1、,生物能量及atp 代謝 基因表達調(diào)控 蛋白質及酶,第一部分 生物能量與atp,atp細胞的能量貨幣 “貨幣代謝物（currencymetabolites）或者通用代謝物”是指可在細胞全局范圍內(nèi)像貨幣一樣流通的代謝物，如能量貨幣atp以及以輔助因子的形式出現(xiàn)的輔酶nadh和nadph。它們的作用主要在于協(xié)調(diào)代謝流的流量和方向，使受它（它們）控制的途徑成為代謝網(wǎng)絡整體的一部分。,atp的磷酸基因轉移勢能和其他一些磷酸化合物比較,處于中間地位。 atp作為共同中間傳遞體的實質是傳遞能量，它水解釋放的自由能可推動一個在熱力學上不利的反應，使之能夠順利進行。,atp合成的方式,1.底物水平磷酸化：底物

2、的高能磷酸基團直接轉移給adp生成atp。 2.氧化磷酸化：是指在電子傳遞過程中,釋放的能量使adp磷酸化成atp的過程。又稱電子傳遞水平磷酸化。 3.光合磷酸化：由光驅動的atp合成。,底物水平磷酸化,在細胞內(nèi)凡是有atp作為磷酸基因供體的酶促反應，atp都是以mg2+atp2-的形式參加反應。,mg2+atp2-的結構式,mg2+adp-的結構式,電子傳遞與氧化磷酸化,線粒體細胞的發(fā)電廠 含有丙酮酸脫氫酶系、檸檬酸循環(huán)的酶系、催化脂肪酸氧化的酶和參與電子傳遞和氧化磷酸化的酶以及氧化還原的蛋白。,電子傳遞,nadh氧化反應是高效放能的 1molnadh被o2氧化伴隨釋放218kj自由能 由a

3、dp和pi合成1molatp所需自由能是30.5kj 1分子nadh大約產(chǎn)生(2.5)分子atp 1分子fadh2大約產(chǎn)生2(1.5)分子atp,atp的合成,atp合成機制最有說服力的是1961年由peter mitchell 提出的化學滲透原理(chemiosmotic theory) 氧化磷酸化要求完整的線粒體內(nèi)膜 線粒體內(nèi)膜對h+、oh-、k+和cl-等離子不通透，它們的自由擴散將會消減電化學梯度 電子傳遞導致h+被運出完整線粒體，因而產(chǎn)生一個可測量的跨線粒體內(nèi)膜的電化學梯度 某些因能增加線粒體內(nèi)膜對質子的通透性而消減電化學梯度的化合物，能使電子傳遞繼續(xù)進行，但是卻抑制atp合成，相反

4、，增加線粒體內(nèi)膜外側的酸性將刺激atp合成。,peter mitchell, 19201992,提出了atp合成酶的結合變化和旋轉催化機制 walker發(fā)表了0.28nm分辨率的牛心線粒體晶體結構,為此與boyer分享了1997年的諾貝爾化學獎. noji的實驗證實了旋轉催化假說的正確性.,paul boyer,john e. walker,線粒體的轉運系統(tǒng),細胞質的還原當量轉運進入線粒體 adp-atp轉運體 ca2+轉運,細胞質中的nadh必須進入線粒體的電子傳遞鏈以便進行有氧氧化，但線粒體內(nèi)膜沒有nadh轉運蛋白,蘋果酸天冬氨酸穿梭malate-aspartate shuttle,磷酸甘

5、油穿梭glycerophosphate shuttle,氧化磷酸化解偶聯(lián),電子傳遞與氧化磷酸化相偶聯(lián)是基于線粒體內(nèi)膜的不通透性，致使電子傳遞時因h+產(chǎn)生的跨膜電化學梯度得以建立。 一些化合物如2,4-二硝基苯酚(dnp)可以使電子傳遞與atp合成解偶聯(lián)。 氧化磷酸化抑制劑:寡霉素 離子載體抑制劑: 纈氨霉素,棕色脂肪組織解偶聯(lián)產(chǎn)熱,有氧代謝的生理意義,并非所有的生物都能進行氧化磷酸化,然而具有這種功能的生物確實能從有限量的代謝燃料中獲得更多的能量. 1分子葡萄糖的無氧酵解只產(chǎn)生2分子atp 1分子葡萄糖的有氧代謝可產(chǎn)生38分子atp,然而有氧代謝也有其缺點,許多生物和組織僅僅依靠有氧代謝,則當

