1、Welcome to 化学生物学 !Prof. Dr. Yujian He,第三章 生物学的基本概念生物学学科的基本理论和重要概念: 蛋白质，核酸，中心法测，细胞和生物膜, 糖，维生素与辅酶，激素，生物催化剂，生物氧化和代谢等。,糖 的生物代 谢,分解代谢(catabolism)：由大分子(多糖、蛋白、脂类等)不断降解为小分子(如CO2，NH3，H2O)的过程 合成代谢(anabolism)：由小分子(如氨基酸等)生成大分子(如蛋白质)的过程 同化作用：把异体物质转化为自体物质的过程（以合成代谢为主） 异化作用：把自体物质转化为废物排至周围环境的过程（以分解代谢为主） 合成代谢不等于同化作用，
2、分解代谢不等于异化作用,合成代谢：小变大：需要能量 物质 能量 代谢 代谢分解代谢：大变小：释放能量,物质代谢与能量代谢的联系,物质代谢三个阶段,（1）由复杂的大分子分解为物质基本组成单位的过程，释放少量的能量，不能储存，以热能散失； （2）由这些基本分子转变为代谢中间产物，即活泼的二碳化合物乙酰CoA的过程，有少量能量（1/3）的释放，生成ATP； (3) 乙酰CoA氧化生成CO2和H2O的过程，这期间生成的NADH，FADH2通过氧化磷酸化过程，生成大量ATP,代谢途径的特点,1、单向性有些反应属于放能反应，在生理条件不可逆，故整条代谢途径不可逆。 2、限速酶决定某一代谢途径反应总速度的某
3、几个反应，称为限速反应，催化该反应的酶称为限速酶。这些反应通常不可逆，而且多为第一步反应或速度最慢的反应。 如：糖酵解：己糖激酶；三羧酸循环：柠檬酸合成酶,3、区域化真核细胞复杂的内膜系统，使得各个代谢途径局限于一定的亚细胞区域，互不干扰。如：糖酵解：细胞质；糖原的合成与分解：细胞质；三羧酸循环：线粒体；RNA、DNA合成：细胞核；蛋白质合成：核糖体 4、可调节性人体能对其内部的代谢途径进行自动调节（速度和方向），以维持内环境的稳定，保持动态平衡。,生物体的能量载体ATP,高能磷酸键,化合物水解时，每摩尔释放出能量大于20KJ/者称为高能化合物，被水解的化学键称为高能键。 ATP分子中、磷酸苷
4、键称为高能磷酸键，常以符号 P表示，而位的磷酸键为低能磷酸键，常以-P表示。 ATP+H2O ADP+Pi G0=30.5KJ/mol ADP+H2OAMP+Pi G0=30.5KJ/mol,其他高能磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸、 氨基甲酰磷酸1、3-二磷酸甘油酸、 磷酸肌酸、 乙酰磷酸 高能硫酯化合物：乙酰辅酶A、脂酰辅酶A含有高能硫酯键，由羧基和巯基脱水而成，键能为-34.3KJ/mol。,ATP的生成方式,氧化磷酸化是体内ATP生成的主要方式。在电子传递过程中，释放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程，又称电子传递水平磷酸化。,底物水平磷酸化,糖酵解及三羧酸循环的反应的某些步骤由于脱氢或
5、脱水作用，使代谢物分子内部能量从新分布而形成高能化合物（高能磷酸化合物或高能硫酯化合物）然后将高能键转移给ADP（GDP）生成ATP（GTP）的反应。,葡萄糖的代谢,葡萄糖在体内的分解代谢受供氧状况影响供氧不足时：进行糖酵解生成乳酸供氧充足时：进行有氧氧化生成CO2和H2O 进入磷酸戊糖途径进行代谢,糖酵解,1、概念：在氧供应不足的情况下， 葡萄糖分解生成乳酸的过程。2、反应的场所：细胞液中,3、反应过程,1,2,3,6,5,4,9,8,7,10,11,1、由己糖激酶或葡萄糖激酶催化的磷酸化反应，需要Mg2参与 2、反应由ATP提供磷酸基团和能量 3、反应不可逆 4、糖酵解途径中的限速步骤,1
6、、反应为异构化反应，由磷酸己糖异构酶催化2、是醛糖和酮糖之间的异构化，反应可逆,1、磷酸果糖激酶（变构酶）催化的磷酸化反应 2、需ATP和Mg2+参与 3、反应不可逆 4、为糖酵解途径中最重要的限速步骤,1、反应由醛缩酶催化 2、生成两分子的丙糖 3、反应可逆,1、磷酸丙糖异构酶催化的异构化反应2、反应可逆,1、由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化的脱氢氧化 2、反应中的磷酸基由无机磷提供 3、反应脱下的氢以NAD+为受体,1、反应为底物水平磷酸化反应，产生21个ATP 2、反应由磷酸甘油酸激酶催化,反应为3-磷酸甘油酸变构酶催化的可逆反应,1、烯醇化酶催化的脱水反应2、分子内部能量重新排布形成高能磷酸
