新陈代谢

第五讲第五讲 生物的新陈代谢生物的新陈代谢 • 生命活动的原动力在于生物体内一刻不 停的新陈代谢。通过新陈代谢不断把太 阳能或食物中贮存的能量，转化为可供 生命活动利用的能量，不断制造出各种 大、小分子以供生命活动所需要。 • 体内的新陈代谢过程都是在生物催化剂-- --酶的催化下进行的。 • 这一讲先介绍酶的性质，然后着重 介绍生命活动所需的能量，从何而 来。至于新陈代谢中产生的大、小 生物分子，种类甚多，已经在第三 讲中提及。 一、酶是生物催化剂 1、酶的催化特点 催化剂可以加快化学反应的速度， 酶是生物催化剂，它的突出优点是： ¾催化效率高 ¾专一性质 ¾可以调节 用简单的实验证明酶的催化效率 2 H2O2 2 H2O + O2 22、酶的化学本质是蛋白质、酶的化学本质是蛋白质 ¾有的酶仅仅由蛋白质组成，如：核 糖核酸酶。 牛胰核糖牛胰核糖 核酸酶核酸酶 （（RNaseRNase）） ¾ 有的酶除了主要由蛋白质组成外， 还有一些金属离子或小分子参与。这些 金属离子或小分子是酶活性所必须的， 称为辅酶/辅基或辅助因子。 9如：羧基肽酶以锌离子（Zn2+）为辅 助因子 9又如：过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助 因子 羧基肽酶 Zn2+ 铁卟啉辅基 血红素 铁卟啉环 肌红蛋白 血红蛋白 33、酶催化作用的机理是、酶催化作用的机理是降低活化能降低活化能 • 催化剂只能催化原来可以进行的反应， 加快其反应速度。 • 即使对可以进行的反应来说，反应物分 子应越过一个活化能才能发生反应。 • 酶作为催化剂的作用是降低活化能。 酶的催化机理是降低活化能 酶是如何降低活化能的呢酶是如何降低活化能的呢 ?? • 首先需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构 中有底物结合中心/活性中心。 • 然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底 物分子，使底物分子活化起来。 • 酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一 性的体现。 底物分子结合在酶的底物结合中心 使底物靠拢 使底物分子 产生应力 使底物分子 电荷变化 44、酶的活性可以调控、酶的活性可以调控 1）在代谢途径中调节酶活性 几个酶或十几个酶前后配合，完 成一系列代谢反应，形成一条代谢途 径。在一条代谢途径中，常常是前一 个酶促反应的产物，便是下一个酶促 反应的底物。 从底物A,B到终产物E ¾一条代谢途径的终产物，有时可与该 代谢途径的第一步反应的酶相结合， 结合的结果使这个酶活性下降，从而 使整条代谢途径的反应速度慢起来。 这种情况称为“反馈抑制 ”。 值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产 物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。 终产物 终产物（调节物） 结合在调节中心 2）共价调节 ¾ 有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形 成共价结合，结合的结果，使酶蛋白分 子结构发生改变，使酶活性发生改变。 这种调节酶活性的情况称为酶的共价调 节。 例如，酶与磷酸根的结合。 糖糖 元元 磷磷 酸酸 化化 酶酶 磷酸化位点（14位Ser） 3）竞争性抑制 ¾ 有的酶在遇到一些化学结构与底物相 似的分子时，这些分子与底物竞争结 合酶的活性中心，亦会表现出酶活性 的降低（抑制）。这种情况称为酶的 竞争性抑制。 竞争性抑制剂 在结构上与 底物相似 磺胺类药 物竞争性 抑制细菌 体内的酶 对氨基苯磺酰胺 （磺胺药） 对氨基苯甲酸 （细菌生长因子） 二、生命世界的能量源泉是太阳能 1 、 生 物 体 的 代 谢 反 应 分 为 物 质 代 谢 和能量代谢两个侧面。 ¾每一个反应都有两个侧面： 物质代谢――由底物分子变成产物分子 能量代谢――消耗能量或释放能量 从小分子合成大分子需要消耗能量。 n 氨基酸 + 能量 蛋白质 2 丙酮酸 + 能量 葡萄糖 葡萄糖 2 丙酮酸 + 能量 从大分子分解为小分子会释放能量。 2、ATP是生物体能量流通的货币 ATP：三磷酸腺苷的缩写，全称可以是 腺嘌呤核苷三磷酸。 ATP的作用：一个代谢反应释出的能量 贮入ATP，ATP所贮能量供另 一个代谢反应消耗能量时使用。 能量 ATP ADP 放能反应 吸能反应 能量流通的货币 ——— ATP 3、生物体把能量用在生命活动的各个方面 4、太阳能是整个生命世界的能量源泉 ¾绿色植物和光合细菌把太阳能转变为 化学能，利用太阳能合成有机物；除了 维持自身的生存还为其他生物提供食 物---食物链。 ¾绿色植物和光合细菌利用太阳能的过 程称为光合作用。 食物链 绿叶中的光合作用 光合作用是如何进行的？ z 叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必 不可少的成份。在叶绿体中进行的光合 作用，又可以分为两个步骤： ¾光反应：在叶绿素参与下，把光能用 来劈开水分子，放出O2，同时造成两种 高能化合物 ATP 和 NADPH。 ¾暗反应：把 ATP 和 NADPH 中的能 量，用于固定 CO2，生成糖类化合物。 这个过程不需要光。 