1、第四章 新陈代谢,第二节 能量与代谢生物体的能量生命活动需要能量代谢是化学物质和能量的转化过程热力学定律第一定律:能量守恒定律第二定律:不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他变化 放能反应和吸能反应,能 量 循 环,生 物 能 学,生物能学是研究生物整个机体与环境互作中的能量交换与利用的规律。变温动物（两栖类与爬行动物）其体温随环境温度的变化而变化, 环境温度每上升10OC, 反应速率增加一倍。恒温动物（鸟类和哺乳动物), 依赖体内代谢产生的热量维持体温, 使其可选择更广阔的生活环境。代谢速率与个体大小成反比。,热力学与生命系统,热力学第二定律在一个封闭的体系内, 无序性趋向于增加,
2、即熵值增大。生物体是一个开放系统, 与外界环境不 断发生能量和物质的交流. 生物体通过 不断摄入新的能量来构建自身的有序结构, 抑制无序性的增加。 就整个系统而言, 能量的消耗仍伴随着无序的增加, 并不违背热力学第二定律。,能量来源？如何产生？如何利用？ 光合作用光、叶绿体 细胞呼吸线粒体 能量流通“货币” ATP 生命催化剂酶,ATP是三磷酸腺苷的英文缩写符号，它是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物。高能磷酸化合物是指水解时释放的能量在20.92 kJ/mol(千焦每摩尔)以上的磷酸化合物,能量流通的货币ATP,ATP的特殊作用,机械能-运动,化学能-合成,渗透能-分泌吸收,电能-生物
3、电,热能-体温,光能-生物发光,ATP是生物系统能量交换的中心,生命催化剂酶,夏禹时代：酿酒 周 朝：制麦芽糖、造酱、醋 春秋时代：曲酶治腹泻 日常生活：佳美洗衣粉“加酶”嫩肉粉；草牛奶；FE?,1752年：法物理学家雷奥米尔，鹰、小金属管，淡黄色液体；1777年：苏格兰医生斯蒂文斯，分离胃液，体外可分解食物；1834年：施旺，胃液加HgCl2，得白粉末-“胃蛋白酶”；法化学家：麦芽提取物，淀粉 糖，“淀粉糖化酵素”；1878年：德生理学家屈内，建议无生命的酵素为“酶”。1897年：德化学家布赫纳用沙磨碎酵母细胞，液体有发酵作用。酵素=酶，获1907年诺贝尔化学奖。,一、酶的发现,(Eduar
4、d Buchner) 1860-1917 德国化学家,1893年首创酵母无细胞体系，并因此获1907年诺贝尔化学奖,二、酶的本质与特性,1926年：脲酶提纯结晶，化学本质是蛋白质。 胞内酶溶解于细胞中，镶嵌在膜中，或胞内特定位置的酶； 胞外酶胞内合成，分泌至胞外。如消化酶等； 酶原无活性（在特定条件下被激活，可调节 代谢、保护自体）,单纯蛋白酶（简单酶）仅由蛋白质成分即可催化反应的酶 结合蛋白酶必需与其它成分结合才能执行催化反应。,结合蛋白酶,（全酶）, 酶蛋白 + 辅助因子,决定催化反应的类型（递电子、氢或一些基团）,决定催化 反应的特异性 （选择E催化的S）,辅基与辅酶：,与酶蛋白共价结合
5、，牢而不易分离（辅基）,与酶蛋白非共价结合，疏松而易分离（辅酶）,（B族Vit）,活性中心：,存在于酶分子表面的局部空间区域（构象）,由必需基团所组成,结合底物并催化底物进行反应,必需基团：与酶活性中心有关的功能基团,活性中心内（活性中心的组份）,活性中心外：维持构象稳定,同工酶 催化功能相同，但酶蛋白的组成与结构等均不同 的一组酶,LDH：由2种亚基组成的四聚体，共有5种分型,LDH同工酶在诊断中的意义：,H型亚基,M型亚基,LDH1,LDH2,LDH3,LDH4,LDH5,1.催化效率很高107-13 2.酶催化的专一性对催化的反应物是专一的对催化的反应是专一的 3.作用条件是温和的（高温
6、等失活稳定性差） 4.酶的作用是受调节控制的。酶浓度的调节，激素调节，酶原的激活。,酶的特性,酶的催化机制：降低活化能,能障P97,化学反应启动的能量障碍在新的化学键形成之前，存在着必须首先断开的键，此即能障。用于克服能障、启动反应进行所需要的能量即活化能。,“邻近”和“定向” 使底物靠拢,底物变形使底物分子 产生应力,共价催化使底物分子 电荷变化,酶作用专一性的机制：锁钥学说； 诱导锲合学说。 影响酶活性的因素：pH，温度，酶浓度，底物浓度，激活剂，抑制剂等,1982：美国科罗拉多大学 的凯斯（Thomas R.Cech） 发现四膜虫的rRNA前体能自 我剪切，催化本身成为成熟 的rRNA.
