第三讲 生物的新陈代谢

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1 生命科学导论 上海交通大学生命科学与技术学院 School of Life Science and Biotechnology Shanghai Jiao Tong University

2 第三讲 生物的新陈代谢 一 酶是生物催化剂二 生命世界的能量源泉是太阳能三 生物体主要从有机分子的氧化取得能量四 生物体内有一个复杂的代谢网络

3 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又都是在生物催化剂 ---- 酶的催化下进行的

4 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, 这里仅介绍蛋白质大分子是如何合成的

5 一 酶是生物催化剂 ( 本节见参考书第 页 ) 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 : 催化效率高 专一性强 可以调节

6 用简单的实验证明酶的催化效率 : 铁屑肝糜肝糜 ( 煮 ) 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2

7 2 酶的化学本质是蛋白质 有的酶仅仅由蛋白质组成, 如 : 核糖核酸酶 注意 : 近年来已经发现了具有催化能力的 RNA, 这些 RNA 称为 核酶

8 牛胰 核糖核酸酶 (RNase( RNase)

9 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 如 : 羧基肽酶以二价锌离子 (Zn2+) 为辅助因子又如 : 过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子

10 羧基肽酶 ( 黄色圆球是 Zn 2+ ) 返回

11 铁卟啉辅基

12 肌红蛋白

13 血红蛋白 返回

14 3 酶催化作用的机理是降低活化能 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

15

16 酶的催化机理是降低活化能

17 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

18 底物分子结合在酶的底物结合中心

19 使底物靠拢 使底物分子产生应力 使底物分子电荷变化 返回

20 4 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底物, 便是下一个酶促反应的底物

21 从底物 A,B 到终产物 E 终产物 第一个酶 ( 无活性 ) 终产物 ( 调节物 ) 结合在调节中心

22 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

23 第一个酶 ( 有活性 ) 终产物 第一个酶 ( 无活性 ) 终产物 ( 调节物 ) 结合在调节中心

24 2) 共价调节 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

25 磷酸化位点 糖元磷酸化酶 有磷酸化位点

26 3) 竞争性抑制 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

27 竞争性抑制剂在 结构上与 底物相似

28 琥珀酸在酶的作用下反应生成延胡索酸, 而丙二酸可以抑制该酶的活性

29 磺胺类药物的杀菌机理 : 竞争性抑制细菌体内的酶 对氨基苯甲酸 ( 细菌生长因子 ) 对氨基苯磺酰胺 ( 磺胺药 )

30 二 生命世界的能量源泉是太阳能 ( 本节见参考书第 页 ) 1 生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个侧面 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

31 n 氨基酸 + 能量 蛋白质 2 丙酮酸 + 能量葡萄糖 从小分子合成大分子需要消耗能量

32 葡萄糖 2 丙酮酸 + 能量 从大分子分解为小分子会释放能量 返回

33 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

34

35

36 的货币异化作用 ATP作为能量 能量流通能量 同化作用 生物大分子

37 3 生物体把能量用在生命活动的各个方面

38 4 太阳能是整个生命世界的能量源泉 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 食物链食物链 绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称 为光合作用

39 物链返回食返回

40 绿叶中的光合作用 返回

41 生物体把能量用在生命活动的各个方面 返回

42 光合作用是如何进行的? 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 : 光反应 : 在叶绿素参与下, 把光能用来劈开水分子, 放出 O 2, 同时造成两种高能化合物 ATP 和 NADPH 暗反应 : 把 ATP 和 NADPH 中的能量, 用于固定 CO 2, 生成糖类化合物 这个过程不需要光

43 吸收光能靠叶绿素 ( 树叶为什么是绿的?) 返回

44 返回

45 天线色素与反应中心色素 反应中心 天线色素

46 三 生物体主要靠有机分子的氧化有机分子的氧化取得能量 ( 本节见参考书第 页 ) 1 有机物氧化释放能量一支火柴的燃烧是纤维素氧化 (C 6 H 12 O 6 ) n + O n CO nh 2 O + 能量纤维素氧温度光和热 ( 可燃物 ) 生物体也进行类似的反应 (C 6 H 12 O 6 ) n + O n CO nh 2 O + 能量淀粉氧酶 ATP ( 氧化底物 )

47 ATP 中 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 在 D 生物体内氧化分步骤进行, 产生能量贮存

48 2 生物体内氧化分步骤进行 淀粉 葡萄糖 丙酮酸 ATP CO 2 +H 2 O

49 3 与葡萄糖氧化分解产生能量有关的 A 糖酵解途径 三条代谢途径 六个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 发酵 : 糖酵解途径可以在无氧情况下进行, 但 是要解决 NADH 变回到 NAD + 问题

