《细胞代谢基础》PPT课件.ppt

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1、Dr DavidG S YANG 细胞代谢途径 Dr DavidG S YANG 生物生命活动的中心问题是新陈代谢 新陈代谢是所有有生命的生物的基本规律 生命的代谢活动是通过活细胞和细胞群的代谢网络进行的 而这代谢活动是由一系列酶催化的级联化学反应以及特异性的膜转移系统构成的 生物合成药物学就是研究利用有生理活性的代谢产物来治疗疾病和应用生物大写来合成药物或者药物中间体 分离代谢过程中酶和抑制该酶的活性物质以及研究该酶合成基因和抑制该酶活性物质的合成基因来调控新陈代谢的健康运转达到治疗目的 Dr DavidG S YANG Dr DavidG S YANG 根据参与细胞内生化代谢系统的反应特点

2、 可将生物体内名目繁多的各类反应过程分成下列四大类 装配反应 AssemblyReaction 聚合反应 PolymerizationReaction 生物合成反应 BiosynthesisReaction 产能反应 FuelingReaction Dr DavidG S YANG 代谢是细胞内生化反应的总汇 包括各种各样的分子转换 大多数的反应可归并到代谢途径中 代谢途径的化学反应按一定的顺序发生 每个反应都受到某种特定的酶的催化 上一个反应的产物将成为下一个反应的底物 在代谢途径中出现的酶常定位于细胞的特定区域 细胞的代谢途径可在不同的点上发生交汇 使一条代谢途径产生的化合物能够按照细胞在

3、某个时刻的需要进入到不同的代谢途径中 Dr DavidG S YANG Dr DavidG S YANG 初级代谢与次级代谢 初级代谢 primarymetabolism 次级代谢 secondarymetabolism 生物体特性虽然存在着巨大的差异 但除较少的改变外 它们修饰和合成糖类 蛋白质 脂类以及核酸物质的途径基本相同 因为多糖 蛋白 脂肪和核酸等是生命物质的基础材料 是生命体自身生长和繁殖所必须的物质 是基础代谢的产物 基础代谢的过程阐明了所有生物的最基本得共性过程 Dr DavidG S YANG 初级代谢 中间代谢和次级代谢关系 Dr DavidG S YANG 区别 1 次级

4、代谢只存在于某些生物当中 而且代谢途径和代谢产物因生物不同而异 就是同种生物也会因营养和环境条件等不同而产生不同的次级代谢产物 但是初级代谢却不同 它是一类普遍存在于各类生物中的基本代谢类型 代谢途径与产物基本类同 2 次级代谢产物对于机体生存不是必需的物质 即使在次级代谢过程的某个环节上发生障碍 不会导致机体生长的停止和死亡 一般只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力 而初级代谢产物如单糖或单糖衍生物 核苷酸 脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物如核酸 蛋白质 多糖 脂类等通常都是机体生存必不可少的物质 只要这些物质合成过程的某个环节上发生障碍 轻则表现为生长缓慢 重则导致生长停止

5、机体发生突变甚至死亡等 Dr DavidG S YANG 3 初级代谢则自始至终存在于一切生活的机体之中 它同机体的生长过程基本呈平行关系 次级代谢通常是生长期末期或稳定期才出现 它与机体的生长不呈现平行关系 而是明显地分为机体的生长期和次级代谢产物形成期两个不同时期 4 次级代谢产物虽然也是从少数几种初级代谢过程中产生的中间体或代谢产物衍生而来 但它的骨架碳原子的数量与排列上的微小变化 或氧 氮 氯 硫等元素的加入 或在产物氧化水平上的微小变化都可以导致产生的次级代谢产物各种各样 并且每种类型的次级代谢产物往往是一群化学结构非常相似而成分不同的混合物 这些次级代谢产物通常被机体分泌到胞外 它

6、们虽然不是机体生长与繁殖所必需的物质 但它们与机体的分化有一定的关系 并在同其他生物的生存竞争中起着重要作用 而且它们中有许多对人类健康和国民经济的发展具有重大影响 而初级代谢产物的性质与类型在各类生物里相同或基本相同 Dr DavidG S YANG 5 机体内两种代谢类型对环境条件变化的敏感性或遗传稳定性上明显不同 次级代谢对环境条件变化很敏感 其产物的合成往往会因环境条件变化而受到明显影响 而初级代谢对环境条件变化的相对敏感性小 相对较为稳定 6 催化次级代谢产物合成的某些酶专一性较弱 因此在某种次级代谢产物合成的培养基里加进不同的前体物时 往往可以导致机体合成不同种类的次级代谢产物 这