7、,三、核酶（ribozyme),Thomas R.Cech （1947）,1978：美耶鲁大学的奥特曼 （Sidney Altman) 研究RNaseP， 发现： RNA：有催化活性(使tRNA前体成熟），切割位点高度特异性 蛋白质：无催化活性,Sidney Altman （1939）,核酶发现的意义： 1. 突破了传统意义上酶的概念 2. 揭示了内含子自我剪接的奥秘，促进了RNA的研究 3. 为生命的起源和分子进化提供了新的依据。1989年Altman和Cech获诺贝尔化学奖 目前主要有四种核酶能用于反式切割靶RNA：四膜虫自身剪接内含子、大肠杆菌RNase P、锤头状核酶和发夹状核酶。 应
8、用： 人工ribozyme：切割特定的基因转录产物RNA，可用于治疗病毒性疾病和肿瘤,四、抗体酶催化性抗体1946年，鲍林(Pauling)用过渡态理论阐明了酶催化的实质，即酶之所以具有催化活力是因为它能特异性结合并稳定化学反应的过渡态(底物激态)，从而降低反应能级。 1969年杰奈克斯(Jencks)在过渡态理论的基础上猜想：若抗体能结合反应的过渡态，理论上它则能够获得催化性质。,1984年列那(Lerner)进一步推测：以过渡态类似物作为半抗原，则其诱发出的抗体即与该类似物有着互补的构象，这种抗体与底物结合后，即可诱导底物进入过渡态构象，从而引起催化作用。根据这个猜想列那和苏尔滋(PCSc
9、hultz)两个研究小组独立地证明了：针对羧酸酯水解的过渡态类似物产生的抗体，能催化相应的羧酸酯和碳酸酯的水解反应。1986年Science杂志同时发表了他们的发现，并将这类具催化能力的免疫球蛋白称为抗体酶或催化抗体。,抗体酶具有典型的酶反应特性；与配体(底物)结合的专一性，包括立体专一性，专一性可以达到甚至超过天然酶的专一性；具有高效催化性，比非催化反应快104108倍，有的已接近于天然酶促反应速度；抗体酶还具有与天然酶相近的米氏方程动力学及pH依赖性等。抗体酶可催化多种化学反应，包括酯水解、酰胺水解、酰基转移、光诱导反应、氧化还原反应、金属螯合反应等。其中有的反应过去根本不存在一种生物催化
10、剂能催化它们进行，甚至可以使热力学上无法进行的反应得以进行。,抗体酶的研究，为人们提供了一条合理途径去设计适合于市场需要的蛋白质，即人为地设计制作酶。它是酶工程的一个全新领域。利用动物免疫系统产生抗体的高度专一性，可以得到一系列高度专一性的抗体酶。随之出现大量针对性强、药效高的药物。,立体专一性抗体酶的研究，使生产高纯度立体专一性的药物成为现实。以某个生化反应的过渡态类似物来诱导免疫反应，产生特定抗体酶，以治疗某种酶先天性缺陷的遗传病。抗体酶可有选择地使病毒外壳蛋白的肽键裂解，从而防止病毒与靶细胞结合。抗体酶的固定化已获得成功，将大大地推进工业化进程。,代 谢,生物体内全部化学物质的转化和能量
11、的 转化过程称为代谢. 化学物质转化: 合成或分解 能量转化: 释放或摄入,生物代谢的特点,同化作用消耗能量将小分子合成大分子的过程 异化作用将复杂的化合物分解为简单的小分子 并释放能量的过程 生物代谢具有区域性,有序性,可控性,酶促反应, 动态平衡,代谢路线交叉等特点,生物代谢的特点区域性,组织水平: 肝,肠,肺,脑,叶,根,胚乳等不同组织只 发生与特定功能相对应的代谢. 细胞水平: 血细胞,白细胞,神经细胞,肌肉细胞,生殖细胞,表皮细胞的代谢不同. 亚细胞水平: 线粒体,溶酶体,内质网,细胞核,核仁, 过氧化物体等执行不同任务.,生物代谢的特点可控性,代谢调节: 正反馈,负反馈 信号调节:
