Transcript 代谢总论

生 物 化 学
（下册）
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
参考文献
1 沈同, 王镜岩. 生物化学(第二版). 高等教育出版社, 1995
2 郑集, 陈钧辉. 普通生物化学(第三版). 高等教育出版社, 1998
3 宓怀风. 生物化学. 南开大学出版社，1987
4 张蘅. 生物化学(第二版). 北京医科大学，中国协和医科大学联合出版社,
1999
5 周爱儒. 生物化学（第五版）. 人民卫生出版社，2001
6 于自然，黄熙泰. 现代生物化学. 化学工业出版社（教材出版中心），
2001
7 周秀贞, 何立望, 黄如彬. 生物化学. 贵州科技出版社，
1993
8 李惟等. 生物化学. 北京:化学工业出版社（化学与应用化
学出版中心），2005
9 张楚富. 生物化学原理. 高等教育出版社, 2003
10 王希成. 生物化学. 清华大学出版社，2000
11
Lenhninger Principles of Biochemistry (第四版). 2004
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第一章 代谢总论
一
二
三
四
五
六
新陈代谢（metabolism）
代谢研究的特点
代谢研究的对象和常用材料
代谢研究的方法
主要的代谢反应类型
生物膜与代谢物质运送
一 新陈代谢（metabolism）
1. 新陈代谢基本概念:
生物学角度：生物体从外界摄取各种生活物质，
转化为自身生命活动所需的物质和能量，并将废物排
出体外的过程。
动态生物化学角度：营养物质在生物体内所经历
的一切化学变化，总称为新陈代谢。简称，代谢。
2 . 代谢研究的主要内容:
2.1
2.2
2.3
2.4
营养物质的摄入
营养物质的消化和降解：由大分子形成小分子
由小分子物质合成自身需要的各种生物分子
提供和储存生命活动所需要的能量
二 代谢研究的基本特点：
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：
• 代谢物（metabolite）：代谢循环的各种中间物
• 代谢途径（catabolic pathways）
4. 代谢是受到调控的
5. 代谢包括物质代谢和能量代谢
代谢
(metabolism)
合成代谢（同化作用） ：小分子合成大分子 ， 需要能量
（anabolism）
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
6. 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。
7. 代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域：
也称区室化（compartmentation)
三 代谢研究的对象和常用材料
•
•
•
•
•
•
•
•
大肠杆菌（Escherichia coli）：细菌代谢代表
大肠杆菌T4噬菌体（Bacteriophage T4）
红色面包霉（Neurcspora crassa）：生化遗传
小球藻（Chlorella vulgaris）：光合作用研究经典材料
玉米（Zea mays）：光合作用、遗传
鸽（Columba livia）：代谢循环
大鼠（Mus musculus）：代谢
兔（Lepus californicus）：免疫生化
• 体内研究（in vivo）：用完整生物体、整体器官、
微生物群体等
• 体外研究（in vitro）：用器官或组织的切片、匀浆液
或组织提取液
四 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、34S，放射自显影，计数法等
2、使用各种酶抑制剂和拮抗物：
NADH-Q还原酶
细胞色素还原酶
NADH ———||—— QH2 ———||—— Cyt C1
鱼藤酮
抗霉素A
安密妥
细胞色素氧化酶
—— Cyt C ————|| ——— O2
CN-，N3，CO
3、遗传缺陷分析：例如，尿黑酸症、苯丙酮尿症。
4、其它研究方法：苯环示踪法， 核磁共振法，
量气法等，代谢组学
五 主要的代谢反应类型（四类）：
1 基团转移反应（group transfer reaction）：
A-X + Y： Y-A + X
(亲核取代)
例如：酰基转移反应。
O
OO
R-C-X + Y：  R- C –X  R-C-Y + X：
Y
四面体共价中间物
2 氧化反应（oxidation）和还原反应（reduction）：
•
实质是电子得失（转移）。
H
O
H H O
C – NH2
C – NH2
2H（2e）
—H
—H
+H+
N+
N
R
R
（NAD + ）
（NADH ）
NAD+ + 2H
NADH + H+
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-NH2
R
H
B：H H
R – C – C - R’
C=C
+ H+ + OHH OH
H
R’
..