绿光波 吸收光能靠叶绿素 (树叶为什么是绿的?) 三、生物体主要靠有机分子的氧化 取得能量 11、有机物氧化释放能量、有机物氧化释放能量 ¾一支火柴的燃烧是纤维素氧化 (C6H12O6)n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 纤维素 氧 温度 光和热 （可燃物） ¾生物体也进行类似的反应 (C6H12O6)n + O2 n CO2 + nH2O + 能量 淀粉 氧 酶 ATP （氧化底物） • 把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本 原则是相似的――有机物氧化释放出能 量。 • 有哪些不同？？？ A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛 然地发出光和热。 B、生物体内氧化在水环境中进行。 C、生物体内的氧化由酶催化。 D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在 ATP 中。 2、生物体内氧化分步骤进行 淀粉 葡萄糖 丙酮酸 CO2+H2O ATP 3、与葡萄糖氧化分解产生能量有关 的三条代谢途径 A、糖酵解途径 ¾ 六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮 酸，净得2个ATP，同时产生2个NADH。 ¾发酵:糖酵解可以在无氧情况下进行，但 是要解决NADH变回到NAD＋问题。 糖酵解途径 乙醇 乳酸 丙酮 乙酸 丙酸 丁醇 丙酮酸 B、 三羧酸循环 ¾ 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，然 后再逐步传递给氧。 丙酮酸 三羧酸循环 两个丙 酮酸分 解成三 个二氧 化碳 C、 呼吸链 ¾脱下的氢可以看作是电子加上质子 2H 2e ＋ 2H＋ 在呼吸链起端，电子处在高能水 平，传递到 O2 时，处于低能水平。传 递过程中释出的能量，用于产生 ATP。 呼吸链：电子逐步传递到氧 糖 酵 解 呼吸链 三 羧 酸 循 环 总之，一个葡萄糖分子经过： 无氧 糖酵解途径 丙酮酸 2个 ATP 有氧 糖酵解途径、 三羧酸循环途径、 呼吸链；完全氧化36或38个 ATP、CO2 和 H2O 生物体可利用各种有机分子作燃料 • 除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂 类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三 羧酸循环途径，彻底氧化为 CO2 和 H2O ，同时产生能量。 • 对于人体来说，最适宜的燃料是葡萄 糖。 四、生物体内存在着复杂的代谢网络 ¾糖酵解途径、三羧酸循环和呼吸链，都与分 解代谢，产生能量有关。 ¾生物体内还有许许多多其他分解代谢途径， 和合成代谢途径，形成错综复杂的代谢网 络。这些代谢途径分布于生活细胞的不同部 位。 代谢网络 代谢产物代谢途径多样性 例: 微生物代谢与第一次世界大战 德国： （Carl Neuberg） 丙酮酸 CO2 乙醛 NADH NAD+ 乙醇 磷酸二羟基丙酮 NADH NAD+ 磷酸甘油 甘油 3%的亚硫酸氢钠（pH7） Saccharomyces cerevisiae 利用啤酒酵母进行厌氧发酵 （磺化羟基乙醛） 第一次世界大战期间德国主要用这种方法生产甘油 产量：1000吨/月 目前的甘油生产方法： 使用的微生物： Dunaliella aslina（一种嗜盐藻类） 生活在盐湖及海边的岩池等盐浓度很高环境 胞内积累高浓度的甘油从而使细胞的渗透压保持平衡 微生物代谢与第一次世界大战 有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加：英国： 用于生产人造橡胶、生产无烟火药； 当时的常规生产方法：对木材进行干热分解 大约80到100吨桦树、山毛榉、或枫木生产1吨丙酮 微生物代谢与第一次世界大战 英国： 查姆魏兹曼（Chaim Weizmann） 丙酮丁醇羧菌发酵生产丙酮、丁醇（1915），每100 吨谷物可以生产出12吨丙酮和24吨的丁醇。 第一次世界大战（1914-1918）爆发后，一名英籍犹 太人查姆魏兹曼（Chaim Weizmann）助英国成功研 制新型炸药━━无烟炸药，使在当时处于劣势的英 国反败为胜。为答谢魏兹曼的功劳，当时的英国政 府答应协助犹太人在巴勒斯坦复国，在1917年11月 发表了贝尔福宣言（Balfour Declaration）：「英国 政府赞成在巴勒斯坦为犹太人设立民族乡土，为达 成这一目的，将尽最妥善的努力。」 1948年与杜鲁门的会谈对美国最终决 定支持以色列建国发挥了关键作用 第五讲 生物的新陈代谢 一、酶是生物催化剂 2、酶的化学本质是蛋白质 3、酶催化作用的机理是降低活化能 酶是如何降低活化能的呢 ? 4、酶的活性可以调控 二、生命世界的能量源泉是太阳能 4、太阳能是整个生命世界的能量源泉 光合作用是如何进行的？ 三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量 1、有机物氧化释放能量 2、生物体内氧化分步骤进行 3、与葡萄糖氧化分解产生能量有关的三条代谢途径 B、  三羧酸循环 C、  呼吸链 生物体可利用各种有机分子作燃料 四、生物体内存在着复杂的代谢网络 代谢产物代谢途径多样性