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第一章讲义代谢引论

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生物化学——新陈代谢

生物化学——新陈代谢
（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应 ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”
磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸 是葡萄糖的分解的中间产物，葡萄糖分 解为乳酸时所释放的大部分自由能，几 乎都保留在这两个化合物中。在细胞中 这两个化合物并不直接水解，而是通过 特殊激酶作用，以转移磷酸基团的形式， 将捕捉的自由能传递给ADP从而形成 ATP。而ATP分子又倾向于将它的磷酸 基团转移给具有较低磷酸基团转移势能 的化合物，例如葡萄糖和甘油，从而生 成6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油。
ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和 三个相连的磷酸基团构成的核苷酸， 其结构：
意义：
（1）ATP是产能反应和需能反应之 间最主要的能量介质
放能反应通过氧化磷酸化反应合成 ATP，贮存能量；需能反应，则通过 ATP水解供应之。
a、当ATP提供能量时，在ATP远端 的γ -磷酸基团水解为无机磷酸分子， ATP失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷 酸。
能量代谢和物质代谢是同一过程的两个 方面，能量转化寓于物质转化过程之中， 物质转化必然伴有能量转化。
2 、 合 成 代 谢 （ anabolism ） 分 解 代谢（catabolism）
合成代谢和分解代谢并非简 单可逆反应，发生于细胞不同部 位（尤其是真核生物中最常见）。
例如：脂肪酸分解成乙酰辅酶A 是在线粒体中进行，而乙酰辅酶 A合成脂肪酸则在细胞浆中进行。
核磁共振谱可反映分子中各个原子所 处的状态。由布洛赫（Bloch）和巴 塞 尔 （ Purcell ） 于 1948 年 建 立 ， 因 此获得1952年诺贝尔奖。
应用最多的有13C谱、19F谱、31P谱 和15N谱。
特点：样品不受破坏，且能最真实地 反映机体内的化学反应情况。

代谢总论专题知识讲座

代谢总论专题知识讲座
， CO2作为异养生物碳代谢末端产物返回大气 ，被光能自养生物重新利用；
• 生物圈中能量流动在碳循环中运转，推进循环
原动力是光能；
代谢总论专题知识讲座
8第8页
代谢总论专题知识讲座
碳素循环
9
第9页
（二）氮循环
• 氮对生物来说是关键元素，是蛋白质和核酸组分；在
无生命环境中，氮以N2形式出现在大气中，以硝酸根 离子NO3-形式出现在土壤和海洋中。
28第28页
生物氧化反应中电子载体
NAD+ NADH NADP+ NADPH FAD FADH2 FMN FMNH2
辅酶Ⅰ（氧化型）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸） 辅酶Ⅰ（还原型） 辅酶Ⅱ（氧化型） 辅酶Ⅱ（还原型） 黄素腺嘌呤二核苷酸（氧化型） 黄素腺嘌呤二核苷酸（还原型） 黄素单核苷酸（氧化型） 黄素单核苷酸（还原型）
代谢总论专题知识讲座
14第14页
新陈代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量 交换过程。
生物体新 陈代谢
合成代谢（同化作用） 生物小分子合成为生物大分子 需要能量（来自分解代谢及光、热等）
物 质
代
生物大分子分解为生物小分子
谢
分解代谢（异化作用） 释放能量（用于合成代谢和生理及运
动需能）
代谢总论专题知识讲座
12第12页
一、分解代谢（异化）
★
有机营养物经过一系列反应步骤转变为较小、较简
单物质过程称为分解代谢（catabolism）。
有机营养物质经过分解代谢过程可大致划分为三个 阶段。
第一个阶段由营养物大分子分解为较小分子；
第二阶段是由各种小分子深入转变为少数几个共同 物质；
第三个阶段由柠檬酸循环和氧化磷酸化两个共同代 谢路径组成。这个阶段是形成ATP主要阶段。

