能量与代谢

1、4.1 生物体的能量,生命活动需要能量,代谢是化学物质和能量的转化过程,生命的存在要靠能量,生物本身不能创造新的能量。几乎所有地球生命所需要的能量都来自太阳。 自养生物与异养生物 生态系统中能量的流动是由多样化的生命过程完成的,4.2 细胞的能量通货ATP,在活细胞中，能量贮存在腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)中,ATP,ATP水解时，一个高能磷酸键断裂同时释放出能量 ATP+H2O ADP+Pi G = -30.5 KJ/mol,NH2,发光细胞有荧光素酶（E-LH），酶促反应使ATP与E-LH先偶联，偶联的高能中间产物ELH2-AMP在氧气存在时可释放出能量，并以荧光的形式发射出来： ATP+E-LH ELH2-AMP + Pi ELH2-AMP+O2 E-P+CO2+h,仲夏的夜晚萤火虫如何利用ATP来发光？,4.3 生物代谢,活细胞是一个微小的化学工业园,在极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应 代谢是生物体内所有化学反应过程的总称 代谢酶控制下的化学反应和能量转化 细胞不是一个装满了各种酶和底物的口袋 细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间和时间，使它们高度有序并可以

2、被控制和调节。,热力学原理只能帮助我们预测一个反应能否发生，却不能告诉我们反应的速度有多快 酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂 绝大多数的酶都是蛋白质 酶在常温、常压、中性pH的温和条件下具有很高的催化效率,4.4 酶促反应,酶是具有催化作用的蛋白质,化学键 能障 活化能,酶的催化作用机理,酶可以降低活化一个反应所需要的能量,酶 + 底物 酶-底物复合物 酶 + 产物 E + S E-S E + P,酶与底物结合降低反应的活化能,特殊的三维空间结构和构象 酶的活性位点或酶的活性中心 钥匙和锁 诱导契合 酶的活性位点“柔性学说”,酶的特异性（专一性）,4.5 影响酶活性的因素,温度的影响,辅助因子的作用,无机金属离子辅助因子 有机化合物辅酶递H+或递电子,NADP+和FAD的递H+和递电子作用,酶的抑制剂,可逆与不可逆抑制剂 竞争性与非竞争性抑制剂,反馈抑制,酶促反应在细胞中往往不是独立发生的 在代谢过程中局部反应对催化该反应的酶所起的抑制作用，称为反馈抑制 细胞自行调节其代谢的一种机制 维持细胞稳态的重要机制,青霉素结合在转肽酶的活性部位，抑制转肽酶的活性，阻止了肽聚糖的进一步合

3、成，所以青霉素的抗菌作用就是抑制了细菌细胞壁合成中的一步反应。 人没有与青霉素专一结合的酶，所以青霉素对人没有毒性，可以用于临床治疗，但青霉素的副反应要引起人们的高度重视。 对青霉素有抗性的细菌是由于它们中含有-内酰胺酶（青霉素酶），该酶可以催化青霉素的-内酰胺环开环，导致青霉素失活。编码-内酰胺酶的基因一般是位于抗性细菌的质粒中。,仅有少部分酶只有蛋白成分就能表现出活性, 许多酶表现活性除了需要蛋白部分以外还需要辅助因子，两者合起来才称为全酶。 辅助因子: 一类是金属离子（例如镁、铁等一些金属离子）， 一类是称为辅酶或辅基的有机化合物。 功能: 有些辅酶或辅基可转移氢或电子，有些辅酶或辅基可以转移大的、共价连接的化学基团。,4.6 辅酶与维生素概论,在动物细胞内，许多辅酶或辅基是由称为B族维生素的前体合成的。 维生素是包括人在内的动物的营养物质，必须由食物供给。 当人的饮食中缺乏维生素时，将导致营养缺陷疾病，如坏血病、脚气病或糙皮病。,1、维生素的概念与分类(vitamin 维他命) 维生素是一类参与生物生长发育和代谢所必需的一类微量有机物质。每日需要量极少，绝大部分维生素是作为酶的