6、氧氣缺乏時它們將遭受不可逆轉的損傷. 有氧代謝還伴隨產(chǎn)生少量活性氧代謝物,長時間可能破壞細胞成分,細胞色素p450 超氧化物歧化酶sod 2gsh+h2o2 gssg+2h2o gssg+nadph+h+ 2gsh+nadp+,谷胱甘肽還原酶,谷胱甘肽過氧化物酶,光合磷酸化,2h2o o2+4h. 4h.+co2 (ch2o)+h2o 在光反應中,特定的色素分子捕獲光能而被氧化,再經(jīng)一系列電子傳遞反應最終將nadp+還原為nadph，產(chǎn)生的跨膜質子梯度中蘊含的能量促使adp+pi合成atp。氧化態(tài)的色素分子被h2o還原，產(chǎn)生o2。 暗反應利用nadph和atp還原co2，并將co2整合到糖的三

7、碳前體分子中。,光,習題,1.根據(jù)下圖所示,假定你將有活性的f1f0-atp合酶重組到脂質體上,重組時酶的朝向有兩種,一種是頭部(f1部分)朝外、柄部朝內(nèi)（f0），另一種是柄部朝外，頭部朝內(nèi)。這些脂質體外部的環(huán)境都 是一樣的，都含有adp、pi，ph都是7，但內(nèi)部ph不同。 （1）預測哪幾種脂質體可以合成atp？ （2）如果將樣品c轉移到ph7、含有atp的溶液中。脂質體腔內(nèi)含有對ph敏感的熒光染料，以此來檢測ph的變化。有趣的是，溶液內(nèi)atp水平在下降，而腔內(nèi)的ph也在下降，試解釋此現(xiàn)象。,2.酵母呼吸缺陷型突變株缺乏細胞色素c氧化酶,它們的一個顯著特點是發(fā)酵不被o2抑制,即它們巴斯德效應.

8、有人對應用這樣的突變株使木屑發(fā)酵產(chǎn)生酒精很感興趣.對于大規(guī)模的酒清生產(chǎn),使用這些突變株有何優(yōu)點?為什么細胞色素c氧化酶的缺乏會消除巴斯德效應(當加入氧時,葡萄糖的消耗減少)? 3.加入寡霉素到線粒體中會顯著降低電子傳遞速度及atp形成速度.接著加入dnp則增加電子傳遞速度而atp形成速度不變,寡霉素抑制什么? 4.當供給充分的底物異檸檬酸、無機磷、adp和氧，分別用魚藤酮、抗霉素a和氰化物作為抑制劑時，線粒體中的nad、nadh脫氫酶、細胞色素c、細胞色素b、細胞色素a的氧化還原狀態(tài)？,5.利用基因敲除技術使小鼠缺乏腺苷酸交換體，小鼠能夠生存，但具有以下病理特征： （1）血清中含有高水平的乳酸

9、、丙氨酸和琥珀酸。 （2）電子傳遞幾乎沒有 （3）線粒體內(nèi)過氧化氫的水平是正常的3倍 解釋以上現(xiàn)象 6.最近人們對一種來自食用海藻體內(nèi)的物質巖藻黃質的研究發(fā)現(xiàn)，大鼠和小鼠在攝入巖藻黃質后，可導致白色脂肪組織內(nèi)的解偶聯(lián)蛋白1（ucp1）表達，而ucp1只在褐色脂肪組織中表達，褐色脂肪組織在成人體內(nèi)幾乎已不存在。對于這樣的發(fā)現(xiàn)有什么意義？,7.atp合酶的f0亞基質子通道的功能可受到二環(huán)已基碳二亞胺(dccd)對其單一側鏈基團的修飾而被阻斷.受dccd作用的最有可能的氨基酸殘基是哪些?如何使用定點突變的手段加以驗證? 8.假定你在ph7.0的無營養(yǎng)溶液中分離到一種大腸桿菌的懸液.這些細胞不能合成a