新陈代谢引

新陈代谢引
D(-)-赤鲜糖
(erythrose)
D(+)-甘油醛
(allose)
D(-)-苏糖
(threose)
D(-)-核糖
(ribose)
D(-)-阿拉伯糖
(arabinose)
D(+)-木糖
(xylose)
D(-)-米苏糖
(lysose)
D(+)-阿洛糖 D(+)-阿桌糖 D(+)-葡萄糖 D(+)-甘露糖 D(+)-古洛糖 D(-)-艾杜糖 D(+)-半乳糖 D(+)-塔罗糖
-D-吡喃半乳糖
- L -吡喃半乳糖
-D-吡喃甘露糖
-D-呋喃果糖
-L-吡喃山梨糖
重要的单糖—庚糖和辛糖
D-景天庚酮糖 D-甘露庚酮糖
甘露糖 部分
甘油 部分
L -甘油- D-甘露庚糖
单糖磷酸酯
D-甘油醛-3-磷酸
-D-葡萄糖-1-磷酸
-D-葡萄糖-6-磷酸
-D-果糖-6-磷酸
3、代谢途径的调节控制 （1）、代谢途径的单向性
（2）、限速反应与调节
4、中间代谢
新陈代谢的研究方法 1、同位素示踪法 （1） 什么是同位素 （2） 放射性同位素的应用 （3）常用的放射性同位素
2、酶抑制剂、拮抗剂和中间代谢物的应用
糖类化学
一、糖的定义、分类与功能
• 定义：多羟基的醛或酮及其缩聚物和衍生物。已经 不不符符合合于这传一统 通对式糖，的而定符义合这C一n(通H2式O的)m不，是有糖些。糖并
细胞膜表面的糖链
蛋白聚糖
糖蛋白
细胞膜
糖脂
新陈代谢引论
一、新陈代谢的一般概念

代谢引论(上传)

代谢引论(上传)
四、自由能是生物化学中最有用的热力学 函数。
细胞最基本的新陈代谢途径：
第七章
代谢概述（代谢引论）

第八/九章
糖类代谢/生物氧化与氧化磷酸化
第十章
脂类代谢
第十一章
蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢
第十二章
核酸的酶促降解和核苷酸代谢
第十三/十四章 DNA/RNA的生物合成
第十五/十六章 蛋白质的生物合成/重组DNA技术
第一章 绪 论
第 二 章 蛋白质化学
第 三 章 核酸化学
第四/五章 酶学/维生素与辅酶
第 六 章 生物膜
第七章
代谢概述
第八/九章
糖类代谢/生物氧化与氧化磷酸化
第十章
脂类代谢
第十一章
蛋白质的酶促降解和氨基酸代谢
第十二章
核酸的酶促降解和核苷酸代谢
第十三/十四章 DNA/RNA的生物合成
第十五/十六章 蛋白质的生物合成/重组DNA技术
氧化磷酸化
含氮终产物 ADP ATP
CO2
代谢终产物
H2O
关键的中间代谢产物： ������ 6-磷酸葡萄糖 ������ 丙酮酸 ������ 乙酰-CoA
生命即为受集成和受 调控的各代谢途径的 网络系统。
所有的代谢反应以及酶的 催化作用都遵循基本的化 学和物理学的规则，并受 到严格的调控。
生物体系是一个开放体系
1、细胞如何从其环境中 摄取能量和自身构建所需 物质？ 异化(分解代谢)
2、细胞如何由相应的构 件单元合成其自身生物 大分子？ 同化(合成代谢)
分解代谢 是氧化过 程，产生 能量和代 谢产物。
合成代谢 是还原过 程，消耗 能量生成 自身所需 物质。
生物氧化与一般的体外 氧化的化学本质完全相 同，即它们的最终氧化 产物都是CO2和H2O， 所释放的能量也完全相 同，但二者的表现形式 和氧化条件不同！