4、辅酶或辅基成分参与物质代谢过程，机体缺乏维生素时会发生代谢障碍，引起维生素缺乏症，如缺乏VB1会患脚气病。,维生素分为两类：脂溶性维生素和水溶性维生素。 脂溶性维生素与脂肪类似，被淋巴组织吸收，依靠各种蛋白质载体在血液中进行运输。脂溶性维生素可以与其它脂一起贮存在脂肪组织，由于可以贮存，所以其中某些维生素可积累到毒性浓度。 水溶性维生素一般可直接吸收进入血液中，自由地进行转移。多数都不能在组织中大量贮存，反之过量的部分会通过尿液排出。每天必须补充. 水溶性维生素直接产生的毒性危险不象脂溶性维生素那样大，当然高剂量情况除外。,维生素分类,脂溶性维生素,水溶性维生素,维生素A 维生素D 维生素E 维生素K,B 族维生素 硫胺素（B1） 核黄素（B2） 尼克酸 叶酸 维生素B12 维生素B6 生物素 泛酸（B3）,维生素C,2 维生素 C,维生素C又称之为抗坏血酸，普遍存在于蔬菜和水果中。人、猴和豚鼠由于肝脏中缺少古洛内酯氧化酶，因此不能在体内合成维生素C，必须要从食物中获得。缺少维生素C会导致坏血病，表现为毛细管脆弱，皮肤出现小血斑，牙龈出血，牙齿松动等。,维生素C（活性形式）,维生素C（

5、氧化型无活性）,在小肠中，维生素C可以保护铁不被氧化，由此促进铁的吸收。 在血液中，维生素C可以保护血液的敏感成分不被氧化，同时有助于保护维生素E。 维生素C的抗氧化作用成为人们广泛研究的焦点，尤其是它与疾病防治的关系。然而在试管实验中，高浓度的维生素C却具有相反的作用，完全象一个促氧化剂。人体内是否也发生这种现象，如果有会对健康造成什么影响，对于这些问题，至今尚无定论。,A. 维生素A 维生素A是一个15碳的脂类分子，可由饮食中30碳的-胡萝卜素通过酶促氧化切割得到，或是直接从肝脏、蛋黄或奶制品中获得。 实际上存在着三种类型的维生素A：视黄醇、视黄醛和视黄酸。,3.脂溶性维生素,视黄醛是视紫红质的辅基，视紫红质是一个膜结合蛋白，它是由多肽视蛋白和视黄醛组成的。 （1） cis（顺式）视黄醛与视蛋白结合， （2）当cis视黄醛吸收光后，异构化为trans（反式）视黄醛（前视紫红质）， （3）引起视紫红质的构象发生变化，变成变视紫红质，构象的变化启动了对大脑的神经脉冲，引起视觉的级联反应。 （4）变视紫红质解离为视蛋白和全反式视黄醛， （5）为了完成反应循环，视黄醛异构酶催化cis视黄醛

6、的再生。 如果维生素A供应不足，将导致视紫红质恢复的延缓和暗视觉的障碍，这就是夜盲症的病因所在。,B. 维生素 D 维生素D包括维生素D2（麦角钙化醇）和D3（胆钙化醇）。缺乏维生素D：佝偻病（儿童）和软骨病（成人），因为磷酸钙不能在骨骼的胶原基质中形成合适的结晶，所以导致骨质疏松。当一个哺乳动物暴露于充足的阳光下，维生素D3在皮肤内由7-脱氢胆固醇非酶催化(紫外线激活)就可形成。 维生素D的活性形式1,25-二羟胆钙化醇是通过两步羟化反应由维生素D3形成的。,C. 维生素 E 维生素E（-生育酚）是一组密切关系的生育酚家族中的一员，含有一个含氧的双环系统，环上带有一个疏水的侧链。 维生素E的主要功能是作为抗氧化剂，可以防止生物膜中的脂肪酸受损伤。一般很少会出现生物素E缺乏，但如果缺乏可导致人的红细胞的脆化以及大鼠的不孕症。,D. 维生素K 维生素K（叶绿醌）是来自植物的一种维生素，是羧化酶的辅助因子，该酶催化凝血酶原上特殊的谷氨酸残基转化为-羧基谷氨酸残基。,-羧基谷氨酸成分起着Ca2+螯合剂的作用。钙与凝固蛋白的-羧基谷氨酸残基结合使得这些蛋白粘附在血小板的表面上，在表面上会发生许