7、或许是某些次级代谢产物为什么是由许多混合物组成的原因之一 Dr DavidG S YANG 初级代谢途径 分解代谢 糖代谢途径 1 恩伯顿 迈耶霍夫 伯纳斯途径 Embden Meyerhof Parnospathway EMP EMP途径的几个特点 通过EMP途径1mol葡萄糖产生2molATP EMP途径不产生芳香族氨基酸 DNA和RNA的前提物 EMP途径在哺乳动物肌肉里最终的产物为乳酸 但在大多数微生物来说最终的产物是丙酮酸 过程基本在细胞质中完成 是机体在缺氧或无氧状态获得能量的有效措施 是某些组织细胞获得能量的方式 在有氧条件下 EMP途径与TCA循环 三羧酸循环 连接 并通过后者

8、把丙酮酸彻底氧化成二氧化碳和水 Dr DavidG S YANG Dr DavidG S YANG 2 磷酸戊糖途径 pentosephosphatepathway PP Dr DavidG S YANG 3 恩特纳 道格洛夫途径 Entner Dondroffpathway ED Dr DavidG S YANG 4 磷酸解酮酶途径 Phosphoketolasepathway PK Dr DavidG S YANG 脂肪酸代谢途径 1 氧化 Dr DavidG S YANG 2 氧化 发生在某些因 碳被封闭 如连有甲基 而无法进行 氧化的脂肪酸中 氧化过程是首先使 碳原子氧化成羟基 再氧化

9、成酮基 最后脱酸成为少一个碳的脂肪酸 在这个氧化系统中 仅以游离脂肪酸能作为底物 而且直接涉及到分子氧 产物既可以是D 羟基脂肪酸 也可以是含少一个碳原子的脂肪酸 氧化作用对于生物体内奇数碳脂肪酸的形成 含甲基的支链脂肪酸的降解 过长的脂肪酸 如C22 C24 的降解起着重要的作用 Dr DavidG S YANG 2 氧化 生物体内一些中长链 如癸酸 十二碳酸等 以及少量长链脂肪酸 能首先从烃基末端碳原子即 碳子上被氧化生成 二羧酸 称为 氧化 氧化涉及末端甲基的羟基化 形成一级醇 并继而氧化成醛 再转化成羧酸等步骤 生成的二羧酸再从两端进行 氧化 Dr DavidG S YANG 在发现这

10、一反应的初期 并未重视 目前 氧化酶系无论从理论上或实际上已日益受到重视 其原因是可利用它来清除海水表面的大量石油 反应过程是经浮油细菌的 氧化 把烃转变为脂肪酸 然后再进行脂肪酸两端的 氧化降解 现已从油浸土壤中分离出许多细菌 它们具有 氧化酶系统 可用来清除海水表面的大量浮油 Dr DavidG S YANG 无定向代谢途径 介于分解代谢和合成代谢这两类代谢之间尚存在一种具有分解和合成二者功能的代谢途径 例如极为重要的TCA循环 它不仅氧化丙酮酸和乙酰辅酶A成二氧化碳来供能 并且在循环过程产生琥珀酰辅酶A 草酸乙酸酯和酮戊二酸盐等中间体供合成氨基酸类 卟啉类以及其他生长需要化合物的起始原料

11、 这种居于二者之间代谢称谓无定向代谢途径 amphibolicpathway Dr DavidG S YANG TCA循环 Dr DavidG S YANG 分解代谢途径产生的化合物进入TCA循环 Dr DavidG S YANG 乙醛酸循环 Glyoxylatecycle 只存在于植物和微生物中 乙醛酸循环的主要内容是通过乙醛酸途径使乙酰 CoA转变为草酰乙酸 从而进入三羧酸循环 TCA 乙醛酸循环和三羧酸循环中存在着某些相同的酶类和中间产物 可以认为与TCA循环交错进行 是对TCA循环的协助 可以弥补TCA循环中由于四碳化合物不足而造成二碳化合物不能被充分氧化的不足 但是 它们是两条不同的

12、代谢途径 乙醛酸循环是在乙醛酸体中进行的 是与脂肪转化为糖密切相关的反应过程 Dr DavidG S YANG 乙醛酸循环简图 乙醛酸循环及其与TCA关联 Dr DavidG S YANG 丝氨酸途径 Serinepathway 丝氨酸途径包括一组完全相异的循环反应 丝氨酸途径是将甲醛的碳分子转移到四氢叶酸上形成亚甲基四氢叶酸 然后与甘氨酸结合形成丝氨酸 Dr DavidG S YANG 合成代谢 脂肪酸的生物合成 Dr DavidG S YANG 饱和脂肪酸的合成 1 乙酰辅酶A的转运 脂肪酸的合成是在胞液中 而乙酰CoA是在线粒体内 它们不能穿过线粒体内膜 需通过转运机制进入胞液 三羧酸循

