelements:carbon,hydrogen,oxygen,nitrogen,phosphorus,sulfur

Compose~99percentoftheorganicmatterinlivingcells.Hydrocarbons HC Octane=C8H18(辛烷）(Lipids)Carbohydrates CHO Glucose=C6H12O6(Sugars)Aminoacids CHON(S) Glycine=C2H5O2N(Proteins)Nucleotides CHONP AMP=C10H14N5O7P(DNA,RNA)TheFourMoleculesofLife第5页/共47页Lipids：储能物质Sugars：能源物质Proteins：功能和结构物质Nucleotides：遗传物质第6页/共47页contents代谢总论和生物能学(metabolismandBioenergetics)糖酵解（Glycolysis)柠檬酸循环(TheCitricAcidCycle)糖代谢的其他途径（AdditionalpathwaysinCarbohydrateMetabolism)电子传递与氧化磷酸化（ElectrontransportandOxidativePhosphorylation)核酸结构和性质(Structureandpropertiesofnucleicacids)核酸代谢(NucleotideMetabolism)蛋白质代谢(AminoAcidMetabolism)脂类代谢(LipidMetabolism)第7页/共47页团队介绍于湘晖苏维恒吴慧第8页/共47页课程共分为五部分代谢总论和生物能学（于湘晖）糖代谢（糖酵解、柠檬酸循环、糖代谢的其他途径和电子传递与氧化磷酸化）（于湘晖和马俊峰）核酸的结构和核酸的代谢（吴慧）脂类代谢（苏维恒）蛋白质代谢（苏维恒）第9页/共47页10.1metabolismistheSumofCellularReactionsMetabolismistheentirenetworkofchemicalreactionscarriedoutbylivingcells.新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。

第10页/共47页第11页/共47页合成代谢与分解代谢合成代谢(anabolicreactions)：synthesizethemoleculesneededforcellmaintaince,growthandreproduction.生物体内由小分子物质转化成大分子物质的过程，属同化作用的范畴。分解代谢(catabolicreactions)：degrademoleculestoliberatesmallermoleculesandenergy.生物体内由大分子物质转变成小分子物质的过程，属异化作用的范畴。第12页/共47页新陈代谢的概念及内涵

