《高級生物化學》

高級生物化學趙永斌吉林師范大學5/9/20241《高級生物化學》生物能量及ATP代謝基因表達調(diào)控蛋白質(zhì)及酶5/9/20242《高級生物化學》第一部分生物能量與ATPATP－細胞的能量貨幣“貨幣代謝物（currency

metabolites）或者通用代謝物”是指可在細胞全局范圍內(nèi)像貨幣一樣流通的代謝物，如能量貨幣ATP以及以輔助因子的形式出現(xiàn)的輔酶NADH

和NADPH。它們的作用主要在于協(xié)調(diào)代謝流的流量和方向，使受它（它們）控制的途徑成為代謝網(wǎng)絡整體的一部分。

5/9/20243《高級生物化學》5/9/20244《高級生物化學》ATP的磷酸基因轉移勢能和其他一些磷酸化合物比較,處于中間地位。ATP作為共同中間傳遞體的實質(zhì)是傳遞能量，它水解釋放的自由能可推動一個在熱力學上不利的反應，使之能夠順利進行。5/9/20245《高級生物化學》5/9/20246《高級生物化學》ATP合成的方式1.底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基團直接轉移給ADP生成ATP。2.氧化磷酸化：是指在電子傳遞過程中,釋放的能量使ADP磷酸化成ATP的過程。又稱電子傳遞水平磷酸化。3.光合磷酸化：由光驅動的ATP合成。5/9/20247《高級生物化學》底物水平磷酸化在細胞內(nèi)凡是有ATP作為磷酸基因供體的酶促反應，ATP都是以Mg2+ATP2-的形式參加反應。

Mg2+ATP2-的結構式Mg2+ADP-的結構式5/9/20248《高級生物化學》5/9/20249《高級生物化學》電子傳遞與氧化磷酸化線粒體——細胞的發(fā)電廠

含有丙酮酸脫氫酶系、檸檬酸循環(huán)的酶系、催化脂肪酸氧化的酶和參與電子傳遞和氧化磷酸化的酶以及氧化還原的蛋白。5/9/202410《高級生物化學》電子傳遞NADH氧化反應是高效放能的1molNADH被O2氧化伴隨釋放218KJ自由能由ADP和Pi合成1molATP所需自由能是30.5KJ1分子NADH大約產(chǎn)生３(2.5)分子ATP1分子FADH2大約產(chǎn)生2(1.5)分子ATP5/9/202411《高級生物化學》5/9/202412《高級生物化學》5/9/202413《高級生物化學》5/9/202414《高級生物化學》5/9/202415《高級生物化學》5/9/202416《高級生物化學》ATP的合成ATP合成機制最有說服力的是1961年由PeterMitchell提出的化學滲透原理(chemiosmotictheory)氧化磷酸化要求完整的線粒體內(nèi)膜線粒體內(nèi)膜對H+、OH-、K+和Cl-等離子不通透，它們的自由擴散將會消減電化學梯度電子傳遞導致H+被運出完整線粒體，因而產(chǎn)生一個可測量的跨線粒體內(nèi)膜的電化學梯度某些因能增加線粒體內(nèi)膜對質(zhì)子的通透性而消減電化學梯度的化合物，能使電子傳遞繼續(xù)進行，但是卻抑制ATP合成，相反，增加線粒體內(nèi)膜外側的酸性將刺激ATP合成。PeterMitchell,1920–19925/9/202417《高級生物化學》提出了ATP合成酶的結合變化和旋轉催化機制Walker發(fā)表了0.28nm分辨率的牛心線粒體晶體結構,為此與Boyer分享了1997年的諾貝爾化學獎.Noji的實驗證實了旋轉催化假說的正確性.PaulBoyerJohnE.Walker5/9/202418《高級生物化學》5/9/202419《高級生物化學》5/9/202420《高級生物化學》5/9/202421《高級生物化學》5/9/202422《高級生物化學》5/9/202423《高級生物化學》5/9/202424《高級生物化學》線粒體的轉運系統(tǒng)細胞質(zhì)的還原當量轉運進入線粒體ADP-ATP轉運體Ca2+轉運5/9/202425《高級生物化學》細胞質(zhì)中的NADH必須進入線粒體的電子傳遞鏈以便進行有氧氧化，但線粒體內(nèi)膜沒有NADH轉運蛋白5/9/202426《高級生物化學》蘋果酸—天冬氨酸穿梭