第1章代谢总论(1)PPT课件

第1章代谢总论(1)PPT课件
• 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
-
2
• 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, 2002 • 2 郑集, 陈钧辉. 普通生物化学(第三版). 北京:高等教育出版社, 1998 • 3 周秀贞, 何立望, 黄如彬. 生物化学.贵阳:贵州科技出版社，1993
• 4 Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox. Principles of Biochemistry(Edition II). New York: Worth Publishers, 1993
• 5 Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes, et al. Harper’s Biochemistry(Twentyfifth Edition). McGraw-Hill Companies,Inc., 2000
• 6 Trudy McKee, James R. Mckee. BIOCHEMISTRY: AN INTRODUCTION (Second Edition). McGraw-Hill Companies,Inc., 2001
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)

代谢总论

代谢总论
磷酸化合物 磷氧型
磷氮型 高能化合物
硫酯键化合物 非磷酸化合物 甲硫键化合物
2.高能磷酸化合物
（1）ATP （2）磷酸肌酸、磷酸精氨酸
（1）ATP
ADP＋Pi
ATP
ATP、ADP和Pi在细胞内处于动态平衡状态，ATP、ADP循环
速率非常快。
瞬时自由能供体，不是能量存储形式。
13
ATP的特殊作用
ATP末端磷酸基团水解可以释放能量，通过酶和其它生
6
三、生物能及高能化合物
（一）生物能
概念：是一种能够被生物细胞直接利用的特殊能量形式。 化学本质：是存储于ATP分子焦磷酸键中的化学能。
（二）高能化合物
一般将水解时能够释放 20.9 kJ /mol（5千卡/mol)以上 自由能的化合物称为高能化合物。 高能键：在分子中用“~”表示
7
1. 常见的高能键及高能化合物
二、新陈代谢的特点与调节
4
1.新陈代谢的特点
步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序 性； 各代谢途径相互交接 ，形成物质与能量的网络 化交流系统。 精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和 能量。 各代谢途径之间存在许多重复出现的基元 在温和条件下进行(由酶催化)；
5
2. 新陈代谢的调节
分子水平（反应物、产物） 细胞水平（反应的定位,代谢途径分隔控制） 整体水平（激素和神经调节，合理分工安排） 基因表达的调控
14
“共同中间体作用”，传递能量
16
ATP的利用
17
(2)磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用
O HN～P－O-
O
HN～P－OOC＝NH NH (CH2)3 + HC－NH3 COO18
OC＝NH

第一章 代谢引论


脂肪酸、甘油 脂肪酸、
葡萄糖、 葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA 乙酰
+Pi
磷酸化 电子传递 氧化） （氧化）
e-
三羧酸 循环
三、新陈代谢的调节
代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。 代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。 单细胞生物 主要通过细胞内代谢物浓 度的变化， 度的变化，对酶的活性及 含量进行调节， 含量进行调节，这种调节 称为原始调节 原始调节或 称为原始调节或细胞水平 代谢调节。 代谢调节。
一、新陈代谢的概念
新陈代谢（ 新陈代谢 （ metabolism） 是生命最基本的特征之一 ， ） 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 泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换 物质交换 的过程。 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 通过一系列生物反应转变成自身组织成分， 作用（ assimilation） ； 另一方面 ， 将原有的组成成份经 作用 （ ） 另一方面， 过一系列的生化反应， 过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体 即所谓异化作用（ 外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不 断地进行自我更新。 断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、 特点 ： 特异 、 有序、 高度适应和灵敏调节、 代谢途 径逐步进行
五、利用遗传缺陷症研究代谢途径
e.g. 利用红色面包霉精氨酸合成缺陷型 研究精氨酸合成途径 A
E1 E2
B
C
E3
D
E4
Arg
精氨酸合成过程中的酶都可能发生突变而导致在不同步骤 上的酶缺失。对于这些突变性， 上的酶缺失。对于这些突变性，只有在培养基中添加有关 酶作用的产物， 合成才能正常进行， 酶作用的产物，Arg合成才能正常进行，维持正常生长。这 合成才能正常进行 维持正常生长。 类不同的缺陷型使得能一步步阐明精氨酸的生物合成。 类不同的缺陷型使得能一步步阐明精氨酸的生物合成。