12、 激素,环境压力 发育阶段: 营养生长,生殖生长,衰老,细胞呼吸 光合作用 糖类代谢 脂质代谢 核酸代谢 蛋白质代谢 代谢调控 代谢疾病,第三节 细胞呼吸生物能量转换与释放,细胞呼吸生物大分子的氧化,也称为生物氧化或组织呼吸，与木材燃烧的异同：缓 慢水环境 酶催化分步进行,能量贮存在ATP中。,木柴的燃烧是纤维素氧化,（C6H12O6）n,纤维素,+,O2,氧,n CO2,+,nH2O,+,能量,光和热,温度,生物体也进行类似的反应,（C6H12O6）n,+,氧,O2,n CO2,+,nH2O,+,能量,淀粉/糖原,酶,（氧化底物）,ATP,（可燃物）,细胞呼吸的三个阶段,糖酵解 三羧酸循环
13、电子传递链,糖酵解途径,EMP（糖酵解）途径,葡萄糖,ATP,ADP,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,ATP,ADP,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,磷酸二羟基丙酮,ADP,ATP,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,烯醇式丙酮酸,ADP,ATP,丙酮酸,糖酵解能量收入,糖酵解的特点,在细胞质中进行,不需氧,12个步骤,由11种特异的酶催化；六碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸,净得两个ATP，同时还产生NADH。丙酮酸进入线粒体，经过氧化脱羧反应，生成乙酰辅酶A，供给三羧酸循环用。糖酵解途径可以在无氧情况下进行,三羧酸循环（TCA）,在线粒体基质中进行，是需氧反应。中间的代
14、 谢物是含三个羧基的有机酸，故名。又称 Krebs循 环，柠檬酸循环。三羧酸循环一定需要氧才能进行。 在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，都 需要传递给氧。,三羧酸循环,丙酮酸,三羧酸循环,三羧酸循环,乙酰CoA,丙酮酸,加入2C,定义：在有氧条件下，酵解产物丙酮酸被氧化分解成CO2和H2O,并以ATP形式贮备大量能量的代谢系统。,丙酮酸转变为乙酰CoA,Hans Adolf Krebs(1900-1981) 德化学家,1937年提出,1953年获诺贝尔生理及医学奖,(延胡索酸),事实与推论： 1，在肌肉（鸽子胸肌）悬浮液中，能迅速氧化的只有某些二元酸，如琥珀酸，苹果酸，草酰乙酸
15、及某些三元酸如柠檬酸等，其它酸不易氧化； 2，内源的碳水化合物和外加的丙酮酸的氧化可被极少量的琥珀酸，苹果酸，草酰乙酸催化； 3，二元酸和三元酸的催化可被丙二酸完全阻止，而丙二酸是琥珀酸脱氢酶的专一抑制剂，从琥珀酸到富马酸的过程是反应链中的关键环节。 4，在无氧条件下，肌肉悬浮液中的草酰乙酸和丙酮酸会转化为柠檬酸。这是过去缺失的环节。,三羧酸循环特点,需乙酰辅酶A 丙酮酸脱羧产生1分子NADH 2次脱羧, 产生2个C02 3次NAD+, 1次FAD+还原，产生3分子NADH，1分子FADH 伴有一次底物磷酸化，产生1分子ATP 反应在线粒体基质中进行,三羧酸循环（意义）,1. 提供能量，一分子