malate-aspartateshuttle5/9/202427《高級生物化學》磷酸甘油穿梭

Glycerophosphateshuttle5/9/202428《高級生物化學》5/9/202429《高級生物化學》氧化磷酸化解偶聯(lián)電子傳遞與氧化磷酸化相偶聯(lián)是基于線粒體內(nèi)膜的不通透性，致使電子傳遞時因H+產(chǎn)生的跨膜電化學梯度得以建立。一些化合物如2,4-二硝基苯酚(DNP)可以使電子傳遞與ATP合成解偶聯(lián)。氧化磷酸化抑制劑:寡霉素離子載體抑制劑:纈氨霉素5/9/202430《高級生物化學》抑制類型抑制劑名稱作用位點或作用機制呼吸鏈抑制劑魚藤酮、安米妥、殺粉菌素萎銹靈抗霉素Ａ氰化物、CO、H2S、疊氮化合物復合體I復合體II復合體III復合體IVF1F0-ATP合酶抑制劑Aurovertin寡霉素、venturicidinDCCD（二環(huán)已基碳二亞胺）抑制F1抑制F0阻止質(zhì)子通過質(zhì)子F0通道解偶聯(lián)劑DNP(2,4二硝基苯酚)、FCCP纈氨霉素生熱素脂溶性質(zhì)子載體鉀離子載體，破壞電勢能質(zhì)子通道ATP/ADP交換體抑制劑蒼術苷、米酵菌酸抑制線粒體基質(zhì)內(nèi)的ATP與細胞質(zhì)內(nèi)的ADP之間交換5/9/202431《高級生物化學》棕色脂肪組織解偶聯(lián)產(chǎn)熱5/9/202432《高級生物化學》5/9/202433《高級生物化學》有氧代謝的生理意義并非所有的生物都能進行氧化磷酸化,然而具有這種功能的生物確實能從有限量的代謝燃料中獲得更多的能量.1分子葡萄糖的無氧酵解只產(chǎn)生2分子ATP1分子葡萄糖的有氧代謝可產(chǎn)生38分子ATP5/9/202434《高級生物化學》然而有氧代謝也有其缺點,許多生物和組織僅僅依靠有氧代謝,則當氧氣缺乏時它們將遭受不可逆轉的損傷.有氧代謝還伴隨產(chǎn)生少量活性氧代謝物,長時間可能破壞細胞成分5/9/202435《高級生物化學》細胞色素P450超氧化物歧化酶SOD2GSH+H2O2GSSG+2H2OGSSG+NADPH+H+2GSH+NADP+谷胱甘肽還原酶谷胱甘肽過氧化物酶5/9/202436《高級生物化學》光合磷酸化2H2OO2+4[H.]4[H.]+CO2(CH2O)+H2O在光反應中,特定的色素分子捕獲光能而被氧化,再經(jīng)一系列電子傳遞反應最終將NADP+還原為NADPH，產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度中蘊含的能量促使ADP+Pi合成ATP。氧化態(tài)的色素分子被H2O還原，產(chǎn)生O2。暗反應利用NADPH和ATP還原CO2，并將CO2整合到糖的三碳前體分子中。光5/9/202437《高級生物化學》5/9/202438《高級生物化學》5/9/202439《高級生物化學》5/9/202440《高級生物化學》5/9/202441《高級生物化學》5/9/202442《高級生物化學》習題1.根據(jù)下圖所示,假定你將有活性的F1F0-ATP合酶重組到脂質(zhì)體上,重組時酶的朝向有兩種,一種是頭部(F1部分)朝外、柄部朝內(nèi)（F0），另一種是柄部朝外，頭部朝內(nèi)。這些脂質(zhì)體外部的環(huán)境都是一樣的，都含有ADP、Pi，pH都是7，但內(nèi)部pH不同。（1）預測哪幾種脂質(zhì)體可以合成ATP？（2）如果將樣品C轉移到pH7、含有ATP的溶液中。