小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量

释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子物质代谢能量代谢新陈代谢信息交换第13页/共47页Birds,beasts,plants,andsoilmicroorganismssharewithhumansthesamebasicstructuralunits(cells)andthesamekindsofmacromolecules(DNA,RNA,proteinsandlipids)madeupofthesamekindsofmonomericsubunits(nucleotides,aminoacids).Theyutilizethesamepathwaysforsynthesisofcellularcomponents,sharethesamegeneticcode,andderivefromthesameevolutionaryancestors.Organismschangetheirinheritedlifestrategiestosurviveinnewcircumstances.Theresultofeonsofevolutionisanenormousdiversityoflifeforms,superficiallyverydifferentbutfundamentallyrelatedthroughtheirsharedancestry.第14页/共47页WhatistheHumanGenomeProject?U.S.jectcoordinatedbytheDepartmentofEnergyandtheNationalInstitutesofHealth,launchedin1986byCharlesDeLisi.Definition:GENOME–thewholehereditaryinformationofanorganismthatisencodedintheDNA.Aimsoftheproject: -toidentifytheapproximate100,000genesinthehumanDNA. -determinethesequencesofthe3billionbasesthatmakeuphumanDNA. -storethisinformationindatabases. -developtoolsfordataanalysis. -addresstheethical,legal,andsocialissuesthatarisefromgenomeresearch.第15页/共47页Whosegenomeisbeingsequenced?thefirstreferencegenomeisacompositegenomefromseveraldifferentpeople.generatedfrom10-20primarysamplestakenfromnumerousanonymousdonorsacrossracialandethnicgroups.第16页/共47页theDepartmentofEnergyandtheNationalInstitutesofHealthWatsonand3billionsDollars1992年，Watson因为反对给人类基因申请专利退出HGP计划，Watson却认为所有与人类基因有关的知识都应该免费与全人类共享1993年，时年43岁的FrancisCollins接替了Watson的工作，开始领导国际基因组计划CraigVenter建议使用速度更快的“鸟枪法”测序代替链终止法。1998年，PE公司以其刚研制成功的300台最新毛细管自动测序仪（ABI3700）和3亿美元资金，成立了CeleraGenomics公司1999年，Celera为人类的6500个基因申请专利保护。这意味着人体内将有6500条基因归Celera所有，任何人想要检测或者医药公司研发和这些基因有关疾病的新药，抑或科学家想研究这些基因都要给塞雷拉公司交钱。2000年3月14日，时任美国总统，比尔·克林顿和英国首相布莱尔联合发表声明称人类基因组数据不允许专利保护，必须对所有研究者公开。第17页/共47页从左至右依次为Venter、Clinton、Collins2000年6月26日，伟大的时刻终于来临，美国总统克林顿等六国领导人共同宣布人类基因组计划的草图完成。第18页/共47页HowiseachareabenefitedspecificallybytheHumanGenomeProject?Improvementsinmedicine:improveddiagnosisofdisease.Microbialresearch:newenergysources,biofuels.DNAforensics:identifyingpotentialsuspectsatacrimescene.Agriculture:morenutritiousproduce.Evolutionandhumanmigration:studymigrationofdifferentpopulationgroupsbasedonfemalegeneticinheritance.-Riskassessment:reducethelikelihoodofheritablemutations.第19页/共47页WhataretheimplicationsoftheHumanGenomeProjectspecificallytoeachoftheseareas?Somequestionstoconsider:Fairnessandprivacy:whoshouldhaveaccesstoyourgeneticinformation?Psychologicalstigmatization:howdoesknowingyourpredispositiontodiseaseaffectanindividual?Genetictesting:shouldscreeningbedonewhenthereisnotreatmentavailable?Someotherissues:Reproductiveissues:useofgeneticinformationindecisionmaking.Clinicalissues:implementationofstandardsandqualitycontrolmeasuresintestingprocedures.第20页/共47页OrganismsdemonstratethefollowingcommonthemesOrganismsorcellsmaintainspecificinternalconcentrationsofinorganicions,metabolites,andenzymes.Organismsextractenergyfromexternalsourcestodriveenergy-consumingreactions.Themetabolicpathwaysineachorganismarespecifiedbythegenesitcontainsinitsgenome.Organismsandcellsinteractwiththeirenvironments.Thecellsoforganismsarenotstaticassembliesofmolecules.Manycellcomponentsarecontinuallysynthesizedanddegraded.第21页/共47页E.coli

hasabout900genesthatencodemetabolicenzymesusedinintermediarymetabolismandhasabout130differentpathways.Thesegenesaccountsfor21%ofthegenesinthegenome.Mycobacteriumtuberculosishasabout250enzymesinvolvedinfattyacidmetabolism-fivetimesasmanyasE.coli.第22页/共47页MetabolicpathwaysaresequencesofreactionsWithineachofthefourareasofmetabolism,werecognizedistinctsequencesofmetabolicreactions,calledpathway.Apathwayisthebiologicalequivalentofasyntheticordegradativeschemeinorganicchemistry.虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶催化的反应，但仍可以从错综复杂的代谢网络中总结归纳成一些具有共同规律的途径，并将这些途径称为主要代谢途径。这些主要代谢途径在千差万别的生物界具有相当的普遍性。第23页/共47页1.MetabolismproceedsbydiscretestepsAmetabolicpathwayhasmanystepsThatbeginwithaspecificmoleculeandendwithaproductThatareeachcatalyzedbyaspecificenzymeEnzyme1Enzyme2Enzyme3ABCDReaction1Reaction2Reaction3Starting

moleculeProduct第24页/共47页Onereasonformultiplestepsisthelimitiedreactionspecificityofenzymes.（酶的特异性）Anotherreasonformultiplestepsinmetabolicpathwaysistocontrolenergyinputandoutput.

