《生物化学》-第1部分幻灯片

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1、生 物 化 学,第一章 新陈代谢总论一、新陈代谢的概念 （一）新陈代谢的概念 新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。 新陈代谢（metabolisim）的概念： 1、狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢（intermediary metabolisim）。 （这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容）。,2、广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。,新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一方面，生物体不断从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成部分；另

2、一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解成不能在利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。生物体通过新陈代谢所产生的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既相互联系、相互依存，又相互制约。,（二）新陈代谢的内容 1、包括：物质代谢和能量代谢。 （1）物质代谢：重点讨论各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包含旧分子的分解和新分子的合成； （2）能量代谢：重点讨论光能或化学能在细胞内向生物能（ATP）转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。 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，

3、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。但有许多代谢有共同途径，称为“两用代谢途径”（amphibolic pathway）。,二、新陈代谢的研究方法中间代谢的研究内容很多，研究目的不同，所用的生物材料和实验方法也不相同。为探讨代谢途径及其调节机理，动物、植物、微生物材料都可以作为实验对象。根据实验材料的水平，常将实验分为活体内实验和活体外实验。 （一）活体内实验和活体外实

4、验 1、活体内实验（整体实验） 用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验，用“in vivo”表示。,活体内实验结果代表生物体在正常生理条件下，在神经、体液等调节机制下的整体代谢情况，比较接近生物体的实际。 典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。 2、活体外实验用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物进行中间代谢实验研究称为活体外实验，用“in vitro”表示。 典型例子：糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等。,（二）代谢途径的探讨方法探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、

5、代谢物质标记追踪实验、特征性酶鉴定实验、核磁共振波实验等。其中最有效的是代谢物质标记追踪实验和核磁共振实验。 1、代谢平衡实验通过活体内实验研究代谢物摄入和产出排出的平衡关系，可以了解对代谢物的利用能力及产物生成情况。 例如测定“呼吸商”（R.Q.）可以判断体内能量利用情况。 R.Q.=产CO2量（升）/耗O2量（升）,糖类物质R.Q为1，脂肪R.Q为0.7，蛋白质R.Q为0.8。人体正常代谢时，R.Q介于0.85-0.95之间，说明三大营养物质同时发生了氧化分解。 饥饿状态下：R.Q？ 糖尿病人：R.Q？ 问题：若测得生物材料的R.Q接近1，则表明能量主要来自于何类物质分解？,2、代谢障碍实

6、验（代谢途径阻断实验） 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析研究；若用适当方法造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于进行分析研究。 阻断代谢途径的方法有：造成微生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专一性抑制剂等。 （1）微生物营养缺陷性（微生物基因突变型） 采取诱变剂使微生物的基因发生突变，从而造成某种酶缺损，代谢途径中断，缺损酶前面的中间产物会大量积累，致使血液中或尿液中该种物质含量增高。,应用实例：乳糖的代谢机理。 利用微生物的遗传突变型研究新陈代谢机制，比利用其他生物有以下优越性： 容易突变；经济；简便等。,（2）使用抗代谢物 抗代谢物，又叫代谢拮抗物，

7、或代谢物结构类似物。其分子结构与代谢物的分子结构类似。 实质：竞争性抑制剂。 例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞争性抑制作用，造成代谢中间产物“琥珀酸”积累，从而证明了TCA循环中有生成琥珀酸这一反应步骤。,（3）酶的专一性抑制剂 例子：碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。由此证明了酵解途径中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。 （4）利用药物造成异常动物实验（病变动物法） 用人工方法使动物发生某一过程的代谢障碍，然后给以一定量受试物质，研究其中间代谢过程。,例子1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某种维生素的饲

8、料，若干天后观察其病变情况，在加入该种维生素，观察其症状有否好转，从而确定该种维生素的功能。 例子2： “人工糖尿病”。 例子3：生糖氨基酸；生酮氨基酸,3、代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。 这是探索代谢途径最有效的方法。 标记方法有：化学标记法、同位素标记法。 （1）化学标记法 1904年，德国F.Knoop首次用苯环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提出著名的脂肪酸-氧化学说。 缺点：化学标记法使天然代谢物分子结构和理化性质发生了改变，这可能给正常代谢途径造成某些影响。,（2）同位素