脂質(zhì)體腔內(nèi)含有對pH敏感的熒光染料，以此來檢測pH的變化。有趣的是，溶液內(nèi)ATP水平在下降，而腔內(nèi)的pH也在下降，試解釋此現(xiàn)象。5/9/202443《高級生物化學》2.酵母呼吸缺陷型突變株缺乏細胞色素c氧化酶,它們的一個顯著特點是發(fā)酵不被O2抑制,即它們巴斯德效應.有人對應用這樣的突變株使木屑發(fā)酵產(chǎn)生酒精很感興趣.對于大規(guī)模的酒清生產(chǎn),使用這些突變株有何優(yōu)點?為什么細胞色素c氧化酶的缺乏會消除巴斯德效應(當加入氧時,葡萄糖的消耗減少)?3.加入寡霉素到線粒體中會顯著降低電子傳遞速度及ATP形成速度.接著加入DNP則增加電子傳遞速度而ATP形成速度不變,寡霉素抑制什么?4.當供給充分的底物異檸檬酸、無機磷、ADP和氧，分別用魚藤酮、抗霉素A和氰化物作為抑制劑時，線粒體中的NAD、NADH脫氫酶、細胞色素c、細胞色素b、細胞色素a的氧化還原狀態(tài)？5/9/202444《高級生物化學》5.利用基因敲除技術使小鼠缺乏腺苷酸交換體，小鼠能夠生存，但具有以下病理特征：（1）血清中含有高水平的乳酸、丙氨酸和琥珀酸。（2）電子傳遞幾乎沒有（3）線粒體內(nèi)過氧化氫的水平是正常的3倍解釋以上現(xiàn)象6.最近人們對一種來自食用海藻體內(nèi)的物質(zhì)——巖藻黃質(zhì)的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠和小鼠在攝入巖藻黃質(zhì)后，可導致白色脂肪組織內(nèi)的解偶聯(lián)蛋白1（UCP1）表達，而UCP1只在褐色脂肪組織中表達，褐色脂肪組織在成人體內(nèi)幾乎已不存在。對于這樣的發(fā)現(xiàn)有什么意義？5/9/202445《高級生物化學》7.ATP合酶的F0亞基質(zhì)子通道的功能可受到二環(huán)已基碳二亞胺(DCCD)對其單一側鏈基團的修飾而被阻斷.受DCCD作用的最有可能的氨基酸殘基是哪些?如何使用定點突變的手段加以驗證?8.假定你在pH7.0的無營養(yǎng)溶液中分離到一種大腸桿菌的懸液.這些細胞不能合成ATP.如果你突然在溶液中加入鹽酸,使溶液pH降到4.0,那么細胞內(nèi)的ATP水平會有什么變化?這種變化是暫時的還是持續(xù)的?5/9/202446《高級生物化學》第二部分代謝分解代謝（catabolism，異化作用）或稱降解,即營養(yǎng)物或細胞組分被分解來補救它們的成份和產(chǎn)生能量。合成代謝（anabolism，同化作用）或稱生物合成，即從簡單的成份合成生物大分子。通常分解代謝的反應是營養(yǎng)分子的放能反應，由之釋放的自由能用來驅動像合成代謝反應、機械做功及克服濃度梯度進行分子的主動運輸?shù)瓤缒甓饶苓^程。5/9/202447《高級生物化學》三羧酸循環(huán)糖脂肪氨基酸丙酮酸乙酰COA草酰乙酸戊糖磷酸途徑(提供NADPH)糖酵解乙醛酸循環(huán)糖異生脂肪酸合成脂肪酸分解5/9/202448《高級生物化學》5/9/202449《高級生物化學》5/9/202450《高級生物化學》5/9/202451《高級生物化學》5/9/202452《高級生物化學》5/9/202453《高級生物化學》5/9/202454《高級生物化學》5/9/202455《高級生物化學》5/9/202456《高級生物化學》5/9/202457《高級生物化學》5/9/202458《高級生物化學》糖酵解與糖異生三個不可逆反應(1)

