大連理工大學(xué)生物化學(xué)-代謝總論課件

1、生物化學(xué)（下）1課程名稱：生物化學(xué)（Biochemistry）使用教材：生物化學(xué)（第三版，王鏡巖等）參考教材：生物化學(xué)原理（第三版，周海夢等譯）學(xué)分學(xué)時：2.5/40（9-18周，共10周）課程性質(zhì)：必修考核形式：考試+平時成績一、課程信息 2教學(xué)目的：掌握物質(zhì)代謝與能量代謝及其調(diào)控方式（糖代謝、三羧酸循環(huán)、脂類代謝、氨基酸代謝、核苷酸代謝、生物氧化、物質(zhì)代謝的聯(lián)系與調(diào)節(jié)）掌握遺傳信息的貯存、傳遞與表達(dá)（DNA的生物合成、RNA的生物合成、蛋白質(zhì)的生物合成、基因的表達(dá)調(diào)控、基因重組與基因工程）二、教學(xué)目的和要求3有較好的生物學(xué)物理學(xué)和化學(xué)方面的基礎(chǔ)，能夠?qū)⑦@些基礎(chǔ)知識運用到生物化學(xué)的學(xué)習(xí)中，要

2、求能從生物大分子的組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)去認(rèn)識結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系物質(zhì)代謝和能量代謝的關(guān)系以及代謝調(diào)節(jié)的意義基因信息傳遞的分子基礎(chǔ)重組DNA和基因工程技術(shù)等 教學(xué)要求：4三、教學(xué)的基本內(nèi)容和重點 物質(zhì)代謝（糖類、脂類、核酸和蛋白質(zhì)）的代謝變化，重 點闡述主要代謝途徑（減少逐步化學(xué)反應(yīng)的講解）、生物氧化與能量轉(zhuǎn)換、代謝途徑間的聯(lián)系、代謝調(diào)節(jié)的原理及規(guī)律； 闡明中心法則所揭示的信息流向，包括DNA復(fù)制、RNA轉(zhuǎn) 錄、翻譯及基因表達(dá)調(diào)控； 概要地介紹重組DNA和基因工程技術(shù)。5第一章 新陳代謝與生物能學(xué)7主要內(nèi)容一、新陳代謝概論二、新陳代謝研究方法三、新陳代謝的代謝途徑四、生物能學(xué)簡介（自學(xué)）五、高能化合物8

3、另一方面，將原有復(fù)雜成分經(jīng)一系列生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即異化作用(dissimilation )； 分解代謝(catabolism)：有機營養(yǎng)分子（糖類、脂肪和蛋白質(zhì)）被轉(zhuǎn)化為更小、更簡單的終端產(chǎn)物（乳酸、CO2、NH3）并釋放能量，其中一些能量保存在ATP，NADH、NADPH和FADH2中。 通過上述過程，使生物體既能保持自身的穩(wěn)定，又能不斷得到更新，以適應(yīng)環(huán)境。 10新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量生物大分子分解為生物小分子能量代謝物質(zhì)代謝新陳代謝 (metabolism) ：生物體內(nèi)所有化學(xué)變化的總稱信

4、息交換11捕獲太陽能或降解從周圍環(huán)境中獲得的營養(yǎng)物質(zhì)來獲得化學(xué)能；把營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身結(jié)構(gòu)元件（細(xì)胞自己的特征分子），包括生物大分子的前體分子；將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子，如蛋白質(zhì)、核酸等；合成或降解細(xì)胞特殊功能所需要的生物分子；提供生命活動所需要的所有能量。2、新陳代謝（ metabolism）的功能 新陳代謝是高度協(xié)調(diào)的細(xì)胞活動，有很多多聚酶系統(tǒng)（代謝路徑）協(xié)調(diào)合作來完成其功能。12生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程14光合自養(yǎng)生物異養(yǎng)生物生物圈中自養(yǎng)界（光合作用）與異養(yǎng)界之間的CO2和O2 循環(huán)自養(yǎng)生物（autotroph）：能以CO2作為自身基本碳源的生物。異養(yǎng)生物（heterotroph）

5、：依靠外界有機物而存活的生物。 生物物種根據(jù)從環(huán)境中攝取碳的化學(xué)形式分為生物圈中碳的轉(zhuǎn)化量 4 1011 噸 / 年154、新陳代謝的調(diào)節(jié) 生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機體能適應(yīng)其體內(nèi)、外復(fù)雜的環(huán)境變化，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。 代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平： 分子水平 細(xì)胞水平 整體水平175、代謝中常見的有機化學(xué)反應(yīng)機制 基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) 氧化-還原反應(yīng) 消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng) 碳-碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)18酶催化，反應(yīng)特異、靈敏；反應(yīng)條件溫和、有序、代謝途徑逐步進(jìn)行、彼此協(xié)調(diào)；高度適應(yīng)周圍環(huán)