10、tp.如果你突然在溶液中加入鹽酸,使溶液ph降到4.0,那么細胞內(nèi)的atp水平會有什么變化?這種變化是暫時的還是持續(xù)的?,第二部分 代謝,分解代謝（catabolism，異化作用）或稱降解,即營養(yǎng)物或細胞組分被分解來補救它們的成份和產(chǎn)生能量。 合成代謝（anabolism，同化作用）或稱生物合成，即從簡單的成份合成生物大分子。 通常分解代謝的反應是營養(yǎng)分子的放能反應，由之釋放的自由能用來驅動像合成代謝反應、機械做功及克服濃度梯度進行分子的主動運輸?shù)瓤缒甓饶苓^程。,三羧酸循環(huán),糖,脂肪,氨基酸,丙酮酸,乙酰coa,草酰乙酸,戊糖磷酸途徑(提供nadph),糖酵解,乙醛酸循環(huán),糖異生,脂肪酸合成,

11、脂肪酸分解,糖酵解與糖異生三個不可逆反應 (1) 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖,已糖激酶催化 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖,葡萄糖6-磷酸酶催化 (2)果糖-6-磷酸 果糖-1,6-二磷酸,磷酸果糖激酶催化 果糖-1,6-二磷酸 果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸酶催化 (3)磷酸稀醇式丙酮酸 丙酮酸,丙酮酸激酶催化 丙酮酸 草酰乙酸 蘋果酸 磷酸稀醇式丙酮酸, 分別由丙酮酸羧化酶,磷酸稀醇式丙酮酸羧激酶催化.,糖酵解與糖異生的調(diào)節(jié)作用,當葡萄糖缺乏時,血液中的胰高血糖素啟動環(huán)-amp的級聯(lián)效應使果糖二磷酸酶激活,而使磷酸果糖激酶-2受到抑制,結果使果糖2,6二磷酸減少,反之.葡萄糖過剩,果糖2,6二磷

12、酸含量上升,使糖酵解加速而使糖異生作用減弱. atp,amp,檸檬酸對兩個途徑的調(diào)節(jié),（2）乙醛酸循環(huán)三羧酸循環(huán)支路,三羧酸循環(huán)在異檸檬酸與蘋果酸間搭了一條捷徑。（省了6步）,異檸檬酸,檸檬酸,琥珀酸,蘋果酸,草酰乙酸,coash,三羧酸循環(huán),乙酰coa,只有一些植物和微生物有這樣的途徑；,異檸檬酸裂解酶,蘋果酸合成酶,這種途徑對于植物和微生物意義重大！,兩分子乙酰coa只產(chǎn)生2分子nadh和1分子fadh2，意義不在于產(chǎn)能，在于生存。 .種子發(fā)芽,糖異生,油類植物種子中的油,脂代謝,糖,乙醛酸循環(huán),草酰乙酸,乙酰coa,原始細菌生存,乙酸菌 以乙酸為主要食物的細菌 （物質循環(huán)中的重要一環(huán)）,

13、生存,四碳、六碳化合物,轉化,分解三個酶:糖原磷酸化酶,糖原脫支酶,磷酸葡萄糖變位酶,葡萄糖-6-磷酸酶 合成三個酶:udp-葡萄糖焦磷酸化酶,糖原合酶,糖原分支酶,磷酸葡萄糖變位酶,葡萄糖-6-磷酸,三羧酸循環(huán),磷酸戊糖途徑,糖原合成,糖代謝習題,1.如果用14c標記葡萄糖的1或者3或者5位碳,將該標記的葡萄糖加入酵母系統(tǒng),產(chǎn)生乙醇和co2,問產(chǎn)物的哪個碳原子被標記? 2.用14c標記甘油醛-3-磷酸的一個碳原子,并加入到酵母提取液中.短時間溫育后,果糖-1,6-二磷酸的c-3和c-4位含有14c標記.試問14c最初標記在甘油醛-3-磷酸的什么部位?果糖-1,6-二磷酸的第二個標記從哪兒獲得