16、葡萄糖经EMP和TCAc彻底氧化成H2O、CO2，可生成38个ATP,2.为其他物质的合成提供C骨架 3.沟通脂质、蛋白质等有机物代谢,指通过一系列的氧化还原反应，将高能电子从NADH和FADH2最终传递给分子氧，同时随着电子能量水平的逐步下降，高能电子所释放的化学能就通过磷酸化途径储存到ATP分子中。,氧化磷酸化（电子传递链）,电子传递链： 由烟酰胺脱氢酶类、黄素蛋白类、铁硫蛋白、辅酶Q和细胞色素等五大载体组成,氧化磷酸化电子传递链的组成,三个ATP形成的部位:NADH CoQ,cytb cytc1,cytaa3 O2 电子传递阻断剂:鱼藤酮 安密妥 抗霉素A， 氰化物 CO（杀虫剂 麻醉剂
17、）,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的氧化,NADH 的氧化将氢原子转移给氧化磷酸化电子传递链。在电子传递过程中, 伴随质子的跨膜运动.质子跨膜运动在膜两侧产生电位差, 电位差促使质子返回膜的另一侧, 并将势能转变为化学能产生ATP。,丙酮酸能量总帐,1分子葡萄糖产生2分子丙酮酸 1分子丙酮酸氧化脱羧产生 4分子NADH 1分子FADH 1分子ATP 共产生:2 x （4 x 3 + 1 x 2 +1）=30ATP,葡萄糖分解可生成多少ATP?,葡萄糖能量总帐,1分子葡萄糖酵解产生2分子NADH和2分子ATP,总计2 x 3 + 2=8ATP. 加上2分子丙酮酸能量总帐30ATP,共计38个A
18、TP(肝脏）.如NADH进入线粒体消耗2ATP, 则净收获36个ATP（脑等）.1mol葡萄糖产生的ATP相当于1150 kJ,而1mol葡萄糖燃烧产生的能量约2870 kJ, 即细胞通过呼吸氧化利用葡萄糖热能的效率约40%.,细胞呼吸的效率,细胞呼吸作用的调节,葡萄糖的两种酵解,无氧酵解乙醇发酵,无氧酵解乳酸发酵,糖类代谢,1.糖的来源 2.糖的中间代谢 3.EMP（糖酵解）途径 4.三羧酸循环 5.其它代谢途径 6.糖代谢紊乱引发的病症,1.糖的来源,糖的来源 绿色植物和光合微生物的光合作用和动物体内糖异生糖的消化和吸收,叶绿体,2.糖的中间代谢,糖酵解途径 ( EMP) 三羧酸循环 (T
19、CAc) 磷酸戊糖途径 (HMS) 糖异生作用 糖原的合成与分解 植物体内生醇发酵和乙醛酸循环,磷酸戊糖途径(HMS) 产生NADPH和核糖 糖异生作用 非糖物质形成葡萄糖 糖原的合成与分解 主要在肝脏和肌肉细胞中 植物体内生醇发酵和乙醛酸循环,糖原病： 糖原分解合成酶的欠缺引起低血糖症： 胰岛素分泌或应用过量高血糖症及糖尿病 血糖的来源和去路间失去动态平衡,脂质代谢,1.脂肪的氧化分解2.脂肪酸的从头合成3.甘油的生物合成4.脂肪的合成5.脂类代谢紊乱引发的病症,脂质小知识,油和脂的区别 1.常温下油为液态，而脂一般为固体； 2.脂质广泛存在动植物中，而不仅仅是我们常见的油。 脂质：储存能量,北冰洋海象,