7、键,1、反应为底物水平磷酸化反应, 产生21个ATP 2、反应由丙酮酸激酶（变构酶）催化, 需K+和Mg2+参与 3、反应不可逆,是限速步骤 4、是有氧氧化和糖酵解的分界点,1、反应由乳酸脱氢酶催化 2、反应由NADH+H+提供电子，其中NADH+H+由3-磷酸甘油醛的脱氢反应提供,糖酵解途径的特点,1、全过程没有氧参与，反应生成的NADH+H+只能将2H交给丙酮酸生成乳酸； 2、糖以酵解方式代谢是不完全反应，释放能量较少，一分子葡萄糖氧化生成2分子ATP；若从糖原开始，生成3分子ATP。 3、全过程有三步不可逆的单向反应，分别由己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化，是反应的限
8、速酶,糖酵解途径的生理意义,1、机体在无氧状态下获得能量的一种措施，也是机体在应激状态时产生能量，以满足机体生理需要的途径 2、红细胞供能的主要方式； 3、某些组织细胞（白细胞、视网膜、睾丸、肿瘤细胞等）在有氧条件下仍以糖酵解途径为主要供能方式。,糖的有氧氧化,葡萄糖在有氧条件下彻底氧化生成CO2和H2O的过程，是糖分解代谢的主要方式,反应过程：分为三个阶段,1,2,3,丙酮酸的生成,1、在细胞液中进行2、与糖酵解途径相同,三羧酸循环,1、1937年由Krebs提出又称为Krebs循环2、反应过程中合成了一个含有三个羧基的柠檬酸又称为三羧酸循环（或柠檬酸循环）,O,N,N,N,N,NH2,-H
9、,H-,OH,H,H,O O-P-O-P-O-H2C- O - O,CH3 CO-CH-C-CH2OOH CH3,CH2-NH- CH2 CO NH CH2 CH2 S,乙酰辅酶A,O - O-P-O- O,C-CH3 O,高能硫酯键,G0=-33.4kg/mol,在三羧酸循环中起酰基载体的作用,柠檬酸,异柠檬酸,(顺乌头酸),-酮戊二酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,乙酰CoA,H2O,SHCoA,H2O,H2O,NADH+ H+,CO2,GDP + Pi,GTP,琥珀酸,NADH+ H+,CO2,SHCoA,SHCoA,FADH2,H2O,NADH + H+,三羧酸循环,1,2
10、,3,4,5,6,7,8,反应为异构化反应，由顺乌头酸酶催化 以顺乌头酸为中间产物,1、第一次氧化脱羧，生成CO2 2、由异柠檬酸脱氢酶催化，为限速反应 2、NAD+为受氢体, 酮戊二酸,1、第二次氧化脱羧，释放能量，储存于琥珀酰COA中 2、由-酮戊二酸脱氢酶复合体催化 , 3、反应为限速反应且不可逆 4、NAD+为受氢体,1、由琥珀酸硫激酶或琥珀酸合成酶催化 2、高能硫酯键水解释放能量，使GDP磷酸化 生成GTP，为唯一的一次底物水平磷酸化。 3、反应可逆,由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶为FAD。 该酶是TCA循环中唯一结合在线粒体内膜的膜 （其余的酶都在基质中）,由延胡索酸酶催化，反应可逆,
11、反应由苹果酸脱氢酶催化，脱下的氢经NAD+传递,总反应式,CH3CO SCoA + 3NAD+ +FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+3NADH+3H+FADH2+HSCoA+GTP 1、同位素标记发现CO2来自草酰乙酸，而不是乙酰辅酶A。 2、4次脱氢中，3次NAD+为受体，1次以FAD为受体；,三羧酸循环的特点,1、在有氧条件下进行时产生ATP的主要途径。进行部位：线粒体产生ATP：12分子（1次底物水平磷酸化33NADHH+21FADH2 ） 2、是不可逆的反应过程,三羧酸循环的生理意义,1、三羧酸循环是糖、脂肪、蛋白质氧化分解的共同通路；2、三羧酸循环是物质的代谢枢纽,有氧氧化的生
12、理意义,1、总反应式： 葡萄糖+38(36)ADP+38Pi+6O238(36)ATP+6CO2+44H2O 2、葡萄糖氧化生成CO2和H2O时G0=-2840KJ/mol生成ATP储存1159KJ/mol利用率为：40%,磷酸戊糖途径,1、概念：由6-磷酸葡萄糖开始，生成具有重要生理功能的5-磷酸核糖和NADPH+H+ 2、反应在胞浆中进行，分为两个阶段： （1）氧化反应阶段 （2）基团转移反应阶段,6-磷酸-葡萄糖,5-磷酸-核酸+ 2 NADPH+H+CO2,(二）5-磷酸-核酸,6-磷酸果糖 5-磷酸-核酸3-磷酸甘油醛,基团转移反应,(一）,生理意义,1、为核酸的生物合成提供核糖 2