9、标记法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。 同位素种类：稳定同位素和放射性同位素。 二者区别：是否衰变、是否有射线。 常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。 用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪（mass spectrometer）定量测定，也可用超离心法分离鉴定。 根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。,仪器：盖格计数器（Geiger counter）、闪烁计数器。 例如：射线可用计数器测定；射线可用液体闪烁计数器测定

10、。 也可采用：放射自显影法（autoradiography）感光底片感光显示标记物在细胞中的位置。 优点：1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，测定方法简便。,2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方便、灵敏，应用更普遍。 缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，所以需要在专门的同位素实验时进行。,4、测定特征性酶 每条代谢途径都有其特征性酶，它的存在就表明该代谢途径存在。 例如：糖代谢途径中的特征酶： EMP途径：醛缩酶 HMP途径：6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 TCA途径：柠檬酸合成酶 只要证明菌体中有某条代谢途径的特征性酶存在，就可断定存在这条代谢途径。,5、核磁

11、共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy，简称NMR） 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。,三、能量代谢与ATP 能量代谢是新陈代谢中一个重要的组成部分。在能量代谢中起重要作用的有ATP。 （一） 高能键及高能化合物 1、高能键（high-energy bond） 高能键是1941年普曼（Fritz Lipman）提出的一个概念，用

12、“”表示，是指其结构不稳定，性质活泼，自发水解或基团转移的趋势很强，当其发生水解或基团转移反应时，释放的自由能很多。 高能键中的“高能”是指其自由能高，并非键能高。 细胞中重要的高能键：高能磷酸键和高能硫脂键。,“高能键”与“键能”（energy bond）区别： 化学中的“键能”是指断裂一个化学键所需要的能量；“高能键”是指水解或转移该键所释放的能量。 2、高能化合物概念及种类 概念：分子结构中含有高能键的化合物称为高能化合物。,表1-1 高能键及高能化合物,3、ATP的结构及意义 ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一种很重要的高能磷酸化合物。

13、生物体每天要消耗大量ATP， 安静状态的成年人：每天消耗40kgATP； 激烈运动时：每分钟就消耗0.5kg。 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-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。 ATP+H2OADP+Pi （标准自由能变化G0= -30.514kJ/mol）,b、在某些情况下，ATP的和磷酸基团之间的高能键被水解（即同时水解和-磷酸基

14、团），形成AMP和焦磷酸。ATP+H2OAMP+PPi （G0= -32.19kJ/mol）,（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应 生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要先将反应底物分子活化，其中，磷酸化是一种普遍活化方式。ATP具有很活泼的磷酸基团，可作为磷酸基的供体参与细胞中的磷酸化反应，此类反应由激酶催化。 如：反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进一步参加反应。 （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”的作用，故称“磷酸基团传递者”。,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

15、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。,其中，磷酸烯醇式丙酮酸和1，3-二磷酸甘油酸叫做“超高能化合物”（superhigh-energy compound），它们水解所释放的自由能比ATP高；同理，6-磷酸葡萄糖和3-磷酸甘油叫做“低能磷酸化合物”。 4、其他供能核苷酸 GTP、UTP、CTP。 其中，GTP对G蛋白的活化、蛋白质生物合成、蛋白质的

16、寻靶、蛋白质的转运等作为推动力提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺以及合成纤维素中起推动作用等。,5、ATP系统的动态平衡 ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用处于动态平衡中。 一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利用，故严格说来ATP不是能量的贮存形式，而是传递能量的物质。 细胞能量状态的表示方法：能荷（energy charge）、磷酸化势能（phosphorylation potential）。,四、新陈代谢的调节 生物体新陈代谢虽然错综复杂，但互相配合有条不紊。这是因为生物体在长期进化、演变过程中形成了一个严格的调节机制，以保证新陈代谢的正常、有序、完整和统一。 进化越高的生物，其代谢调控机制越复杂。 主要分为两个方面：,1、 整体水平调节 主要指激素和神经调节。 高等真核生物有内分泌腺，它所分泌的激素通过体液输送到一定组织，作用于靶细胞，改变酶活性，调节代谢反应方向和速度。 高等生物还有复杂的神经系统，在中枢神经系统的直接或间接控制下，通过神经递质对效应器发生直接影响或通过激素对机体进行综合调节。,