现代生物学导论第三讲 生物没的新陈代谢.ppt

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,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。,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。,返回,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： 催化效率高、 专一性质、 可以调节。 先看看催化效率高,用简单的实验证明酶的催化效率：,返回,铁屑 肝糜 肝糜（煮）,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,下图,铁卟啉辅基,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。,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。,4、酶的活性可以调控,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。,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。,返回,第一个酶 （有活性）,第一个酶 （无活性）,终产物,终产物（调节物） 结合在调节中心,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。例如，与磷酸根的结合。 这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。,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。,返回,下图,竞争性抑制剂在结构上与 底物相似,上图,返回,对氨基苯甲酸 （细菌生长因子）,对氨基苯磺酸 （磺胺药）,磺胺类药物 竞争性抑制 细菌体内的酶,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。 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,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。,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,2、ATP是生物体能量流通的货币 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。,下图,下图,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,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 绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称为光合作用。,返回,食 物 链,生物体把能量用在生命活动的各个方面,返回,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O2，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 CO2，生成糖类化合物。这个过程不需要光。,返回,吸收光能靠叶绿素,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 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） 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 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。 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。,返回,糖酵解途径,返回,乙醇,乳酸,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 FADH2，然后再逐步传递给氧。,返回,丙酮酸,三个二氧化碳,三羧酸循环,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 O2 时，处于低能水平。传递过程中释出的能量，用于产生 ATP。,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 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,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。（第九讲内容） 现在，再介绍一下有关蛋白质合成的代谢途径。,代谢网络,代谢网络,返回,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。,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转译转而体现为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序。,返回,转录 核苷酸序列核苷酸序列 转译 核苷酸序列氨基酸序列,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。 总反应式： （NTP）nDNA mRNADNA mRNA 的合成在细胞核内进行； 然后，mRNA 从核内移至细胞质中。,酶,4、遗传密码和转运RNA,mRNA 分子中每三个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。,5、 蛋白质合成的第二步需依托核糖体,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,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。,下图,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。,下图,合成过程连续进行,下图,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。,下图,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。,哇！,终于结束了。,