14、?,3.假如你把甲基標記的丙酮酸加入到線粒體制劑,它轉變成乙酰-coa進入檸檬酸循環(huán)中.(1)在第一輪循環(huán)后,14c標記將出現(xiàn)在草酰乙酸的什么部位?(2)在第二輪循環(huán)后,14c標記將出現(xiàn)在草酰乙酸的什么部位?(3)這個標記的碳經(jīng)過多少輪循環(huán)才能將同位素以14co2的形式釋放出來? 4.雖然動物不能從乙酰coa合成糖,但是,如果用14c標記的乙酸喂養(yǎng)大鼠, 14c標記會出現(xiàn)在從它的肌肉中抽提的糖原分子中,請解釋.,5.在厭氧條件下,肌肉中進行糖酵解為什么必須將丙酮酸還原為乳酸? 6.假設你發(fā)現(xiàn)了一株突變酵母,其糖酵解途徑比野生型少一步,因為其存在一種新的酶可以直接催化3-磷酸甘油醛+h2o+na

15、d+3-磷酸甘油酸+nadh+h+,這對該酵母在有氧和無氧情況下的生存和atp的合成造成什么影響? 7.已知酵母無細胞抽提物含有酒精發(fā)酵所需要的全部酶,把這種抽提物加入到100ml含有200mmol.l-1的葡萄糖,30mmol.l-1的adp,40mmol.l-1的atp,2mmol.l-1的nadh, 2mmol.l-1的nad+,以及20mmol.l-1的pi介質中,在無氧下保溫.,(1)假定酒精只要一經(jīng)形成就從保溫介質中移走,那么能形成的最大酒精量是多少? (2)一旦介質達到題(1)中所產(chǎn)生的酒精量后,下述哪種變化最可能允許最大限度地產(chǎn)生酒精?(a)使介質中的葡萄糖濃度加倍(b)加入2

16、0mmol.l-1的甘油醛-3-磷酸(c)加入20mmol.l-1的丙酮酸(d)加入atpase (3)在發(fā)生(2)的變化后,能形成的最大酒精量是多少? 8.當14c-1標記的葡萄糖和14c-2標記的葡萄糖分別加入到乳腺抽提物中時,從14c-1標記的葡萄糖釋放出14co2的速度比從14c-2標記的葡萄糖釋放出14co2的速度快.相反,肌肉組織抽提物當以14c-1標記的葡萄糖作底物時, 14co2釋放的速度則慢,解釋此現(xiàn)象?,9.碘乙酸胺是有效的巰基烷化劑,能抑制糖酵解途徑的特定步驟,寫出該物質所抑制的反應,包括酶和輔酶,并說明抑制原因. 10.比較3分子的葡萄糖經(jīng)糖酵解轉變?yōu)楸岙a(chǎn)生的atp

17、數(shù)與同樣數(shù)量的葡萄糖進入磷酸戊糖途徑后再進入糖酵解途徑所產(chǎn)生的atp數(shù). 11.一分子葡萄糖完全氧化可產(chǎn)生多atp,若該葡萄糖在它被分解代謝之前以糖原儲,其后又被降解用于氧化產(chǎn)生atp,可產(chǎn)生多少atp? 12.(1)由葡萄糖-6-磷酸合成糖原所需要的能量比當糖原降解為葡萄糖-6-磷酸所需的能量多嗎?(2)當肌肉運動時,肌肉和肝臟的糖原轉變?yōu)槠咸烟堑拇x物,為肌肉提供atp,肝糖原和肌糖原能提供一樣多的atp嗎?,13.試比較一個人在靜止休息時和在作長距離運動時,骨骼肌對丙酮酸的利用. 14.e.coli能生長在以乙酸作為唯一碳源的培養(yǎng)基中,試說明原因,另外, 一個e.coli突變株不能生長在以乙酸為唯一碳源的介質中,但在含有丙酮酸的介質中能生長,推測該突變株中缺乏哪一種酶? 15.腳氣病是由于膳食中缺少維生素b1所引起的,病人血液中丙酮酸和-酮戊二酸水平增高,為什么? 16.如果把32pi加入到正在進行糖酵解的無細胞肝臟制劑中，這種標記物會參入到糖酵解的中間產(chǎn)物中嗎？,17.有一位患者在短暫的禁食后患低血糖癥,他不能進行長時間的運動.患者的肌糖原是正常的,但他的肝糖原比正常人要高很多.盡管它的結構似乎是正常