50 糖酵解途径 返回

51 无氧时的发酵产物 丙酮 乙醇 丙酮酸 乙酸 乳酸 丙酸 丁醇

52 B 三羧酸循环 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 FADH 2, 然后再逐步传递给氧

53 三羧酸循环 丙酮酸 两个丙酮酸分解成三个二氧化碳

54 C 呼吸链 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 O 2 时, 处于低能水平 传递过程中释出的能量, 用于产生 ATP

55 呼吸链 : 电子逐步传递到氧 FLASH

56

57 糖酵解 呼吸链 三羧酸循环

58 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 个 ATP CO 2 和 H 2 O

59 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 CO 2 和 H 2 O, 同时产生能量 对于人体来说, 最适宜的燃料是葡萄糖

60 四 生物体内存在着复杂的代谢网络 ( 本节见参考书第 页 ) 1 已介绍三条代谢途径 : 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 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

61 代谢网络 代谢类型的多样性例子

62 德国 : Carl Neuberg) 丙酮酸 代谢产物的多样性 CO 2 例 : 微生物代谢与第一次世界大战 乙醛 3% 的亚硫酸氢钠 (ph7) NADH NAD+ 乙醇 ( 磺化羟基乙醛 ) NADH NAD+ 磷酸二羟基丙酮 磷酸甘油 Saccharomyces cerevisiae 厌氧发酵 下图 甘油

63 下图 第一次世界打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

64 微生物代谢与第一次世界大战 英国 : 有机溶剂丙酮和丁醇的需求增加 : 丙酮 : 用于生产人造橡胶 ; 丁醇 : 用于生产无烟火药 ; 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 下图

65 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 下图

66 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 以色列的首任首相 第一次世界大战爆发后, 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 : 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 返回

67 2 蛋白质合成也就是基因表达 决定合成什么样的蛋白质的遗传信息, 贮存在细胞内的 DNA 大分子中, 体现为 DNA 大分子中核苷酸排列次序, 最终表达为蛋白质大分子中的氨基酸序列

68 基因表达 : 遗传信息从 DNA 序列到氨基酸序列的过程 转录 翻译 返回

69 蛋白质合成的第一步, 由 DNA 指导 mrna( 信使 RNA) 的合成 DNA 中的遗传信息通过转录体现在 mrna 分子中核苷酸排列次序中 蛋白质合成的第二步, 由 mrna 指导蛋白质合成 mrna 中携带的遗传信息通过翻译转而体现为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序

70 转录 翻译 核苷酸序列 核苷酸序列 核苷酸序列 氨基酸序列 返回

71 3 蛋白质合成的第一步是 mrna 的合成 mrna 合成需要 : 以四种三磷酸核苷为原料 ATP GTP UTP CTP; 以 DNA( 大分子中的一段 ) 为模板 ; 由 RNA 聚合酶催化 mrna 的合成在细胞核内进行 ; 然后,mRNA 从核内移至细胞质中

72 mrna 合成 FLASH 返回

73 4 遗传密码和转运 RNA mrna 分子中每三个相邻核苷酸序列决定一个氨基酸, 这就是通常所说的三联密码子 与遗传密码子相对应的反密码子在转运 RNA (trna) 分子中 trna 的二级结构呈三叶草形, 它的任务是搬运氨基酸 在 trna 分子中, 一方面联接着被搬运的氨基酸, 另一方面通过反密码子把氨基酸安置到合适的位置上去

74 遗传密码表 返回

75 转运 RNA(tRNA trna) 返回

76 5 蛋白质合成的第二步由 mrna 指导 蛋白质合成, 需依托核糖体 核糖体由蛋白质和 RNA 组成, 后者称为核糖体 RNA(rRNA) 在细胞质中,mRNA 先与核糖体结合 蛋白质合成

77 第一个 trna 把一个氨基酸放在肽链起始位置上 ; 另一个 trna 带来第二个氨基酸

78 第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上, 形成肽键 核糖体向右移三个核苷酸位置, 第一个 trna 脱落, 准备好位置迎接第三个 trna 及其所带的氨基酸

79 合成过程连续进行

80 直到在 mrna 上出现休止符号的密码子 于是, 不再有新的 trna 上来, 肽链合成结束 核糖体与 mrna 脱开

81 FLASH 返回

82 蛋白质合成中还有其他加工步骤 包括 : A 蛋白质大分子折叠 ; B 糖基和其他基团的修饰 ; C 蛋白质分子向细胞各部位的运送等等

83 蛋白质分子折叠 返回

84 附录 : 抗生素对转录翻译的抑制

85 哇! 终哇! 于结束了

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