第一章 代谢总论


2. 代谢研究的目的：
（1）了解每个中间代谢反应的过程：底物、中间物、 产物、酶促反应激励、能量消耗、生成的计算。 （2）了解每个代谢反应速度的调控及其机制，以及 代谢反应之间的关联和调节。
（3）了解代谢反应的生理功能。
3. 代谢研究方法分为体内（in vivo）试验和体外（in vitro）试验两大类。
（1）利用营养缺陷型突变菌株确定中间代谢步骤； （2）观察先天性代谢疾病患者的不正常代谢情况； （3）同位素示踪法 （4）抗代谢物、抑制剂应用 抗代谢物：与代谢物在化学结构上类似，在代谢 反应中与正常代谢物拮抗，减少正常代谢物参加反应 机会，从而影响正常代谢。 抑制剂：抑制或阻断某一代谢过程作用，使中间 物积累，测定反应中断后造成的后果，分析中间物， 进而了解代谢过程。
（三）新陈代谢的功能
1. 从周围环境中获得营养物质； 2. 将外界引入的营养物质转变为自身需要的 结构元件； 3. 将结构元件装配成自身的大分子；
4. 形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子；
5. 提供生命活动所需的一切能量。
Metabolism: The economy The unity The regulation
二、分解代谢和合成代谢 （一）分解代谢（catabolism）
也称异化作用，指细胞从环境中摄取的或者是它 本身的各种复杂的大分子降解为简单分子的过程，有 化学能的释放。简单的说是生物大分子分解为生物小 分子，并释放能量。如糖、脂肪、蛋白质降解为乳酸、 乙酸、氨、CO2、脲等的过程。
（二）合成代谢（anabolism）
匀浆：三羧酸循环、氧化磷酸化、生物氧化 （in vitro）
也称同化作用，指从简单的前体（生物小分子） 合成细胞的组成成分如核酸、糖类、脂类、蛋白质等 大分子的过程，需要吸收能量。