葡萄糖6-磷酸葡萄糖,已糖激酶催化6-磷酸葡萄糖葡萄糖,葡萄糖6-磷酸酶催化(2)果糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸,磷酸果糖激酶催化果糖-1,6-二磷酸果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸酶催化(3)磷酸稀醇式丙酮酸丙酮酸,丙酮酸激酶催化丙酮酸草酰乙酸蘋果酸磷酸稀醇式丙酮酸,分別由丙酮酸羧化酶,磷酸稀醇式丙酮酸羧激酶催化.5/9/202459《高級生物化學》糖酵解與糖異生的調(diào)節(jié)作用

當葡萄糖缺乏時,血液中的胰高血糖素啟動環(huán)-AMP的級聯(lián)效應使果糖二磷酸酶激活,而使磷酸果糖激酶-2受到抑制,結果使果糖2,6二磷酸減少,反之.葡萄糖過剩,果糖2,6二磷酸含量上升,使糖酵解加速而使糖異生作用減弱.ATP,AMP,檸檬酸對兩個途徑的調(diào)節(jié)5/9/202460《高級生物化學》5/9/202461《高級生物化學》乙醛酸循環(huán)（2）乙醛酸循環(huán)——三羧酸循環(huán)支路三羧酸循環(huán)在異檸檬酸與蘋果酸間搭了一條捷徑。（省了6步）異檸檬酸檸檬酸琥珀酸蘋果酸草酰乙酸CoASH三羧酸循環(huán)乙酰CoA乙醛酸乙酰CoACoASH①②5/9/202462《高級生物化學》只有一些植物和微生物有這樣的途徑；異檸檬酸裂解酶異檸檬酸琥珀酸乙醛酸①②乙醛酸乙酰CoA蘋果酸蘋果酸合成酶5/9/202463《高級生物化學》這種途徑對于植物和微生物意義重大！兩分子乙酰CoA只產(chǎn)生2分子NADH和1分子FADH2，意義不在于產(chǎn)能，在于生存。Ⅰ.種子發(fā)芽5/9/202464《高級生物化學》糖異生油類植物種子中的油脂代謝糖乙醛酸循環(huán)草酰乙酸乙酰CoA5/9/202465《高級生物化學》Ⅱ原始細菌生存乙酸菌以乙酸為主要食物的細菌（物質(zhì)循環(huán)中的重要一環(huán)）乙酸NH3生存乙醛酸循環(huán)四碳、六碳化合物轉化乙酸

+ATP+CoASH→

乙酰CoA+H2O+AMP+PPi乙酰CoA合成酶5/9/202466《高級生物化學》酶輔基抑制劑激活劑糖酵解已糖激酶磷酸葡萄糖異構酶磷酸果糖激酶ATP檸檬酸果糖-2,6-二磷酸AMP醛縮酶磷酸丙糖異構酶磷酸甘油醛脫氫酶巰基碘乙酸胺磷酸甘油激酶磷酸甘油變位酶烯醇化酶氟化物丙酮酸激酶

CO2

ATP丙氨酸F+

果糖-1,6-二磷酸5/9/202467《高級生物化學》糖異生丙酮酸羧化酶生物素ADP乙酰CoA磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶果糖-1,6-二磷酸酶果糖-2,6-二磷酸檸檬酸葡萄糖-6-磷酸酶5/9/202468《高級生物化學》三羧酸循環(huán)丙酮酸脫氫酶復合體