（有利于能量的摄入和释放的调控）Finally,multiplestepsprovideopportunitiestoestablishcontrolpoints.（有利于调控）第25页/共47页Burningvs.Metabolism生物体内的氧化过程是缓慢地，逐步将能量释放出来，其中大部分能量转移到一些特殊的化合物中。氧化作用所放出的能量与氧化途径无关，只要最后产物相同，释放出的总能量就相同。第26页/共47页2.Individualmetabolicpathwayscantakedifferentforms.Alinearmetabolicpathwayisaseriesofenzyme-catalyzedreactionsinwhichtheproductofonereactionisthesubstrateforthenextreaction.Acyclicmetabolicpathwayisalsoasequenceofenzyme-catalyzedsteps,butthesequenceformsaclosedloop,sotheintermediatesareregenerated.Inaspiralmetabolicpathway,thesamesetofenzymesisusedrepeatedly.第27页/共47页10.2metabolicpathwaysareregulatedTheflowofmaterialthroughametabolicpathway,orflux,dependsnotonlyonthesupplyofsubstratesandtheremovalofproductsbutalsoontheactivitiesoftheenzymesthatcatalyzeindividualreactions.第28页/共47页SubstrateSpecificityofEnzymesThesubstrateIsthereactantanenzymeactsonTheenzymeBindstoitssubstrate,forminganenzyme-substratecomplexTheactivesiteIstheregionontheenzymewherethesubstratebindsSubstateActivesiteEnzyme(a)第29页/共47页ThecatalyticcycleofanenzymeSubstratesProductsEnzymeEnzyme-substratecomplex

1

Substratesenteractivesite;enzymechangesshapesoitsactivesiteembracesthesubstrates(inducedfit).

2Substratesheldinactivesitebyweakinteractions,suchashydrogenbondsandionicbonds.3Activesite(andRgroupsofitsaminoacids)canlowerEAandspeedupareactionby•actingasatemplateforsubstrateorientation,•stressingthesubstratesandstabilizingthetransitionstate,•providingafavorablemicroenvironment,•participatingdirectlyinthecatalyticreaction.4SubstratesareConvertedintoProducts.5ProductsareReleased.6

ActivesiteIsavailablefortwonewsubstrateMole.Figure8.17第30页/共47页Infeedbackinhibition（反馈抑制）Theendproductofametabolicpathwayshutsdownthepathwaythroughinhibitionofanearlystep,usuallythefirstcommittedstep.Feed-forwardactivation（前馈激活）

occurswhenametabolicproducedearlyactivatesanenzymethatcatalyzesareactionfurtherdownthepathway.第31页/共47页Activesite

availableIsoleucine

usedupby

cellFeedback

inhibitionIsoleucine

bindsto

allosteric

siteActivesiteof

enzyme1no

longerbinds

threonine;

pathwayis

switchedoffInitialsubstrate

(threonine)Threonine

inactivesiteEnzyme1

(threonine

deaminase)IntermediateAIntermediateBIntermediateCIntermediateDEnzyme2Enzyme3Enzyme4Enzyme5Endproduct

(isoleucine)Figure8.21第32页/共47页新陈代谢的调节

生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。新陈代谢的调节主要是：

1)靠酶数量和活性的调节

2)细胞中有许多由膜分割的部位，特定的代谢途径在特定的细胞部位进行。

3)物质需要在细胞不同的部位间运输，有时还需要在细胞间或整个机体内运输。物质运输的方向、量及速度也影响代谢。

第33页/共47页10.3majorpathwaysincells第34页/共47页RolesofATPandNADPH(NADH)

inMetabolismATP：中心物质两对能量携载分子：NADH和NAD+FADH2和FAD第35页/共47页ATP是能量代谢的中心物质

生物体直接利用的能量物质主要是ATP，在分解代谢中，释放出的能量主要用于合成ATP，在需要提供能量的反应或其它生命活动中，主要是由ATP水解来提供能量的，所以ATP是能量代谢的中心物质。ATP不是一种能量贮存物质，而是一种传递能量的分子，因为在一般情况下，ATP分子合成后，在1分钟之内就被利用。

第36页/共47页

辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的递能作用由营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了通过合成ATP的途径捕获外，还有另外一种途径，就是以氢原子和电子的形式转移自由能。这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成的。脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶Ⅰ或辅酶Ⅱ接受,形成还原型辅酶。