6、境。6、新陳代謝的特點體外化學(xué)反應(yīng)？19二、新陳代謝的研究方法1、活體內(nèi)(in vivo)水平的代謝研究2、體外(in vitro)水平的代謝研究3、整體水平的研究4、器官水平的代謝研究5、細(xì)胞、亞細(xì)胞水平的代謝研究20單細(xì)胞生物多細(xì)胞生物病毒(virus)噬菌體(bacteriophage) 病毒和噬菌體介于生物和非生物之間，只有寄生于生物細(xì)胞中，才能表現(xiàn)代謝等生命現(xiàn)象。新陳代謝研究的具體對象活細(xì)胞中所有化學(xué)變化211、活體內(nèi)(in vivo)水平的代謝研究應(yīng)用同位素示蹤法(isotopic tracer technique)或熒光標(biāo)記常用的放射性同位素半衰期氚（3H）12年碳14（14C）

7、51005730年磷32（32P）14天碘131（131I）8天鈣45（45Ca）152天硫35（35S）88天22如，(Knoop)以活的動物犬為試驗對象，給犬飼喂不同碳原子數(shù)的脂肪酸后，分析它的排泄物成分，提出了脂肪酸-氧化作用的學(xué)說。3、整體水平的代謝研究24如，排尿素動物尿素合成部位的研究。 切除動物的肝臟，發(fā)現(xiàn)動物血液中氨基酸水平和血氨水平均升高，而尿中尿素含量下降，動物不久即死亡。切除腎臟卻無此現(xiàn)象，說明肝臟與尿素合成有關(guān)。4、器官水平的代謝研究25 代謝過程是通過一系列酶促反應(yīng)完成的。完成某一代謝過程的一組相互銜接的酶促反應(yīng)稱為代謝途徑。三、新陳代謝的代謝途徑27代謝途徑的特點：

8、1、沒有完全可逆的代謝途徑：物質(zhì)的合成與分解，有的要完全不同的兩條代謝途徑（如脂肪酸的代謝）來完成；有的要部分地通過單向不可逆反應(yīng)（如糖代謝）來完成。2、代謝途徑的形式多樣：有直線型，分支型，環(huán)形。3、代謝途徑有確定的細(xì)胞定位：酶在細(xì)胞內(nèi)有確定的分布區(qū)域，所以每個代謝過程都是在確定的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。如，糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜上進(jìn)行。284、代謝途徑是相互溝通的：各代謝途徑間，可通過共同的中間代謝物而相互交叉，也可通過過渡步驟相互銜接，而構(gòu)成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。5、代謝途徑之間有能量關(guān)聯(lián)：合成代謝消耗能量，分解代謝釋放能量。ATP為能量載體。296、代

9、謝途徑的流量可調(diào)控：機體通過控制物質(zhì)代謝的流量來實現(xiàn)所需的能量或代謝物。代謝過程可通過控制酶的活力與數(shù)量來實現(xiàn)。每個代謝途徑的流量，都受反應(yīng)速度最慢的步驟的限制，這個步驟稱為限速步驟或關(guān)鍵步驟，這個酶稱為限速酶或關(guān)鍵酶。限速步驟一般是代謝途徑或分支的第一步，這樣可避免有害中間產(chǎn)物的積累。限速步驟一般是不可逆反應(yīng)，其逆過程往往由另一種酶催化。限速酶的活性和數(shù)量，往往受多種機制的調(diào)節(jié)，最普遍的是反饋抑制，即代謝終產(chǎn)物的積累對限速酶產(chǎn)生抑制。 30 生物大分子的分解有三個階段：水解產(chǎn)生構(gòu)件分子、氧化分解產(chǎn)生乙酰輔酶A、乙酰輔酶A進(jìn)一步氧化成二氧化碳和水。在這個過程中，隨著結(jié)構(gòu)層次的降低，傾向產(chǎn)生少數(shù)

10、共同的分解產(chǎn)物，即具有趨同性。意義： 分解代謝是釋放能量的過程。第一階段放能很少，第二階段約占三分之一，可推動ATP、 NADH 、NADPH和FADH2的合成，作為能量載體向體內(nèi)的耗能過程提供能量。第三階段通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化釋放其余的能量，主要用于ATP的合成。三羧酸循環(huán)形成二氧化碳和還原輔酶，后者在氧化磷酸化過程中釋放能量，形成ATP和水。7、分解代謝的階段性和趨同性31 生物分子結(jié)構(gòu)的多層次性決定合成代謝的階段性。首先由簡單的無機分子(CO2、NH3、H2O等)合成生物小分子（單糖、氨基酸、核苷酸等），再用這些構(gòu)件合成生物大分子，進(jìn)而組裝成各種生物結(jié)構(gòu)。 趨異性是指隨著合成代謝階

11、段的上升，傾向于產(chǎn)生種類更多的產(chǎn)物。8、合成代謝的階段性和趨同性32賴氨酸（Lysine ） 蘇氨酸（Threonine）色氨酸（Tryptophane） 異亮氨酸（Isoleucine ）苯丙氨酸（Phenylalanine） 亮氨酸（Leucine ）蛋氨酸（Methionine） 纈氨酸（Viline）組氨酸（Hlstidine） 精氨酸（Argnine）9、合成代謝的營養(yǎng)依賴性人類不能合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能從食物中攝取的物質(zhì)，稱為是必需的。如氨基酸中有10種是必需氨基酸，維生素和某些不飽和脂肪酸也是必需的。331）模板指導(dǎo)組裝核酸和蛋白質(zhì)的合成。如DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄

12、以及反轉(zhuǎn)錄、翻譯都是在模板指導(dǎo)下的聚合過程。所需的信息存在于模板分子的構(gòu)件序列中，能量來自活化的構(gòu)件分子或ATP等。生物大分子形成高級結(jié)構(gòu)并構(gòu)成亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)是自我組裝過程，其信息存在于一級結(jié)構(gòu)中，其能量來自組裝過程中釋放的自由能。2）有些構(gòu)件序列簡單均一的大分子通過酶促組裝聚合而成。其信息指令來自酶分子，不需要模板。如糖原、肽聚糖、一些小肽等，都在專一的酶指導(dǎo)和催化下合成。10、合成代謝的信息來源 生物大分子有兩種組裝模式34四、生物能學(xué)簡介（自學(xué)）一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、自由能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個階段351、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念體系

13、、環(huán)境、狀態(tài)能的兩種形式 熱與功熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internal energy)、焓(enthalpy)熱力學(xué)第二定律和熵(entropy)自由能(free energy)36有關(guān)定律熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律熱力學(xué)第二定律：熵定律自由能：G = H - TSG: 自由能變化 H：總熱能變化 S：總體熵的改變 G0時，體系的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行(為放能反應(yīng))；G0時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)給體系補充自由能時，才能推動反應(yīng)進(jìn)行(為吸能反應(yīng))；G = 0時，表明體系已處于平衡狀態(tài)。372、自由能（free energy）物理意義：* (體系中能對環(huán)境作功的能量) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)

14、進(jìn)行，即： G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。383、 化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義1、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式 G=H-TS2、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關(guān)系3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定39化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系 假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：aA + bB =

15、cC + dD 恒溫恒壓下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq G 某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的pH和溫度而改變的自由能變化。 Qc - 濃度商： G 標(biāo)準(zhǔn)條件（T=298OK,大氣壓為1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。 Keq - 平衡常數(shù)：40化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化-還原電勢的關(guān)系氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： G=nFE任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池。氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原(E0)，電池

16、的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下式計算： 0（ E0 ） = E0正極-E0負(fù)極生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)時，基本原理和原電池一樣。氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 41 原電池示意圖E0 = E0正極-E0負(fù)極=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V 負(fù)極反應(yīng): Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V正極反應(yīng): Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V 檢流計鹽橋ZnSO4CuSO4e+-42計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化例：反應(yīng)G-1-

17、PG-6-P在38達(dá)到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應(yīng)的 G是多少？43G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1未達(dá)平衡時 =Qc=0.1達(dá)平衡時 =Keq=19解：G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-144NADH+H+1/2O2=NAD+H2O正極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82負(fù)極反應(yīng)：NAD+H+2

18、e NADH E- - 0.3 G - nFE - 2964850.82-(-0.32) -2 20 KJmol-1 例題：計算下反應(yīng)式G45偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性 在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 則 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。464、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定生物能量學(xué)（bioenerget

19、ics）：定量研究發(fā)生在活細(xì)胞中的能量轉(zhuǎn)換記者謝轉(zhuǎn)換背后化學(xué)過程的特性和功能的科學(xué)。1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。3、 G是 pH為7.0時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4、根據(jù)國際單位制(Le Systeme international Unut ，簡稱SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。47生物系統(tǒng)中的能流48五、高能化合物 生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。1、高能化合物的類型 2、ATP的特點及其特殊作用49

20、 指機體內(nèi)磷酸化合物的磷?；鈺r，釋放出大量自由能的這類化合物叫。 一般水解時釋放出21kJ/mol以上自由能的鍵視為高能鍵，高能鍵用 表示。高能磷酸化合物50、高能化合物的類型1烯醇式磷酸化合物?；姿峄衔锝沽姿峄衔镫一姿峄衔锪蝓ユI化合物甲硫鍵化合物51* UTP參與多糖合成* CTP參與脂類合成* GTP參與蛋白質(zhì)合成其它高能磷酸化合物52 磷酸肌酸和磷酸精氨酸可通過磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移作為儲能物質(zhì)，稱為磷酸原（phosphagen）。 磷酸肌酸（phosphocreatine）是易興奮組織如肌肉、腦、神經(jīng)等惟一能起暫時儲能作用的物質(zhì)。肌肉中的含量比ATP高34倍，可貯存供短期活動用的、足夠的磷酸基團(tuán)?；顒雍蟮幕謴?fù)期，積累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸。 磷酸精氨酸（arginine phosphate,PA）是無脊椎動物肌肉中的儲能物質(zhì)，與磷酸肌酸類似。53 ATP的結(jié)構(gòu)特性 ATP（三磷酸腺苷或叫腺苷三磷酸）是高能磷酸化合物的典型代表，由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三個相連的磷酸基團(tuán)構(gòu)成的核苷酸。2、ATP的特點及其特殊作用54 在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而