13、环中的柠檬酸可穿过线粒体膜进入胞液 然后在柠檬酸裂解酶的作用下放出乙酰CoA进入脂肪酸合成途径 2 丙二酸单酰CoA的合成 脂肪酸的合成是二碳单位的延长过程 它的来源不是乙酰CoA 而是乙酰CoA的羧化产物丙二酸单酰CoA 这是脂肪酸合成的限速步骤 3 乙酰ACP和丙二酸单酰 ACP的合成 乙酰CoA和丙二酸单酰CoA首先与ACP 酰基载体蛋白 活性基团上的巯基共价连接形成乙酰ACP和丙二酸单酰 ACP 4 合成步骤 每延长2个C原子 需经缩合 还原 脱水 还原四步反应 5 脂肪酸的延长 在真核生物中 酮脂酰 ACP缩合酶对链长又专一性 它就收14碳酰基的活力最强 所以大多数情况下仅限于合成软

14、脂酸 Dr DavidG S YANG 不饱和脂肪酸的合成 它的合成是在去饱和酶系的作用下 在以合成的饱和脂肪酸中引入双键的过程 这是在内质网膜上进行的氧化反应 需要NADH和分子氧的参加 软脂酸和硬脂酸是动物组织中两种最常见的饱和脂肪酸 是棕榈油酸和油酸的前体 是在C 9和C 10间引入順式双键形成的 总之 酶系和能量起了很重要的作用 在第四步合成时 乙酰 ACP与丙二酸单酰 ACP先发生缩合反应 这时丙二酸单酰 ACP的 COOH去掉的 缩合后形成乙酰乙酰 ACP 在被还原和脱水 形成丁烯酰 ACP 最后再被还原为丁酰 ACP 完成第一次循环 第二次循环是丁酰 ACP与丙二酸单酰 ACP进

15、行缩合 以此类推 Dr DavidG S YANG 氨基酸的生物合成 Dr DavidG S YANG 由氨化导入氨基基团的几种氨基酸 上述的主要叙述的是氨基酸的碳骨架的来源 氨基的来源源于无机氮 即从无机氮变为有机氮 然后氨化或氨基转移导入分子中 一般生物体利用3种反应 形成氨甲酰磷酸 形成谷氨酸 形成谷氨酰胺 把氨转化为有机物 有利于氨基酸的生物合成 Dr DavidG S YANG Dr DavidG S YANG 通过氨基转换将氨基导入氨基酸一般是由谷氨酸或谷氨酰胺作为氨基供体 将氨基转移到 酮酸上 形成氨基酸 Dr DavidG S YANG 组氨酸的生物合成途径 Dr DavidG

16、 S YANG 甘氨酸 丝氨酸和半胱氨酸的生物合成途径 Dr DavidG S YANG 谷氨酸 鸟氨酸 精氨酸等氨酸的生物合成途径 Dr DavidG S YANG 天冬氨酸 异亮氨酸 赖氨酸等氨酸的生物合成途径 Dr DavidG S YANG 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸等氨酸的生物合成途径 Dr DavidG S YANG 芳香族氨基酸的生物合成途径 Dr DavidG S YANG 核苷酸的生物合成途径 核苷酸的生物合成途径有利用葡萄糖等碳源和氮源 以5 磷酸核糖为出发物质的全合成途径 也称从头合成途径 还有补救合成途径是直接利用核苷酸降解生成的完整的嘌呤和米丁碱基重新形成核苷酸的过程 在发酵生产中 补救合成途径同样具有重要的功能 研究表明 在生物体中 嘌呤碱和嘧啶碱的合成不是先合成游离的嘌呤碱或嘧啶碱 而是与核苷酸同时合成的 各种嘌呤类核苷酸的前体是次黄嘌呤核苷酸 IMP 或简称肌苷酸 而各种嘧啶核苷酸则是从尿嘧啶核苷酸 UMP 衍生出来的 IMP是由次黄嘌呤碱基和核糖 5 磷酸组成的 UMP是由尿嘧啶碱基和核糖 5 磷酸组成的 所以IMP和UMP的从头合成实际上是次黄嘌呤碱基和