7、多血液凝固级联反应。 维生素K有促进凝血功能，故称凝血维生素。,生活常识：新鲜蔬菜、水果与人体健康 我们日常的生活中，离不了蔬菜，水果，但很少有人注意到常见的蔬菜和水果各含有那些营养成分，每种蔬菜和水果所含的营养成分各有所异，必须均衡搭配各种食物，不宜偏爱或偏弃某些种类(包括动物性的食品)。 蔬菜和水果含有人体非常需要的营养物质，如维生素、纤维素、有机酸、碳水化合物、蛋白质、矿物质、脂类等物质。,尤其是维生素，蔬菜和水果是主要的供给源。其中维生素C是人体内不能合成的，需要从食物(特别是蔬菜和水果)中获得。健康人每天需要70150mg。而蔬菜和水果中维生素C的含量因种类不同而有很大的差别(以100g鲜重含mg数为计算单位)，如红辣椒250，芹菜150，花椰菜70，芥菜65，橙54，菠菜50，番茄25，茄子15，柿13，香蕉11，南瓜8，苹果7，西瓜7，李子5，葡萄3。,若人体缺乏维生素C，会使大脑产生松驰或紧缩，及神经管发生变性。维生素C是一种强抗氧化剂，可防止血液中起氧化反应。氧化反应可使脂肪、遗传基因和蛋白受到损伤，而导致心血管病和癌症等许多疾病。维生素C可增加人体的免疫反应，提高机

8、体的防卫抗癌效率。 果蔬中还含有B族维生素、维生素E等，都对人体健康起着重要作用。,果蔬中含有丰富的纤维素，它们是植物细胞壁的组成成分，不为人体所消化，仅在肠道中通过，因为人体不能分泌出使食物纤维分解的酶。但它在消化上起有益的作用，是一种肠壁的机械刺激剂，可增强肠子的蠕动，使食物向前推动，并带走肠道中多余和有毒的物质(环芳烃、霉菌素素、亚硝胺)，防止它们过长时间停留在肠中对肠壁产生侵害作用，常被比喻为肠道的“清道夫”。纤维素具有较大的吸水力，在肠道形成胶状体，使人体排泄物含水量增加和软化，可减轻便秘，减少肠癌的发病率(直肠癌的发病率与食物纤维的摄入量有密切的关系)。多食用含有高纤维的果蔬还可起到防治糖尿病及胆结石的作用。,生命活动需要能量，代谢是发生在生物体内的化学物质和能量的转化过程。生命依靠不断地输入能量维持高度有序的整体。光能自养生物依赖于光合作用、异养生物依赖消耗有机质来补充能量。ATP是细胞的能量通货，生物体内放能反应与ATP的合成相偶联，吸能反应与ATP的分解相偶联。 酶是具有催化作用的蛋白质，它可以降低活化一个反应所需要的能量，在常温常压下催化生物化学反应。酶具有特异性，酶的特异性在于酶的活性中心与底物的特殊匹配关系。影响酶活性的主要因素包括温度、pH、抑制剂等。最终产物的反馈抑制可防止细胞生成超过其需要的多余产物。 代谢是生物体内所有化学反应过程的总称，细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间和时间，使它们高度有序并可以被控制和调节。伟大的生物学家Pasteur用令人信服的实验证明了酵母菌在葡萄酒发酵中的基本作用。,本章摘要,

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