(丙酮酸脫氫酶二氫硫辛酰轉乙?；付淞蛐了崦摎涿?CO2輔酶ＡＮＡＤ＋ＴＰＰ硫辛酰胺ＦＡＤＭg2+乙酰CoAＮＡＤＨ砷化物碘乙酸胺Ｃa2+NAD+CoA檸檬酸合酶檸檬酸NADH琥珀酰CoA丙酮酰CoA乙酰CoA草酰乙酸烏頭酸酶氟乙酸異檸檬酸脫氫酶CO2Ｍg2+Mn2+NADHATPADPＣa2+α-酮戊二酸脫氫酶復合體(α-酮戊二酸脫氫酶二氫硫辛酰轉琥珀酰酶二氫硫辛酸脫氫酶)CO2輔酶ＡＮＡＤ＋ＴＰＰ硫辛酰胺ＦＡＤＭg2NADH琥珀酰CoA砷化物碘乙酸胺Ｃa2+琥珀酰-CoA合成酶琥珀酸脫氫酶丙二酸延胡索酸酶蘋果酸脫氫酶5/9/202469《高級生物化學》5/9/202470《高級生物化學》5/9/202471《高級生物化學》5/9/202472《高級生物化學》分解三個酶:糖原磷酸化酶,糖原脫支酶,磷酸葡萄糖變位酶,葡萄糖-6-磷酸酶合成三個酶:UDP-葡萄糖焦磷酸化酶,糖原合酶,糖原分支酶,磷酸葡萄糖變位酶5/9/202473《高級生物化學》5/9/202474《高級生物化學》5/9/202475《高級生物化學》5/9/202476《高級生物化學》葡萄糖-6-磷酸三羧酸循環(huán)磷酸戊糖途徑糖原合成5/9/202477《高級生物化學》糖代謝習題1.如果用14C標記葡萄糖的1或者3或者5位碳,將該標記的葡萄糖加入酵母系統(tǒng),產(chǎn)生乙醇和CO2,問產(chǎn)物的哪個碳原子被標記?2.用14C標記甘油醛-3-磷酸的一個碳原子,并加入到酵母提取液中.短時間溫育后,果糖-1,6-二磷酸的C-3和C-4位含有14C標記.試問14C最初標記在甘油醛-3-磷酸的什么部位?果糖-1,6-二磷酸的第二個標記從哪兒獲得?5/9/202478《高級生物化學》3.假如你把甲基標記的丙酮酸加入到線粒體制劑,它轉變成乙酰-COA進入檸檬酸循環(huán)中.(1)在第一輪循環(huán)后,14C標記將出現(xiàn)在草酰乙酸的什么部位?(2)在第二輪循環(huán)后,14C標記將出現(xiàn)在草酰乙酸的什么部位?(3)這個標記的碳經(jīng)過多少輪循環(huán)才能將同位素以14CO2的形式釋放出來?4.雖然動物不能從乙酰COA合成糖,但是,如果用14C標記的乙酸喂養(yǎng)大鼠,14C標記會出現(xiàn)在從它的肌肉中抽提的糖原分子中,請解釋.5/9/202479《高級生物化學》5.在厭氧條件下,肌肉中進行糖酵解為什么必須將丙酮酸還原為乳酸?6.假設你發(fā)現(xiàn)了一株突變酵母,其糖酵解途徑比野生型少一步,因為其存在一種新的酶可以直接催化3-磷酸甘油醛+H2O+NAD+→3-磷酸甘油酸+NADH+H+,這對該酵母在有氧和無氧情況下的生存和ATP的合成造成什么影響?7.已知酵母無細胞抽提物含有酒精發(fā)酵所需要的全部酶,把這種抽提物加入到100ml含有200mmol.L-1的葡萄糖,30mmol.L-1的ADP,40mmol.L-1的ATP,2mmol.L-1的NADH,2mmol.L-1的NAD+,以及20mmol.L-1的Pi介質(zhì)中,在無氧下保溫.5/9/202480《高級生物化學》(1)假定酒精只要一經(jīng)形成就從保溫介質(zhì)中移走,那么能形成的最大酒精量是多少?(2)一旦介質(zhì)達到題(1)中所產(chǎn)生的酒精量后,下述哪種變化最可能允許最大限度地產(chǎn)生酒精?(A)使介質(zhì)中的葡萄糖濃度加倍(B)加入20mmol.L-1的甘油醛-3-磷酸(C)加入20mmol.L-1的丙酮酸(D)加入ATPase(3)在發(fā)生(2)的變化后,能形成的最大酒精量是多少?8.當14C-1標記的葡萄糖和14C-2標記的葡萄糖分別加入到乳腺抽提物中時,從14C-1標記的葡萄糖釋放出14CO2的速度比從14C-2標記的葡萄糖釋放出14CO2的速度快.相反,肌肉組織抽提物當以14C-1標記的葡萄糖作底物時,14CO2釋放的速度則慢,解釋此現(xiàn)象?5/9/202481《高級生物化學》9.碘乙酸胺是有效的巰基烷化劑,能抑制糖酵解途徑的特定步驟,寫出該物質(zhì)所抑制的反應,包括酶和輔酶,并說明抑制原因.10.比較3分子的葡萄糖經(jīng)糖酵解轉變?yōu)楸岙a(chǎn)生的ATP數(shù)與同樣數(shù)量的葡萄糖進入磷酸戊糖途徑后再進入糖酵解途徑所產(chǎn)生的ATP數(shù).11.一分子葡萄糖完全氧化可產(chǎn)生多ATP,若該