H+
机制：负碳机制、正碳机制和协同机制三种。
• 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：
H
C=O
H - C-OH
B： R
（醛）
H HB
H
B： H
C-O：
C-OH
HC-OH
C-O-H
C - OC=O
R
R
B： R HB
（单烯二羟负离子中间体）（酮）
• 分子内重排反应：-C-C-C（rearrangement）
C
变位酶
B12
-C-C-CC
C-C 键的形成或断裂：
例如：负碳原子向正碳原子（醛、酯、酮、CO2
等的C原子）发生亲核攻击。
（1）羟醛缩合（aldol condensation）：
R
R
R
R
C=O
C=O
C- O C=O
-CH
CH3
CH2
CH2
2
（酮） B：
+
H–C– OH
H-C=O
R’
R’
（醇）
BH
（醛）
4
（2）-酮酸的氧化脱羧：
COO CH2 O
H- C - C -O –
HO- C - H
C
O O–
（异柠檬酸）
2H
COO CH2 O
CO2
H- C - C +-O –

C=O
C
Mn 2+
O O–
（草酰琥珀酸）
COO CH2
CH2
H- C
C- O –
C
Mn 2+
O O–
COO H+
H- C-H
C=O
C
O O–
六 生物膜与代谢物质运送：
1. 生物膜（manbrane):
• 生物膜的组成和结构：
脂类：磷脂（双分子层）、糖脂和胆固醇
蛋白质：内在、外周和脂锚定蛋白
• 生物膜的功能：
能量转换、信息识别与传递、物质运输
• 生物膜的特性：通透性、流动性、高度选择性
2 运输方式： 主动运输和被动运输：
（1）被动运输（passive transport）：
也称易化扩散。是物质顺浓度梯度从高浓度跨膜运输
到低浓度一侧的运输方式。例如：某些疏水分子简单扩散
出入膜；人红细胞运送葡萄糖和一些阴离子等
• 特点：a. 运输速率依赖于膜两侧被运输物质的浓度差、
分子大小、电荷及在脂双层中的溶解度
b. 运输过程不需要能量，G  0
c. 被动运输有时有通道，有时没有
（2）主动运输（active transport）：
• 凡是物质逆浓度梯度运输的过程称为主动运输。
• 主动运输特点：
 专一性：对特定物质的运送能力不同，有专门的通道
 方向性：如主动向胞内摄入K+ ；向胞外排出Na+
 可被特定抑制剂选择性抑制：
乌本苷（ouabain）：专一抑制Na+向胞外的运送
根皮苷（phlorizin）：可专一抑制肾细胞葡萄糖的
运送
 需要提供能量：
• 主动运输不带电荷物质时的自由能变化：
G = RT ln (C2 /C1)
• 若物质带电荷时的自由能变化：
G = RT ln (C2 /C1) + ZF V
C1：低浓度侧物质的浓度
Z：被运送物质所带电荷数
V：膜电位
（浓度梯度+电荷梯度）
=电化学梯度
C2：高浓度侧物质浓度
F：法拉第常数
 主动运输需要两个体系同时存在：
参与运输的传递体（膜上蛋白载体或通道）
由酶（酶系）组成的 能量传递系统
• 物质运输可分为：
小分子运输和大分子运输两大类。
3 小分子物质运送：
* 疏水性分子，如O2、苯等易于透过膜；
* 不带电荷的小的极性分子如H2O、CO2等可
迅速扩散透过膜。
* 离子如Na+、K + 、Ca 2+等，或不带电荷的大
的极性分子如葡萄糖等不能透过膜。
（1）运输蛋白体系与运输方式：
• 单向运输（uniport transport）
• 协同运输（cotransport）: 同向运输（symport）
反向运输 （antiport）
（2） 离子运输与Na+，K+ -泵：
• Na+，K+ -泵：通过水解ATP获得能量，主动向胞外运输
Na+，而向胞内运输K+ 。是一个跨膜ATP酶
• 构象变化假说：
与Na+有关
的蛋白磷酸化导
致酶构象变化
• 其他如Ca 2+泵
(Ca2+-ATP酶)：
肌质网Ca 2+运输
体系
（3） 糖和氨基酸的运送：
• 葡萄糖的运输是由葡萄糖转运体（glucose
transporter，GLUT）承担：
GLUT 1：红细胞
GLUT 2：肝脏、胰腺-细胞
GLUT 3：普遍存在于哺乳动物细胞
GLUT 4：肌肉、脂肪细胞
GLUT 5：小肠粘膜细胞、肾小管上皮细胞
GLUT 7：运送葡萄糖-6-磷酸
a. 协同运输：小肠细胞对葡萄糖的运送( GLUT 5)
是依赖以Na+或H +梯度形式储存的能量而进行的
协同运输。
• 对某些氨基酸的运送也采取这种方式
b. 基团运送：
• 细菌在运送某些糖类时，需要对糖进行磷酸化，
以糖-磷酸的形式才能透过膜，称为基团运送。
• 例如E.coli的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转磷酸化酶
系统(PTS)运送糖：
PEP + 糖外
酶系统
糖-磷酸内 + 丙酮酸
(PTS)
其他：细菌中嘧啶、嘌呤、脂肪酸的运送可能也
是类似机制。
4 生物大分子的跨膜运送：多核苷酸、多糖等
（1）胞吐作用（exocytosis）：
胞内物质被裹入囊泡  分泌泡  与质膜接触、融合
 外排。 例如：胰岛素（Insulin）的分泌等。
（2）胞吞作用（endocytosis）：
吞噬作用：以大的囊泡形式（液泡）内吞较大的固
体颗粒、微生物以及细胞碎片等。需能。
胞饮作用：以小的囊泡形式将细胞周围的微滴状液
体吞入细胞内的过程。多数细胞具有。
受体介导的胞吞作用：被内吞物（配体）与细胞表
面专一性受体结合并引发细胞膜内陷而
将配体裹入。是专一性很强的胞吞作用。
例如：动物细胞摄入胆固醇的过程。
• 蛋白质由信号肽指导的跨膜运送：信号肽理论。