13、、提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应： （1）NADPH是体内许多合成代谢的供氢体:如脂肪酸、胆固醇等的合成 （2）NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态，维持细胞膜的完整 （3）参与肝脏中激素、药物、毒物的生物转化过程 （4）参与嗜中性粒细胞和巨噬细胞产生离子态氧的反应，有杀菌作用,糖 原,1、概念：糖原是由若干葡萄糖单位组成的具有许多分支结构的大分子多糖，是动物体内的糖的储存形式；2、糖原主要储存于肝和肌肉组织中肝糖原：血糖的来源，维持血糖浓度肌糖原：为肌肉收缩提供能量,糖原的合成,1、由单糖合成糖原的过程2、原料：肝糖原的合成以任何单糖为原料肌糖原的合成只能以葡萄糖为原料3、反应场所
14、：胞液中,糖原的合成过程,1、葡萄糖生成6-磷酸葡萄糖 2、6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖 3、生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG） 4、从尿苷二磷酸葡萄糖合成糖原,在糖原合成酶的作用下将UDPG连接到糖原引物上，以-1,4- 糖苷键连接,糖原支链的合成,分支酶的作用, -1，4糖苷键, -1，6 糖苷键, 糖原合成过程中糖原合酶催化形成 -1，4 糖苷键；分支酶催化形成 -1，6 糖苷键。 由葡萄糖合成糖原的过程中需要ATP和UTP提供能量，每增加1个葡萄糖残基需消耗2分子ATP。,糖原合成的特点,1、糖原合酶催化的糖原合成反应不能从头开始需要至少4个葡萄糖残基的-1,4- 多聚葡萄糖作为引
15、物； 2、糖原合酶只能延长糖链，不能形成分支； 3、糖原合酶使糖原合成过程中的关键酶，其活性受胰岛素激活； 4、UDPG是活泼葡萄糖基的供体，其生成过程消耗ATP和UTP。,糖原分解,1、肝糖原分解为葡萄糖以补充血糖的过程2、肌糖原中没有葡萄糖6磷酸酶，不能分解为葡萄糖，主要是循糖酵解途径进行糖酵解和有氧氧化,糖异生,1、从非糖化合物转化为葡萄糖或糖原的过程； 2、进行糖异生的主要器官是肝脏，肾在正常条件下异生能力只为肝脏的10%，长期饥饿或酸中毒时肾脏糖异生能力可大大增强。 3、能异生为糖的物质有：生糖氨基酸(甘、丙、苏、丝、天冬、谷、半胱、脯、精、组等)、有机酸(乳酸、丙酮酸及三羧酸循环中
16、各种羧酸等)和甘油等。,糖异生途径,1、从丙酮酸生成葡萄糖的具体过程称为糖异生途径。 2、基本是糖酵解途径的逆过程。糖酵解途径与糖异生途径的多数反应是共有的，但糖酵解途径中己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶所催化的反应不可逆，在糖异生途径中必须有另外的反应和酶代替。,反应为两步反应：第一步为丙酮酸羧化酶催化，其辅酶为生物素。丙酮酸羧化酶存在于线粒体内，故胞液中的丙酮酸必须进入线粒体才能羧化生成草酰乙酸第二步在磷酸烯醇式丙酮酸激酶催化，反应消耗一个高能磷酸键，同时脱羧；,糖异生的生理意义,1、保证饥饿时血糖浓度的相对恒定 体内储存的糖原很有限，肌糖原仅供本身氧化供能，若只用肝糖原的贮存量来维持血
17、糖浓度最多不超过12小时，所以需要非糖物质异生成糖原以不断补充血糖。,2、糖异生作用与乳酸的作用密切关系：防止乳酸酸中毒的发生 3、协助氨基酸代谢4、促进肾小管泌氨的作用,血 糖,1、血糖是指血液中的葡萄糖 2、血糖的含量是反映体内糖代谢状况的一项重要指标 3、正常血糖值：3.3-5.6mmol/L（葡萄糖氧化酶法）,血糖的来源和去路,血糖水平调节,血糖的调节主要靠激素降低血糖的激素：胰岛素升高血糖的激素：肾上腺素、胰高血糖素、糖皮质激素,低血糖(hypoglycemia),空腹血糖浓度低于3.333.89mmol/L(folin吴宪法)时称为低血糖。 单糖十Cu2+（配离子） Cu2O十 氧
18、化产物（斐林试剂(folin吴宪法)或班氏试剂） 低血糖影响脑的正常功能，因为脑细胞中含糖原极少，脑细胞所需要的能量主要来自葡萄糖的氧化，当血糖含量降低时，就会影响脑细胞的机能活性，因而出现头晕、倦怠无力、心悸、手颤、出冷汗、严重时出现昏迷，称为低血糖休克，如不及时给病人静脉注入葡萄糖液，就会死亡。,血糖的来源和去路,血糖的来源和去路,预防糖尿病只是我们的第一道防线；当这道防线被击溃后，我们还有第二道防线，预防糖尿病并发症；还有第三道防线，降低糖尿病慢性并发症引起的残废和早亡。由于糖尿病本身及其合并症对人们的身心健康危害越来越大，因此，我们有必要让更多的人了解它，寻找更好的药物和治疗方法来攻克这一世界难题!The End,