生物化学--代谢总论 ppt课件


异构化及重排
消除反应的机制
反应
消除反应伴随碳
-碳双键的生成，可
通过协同机制、碳正
离子机制或碳负离子
机制完成，形成顺式
或反式消除产物。
在生物化学中，
常见的异构化反应是
双键移位。如酮糖-
醛糖互变。
重排反应伴随碳
-碳键的断裂和重生
成，使碳骨架发生变
化。
ppt课件
13
消除反应的立体化学
2.异构化反应
1
1
2
基团发生反应。
若有氢负离子的受体存在，C-H键
断裂时电子有可能留在氢原子一侧形成
碳正离子和氢负离子，缺电子的亲电基
团容易与富电子的碳负离子(为亲核基
团)发生反应。
ppt课件
9
（一）基团转移反应(group— transferreaction)
在生物化学反应中，通常为亲电基团 从一个亲核体转移到另一个亲核体常见的 转移基团有酰基、磷酰基和葡萄糖基等。
1点1线或1点2线:410个；
1点3线:71个；1点4线:20个；
1点5线:11个；1点6线或6线
以上:8个；1点1线在1个途径
的末端；1点2线在1个途径的
中间；1点3线参与2个途径；
其余类推。
ppt课件
3
（四）分解代 谢的三个阶段
（三）代谢途径的类
型：
（a）多种游离酶构成的
代谢途径；
（b）多酶复合体构成的
第19章
代
谢
总
论
ppt课件
1
一、新陈代谢的一般规律
(一）基本概念 新陈代谢是体内化学反应的总称，体内的化学反应通常由
酶催化，一系列的连续反应构成代谢途径，代谢途径的个别步
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THANKS
第一章代谢引论
精品
第一章 代谢引论
主要内容：介绍新陈代谢的概念 和研究方法。
第一节 新陈代谢通论
一、新陈代谢概念 二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位 三、新陈代谢的调节
一、新陈代谢的概念
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。
特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途 径逐步进行
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
新
能
物信
陈
量
质息
代
代
代交
谢
谢
谢换
释放能量
分解代谢（异化作用）
大分子 小分子
新陈代谢的特点
1、整体性(integration)
脂类 糖类
蛋白质
水 无机盐
维生素
消化吸收 中间代谢 废物排泄
• 整体水平代谢调节
在中枢神经系统的控制下，或通过神经纤维及神经 递质对靶细胞直接发生影响，或通过某些激素的分泌来 调节某些细胞的代谢及功能，并通过各种激素的互相协 调而对机体代谢进行综合调节。
第二节 新陈代谢研究方法
一、同位素示踪法 二、酶抑制剂的应用 三、气体测量法 四、核磁共振波谱法 五、利用遗传缺陷症研究代谢途径
例如：
消化吸收的糖 血
各
肝糖原分解
糖
种 组
异生的糖
织
5、动态平衡
生物体虽然从表面上看，保持着恒定状态，但 实际上并不是恒定不变的。生物有机体不断的
进行新陈代谢，体内各种物质不断更新。 1952年 “动态生物化学”
6、ATP是机体能量利用的共同形式
营养物 分解
释放 能量
ADP+Pi
直
接
供
能
ATP
Universal currency of free energy
抑制
碘乙酸
三、气体测量法
瓦氏呼吸器
工业生产应用： 谷氨酸 谷氨酸脱羧酶γ-氨基丁酸 + CO2
通过测量CO2的量来监测谷氨酸的含量。
四、核磁共振波谱法（NMR） 核磁共振实验示意图
核磁共振波谱法（NMR）
表明人体代谢随机体的活动发生动态变化，也表明 肌肉运动时ATP的恒定水平是磷酸肌酸维持的。
三、新陈代谢的调节
代谢调节普遍存在于生物界，是生物的重要特征。
单细胞生物 主要通过细胞内代谢物浓 度的变化，对酶的活性及 含量进行调节，这种调节 称为原始调节或细胞水平 代谢调节。
高等生物 —— 三级水平代谢调节
• 细胞水平代谢调节（主要是酶水平的调节） • 激素水平代谢调节
高等生物在进化过程中，出现了专司调节功能的内 分泌细胞及内分泌器官，其分泌的激素可对其他细胞发 挥代谢调节作用。
二、
生
光
物 界
合
作
ADP
用
能
量
(CO2)
传
呼
+H2O
递
吸 作
及
用
转
ADP
化
生
总
命
过
现
程
象
太阳
（光 能）
自
电子传递
（电 能）
养
ATP
细
（化 学 能）
胞
合成 分解
(CH2O) +O2
（化 学 能）
电子传递
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ（电 能）
异
ATP
养
（化 学 能）
细
生物合成
机械功
胞
主动运输
生物发光
生物发电
生物发热
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
e-
三羧酸 循环
生物体内能量 产生的三个阶段
大分子降解 成基本结构 单位
小分子化合物 分解成共同的 中间产物（如 丙酮酸、乙酰
CoA等）
共同中间物进 入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由 电子传递链传递 生成H2O，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
一、同位素示踪法
例如：1945年，用14C和15N标记乙酸和甘氨酸证 明血红素的全部C和N都来源于甘氨酸和乙酸。
二、酶抑制剂的应用
ATP Mg2+
葡萄糖
己糖激酶
ADP
6-磷酸葡萄糖 己糖异构酶
6-磷酸果糖
ATP
ADP
Mg2+
1,6-二磷酸果糖
6-磷酸果糖激酶-1
醛缩酶
磷酸二羟丙酮 +
3-磷酸甘油醛
—— 各种物质代谢之间互有联系，相互依存
2、代谢的可调节性
内外环境不 断变化
影响机体代谢
适应环境 的变化
机体有精细的调节机制， 调节代谢的强度、方向 和速度
3、各组织、器官物质代谢各 具特色
结构不同
不同的组织、 器官
所含有酶系的 种类不同、含 量不同
代谢途径不 同、功能各 异
4、各种代谢物均具有各自 共同的代谢池