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2009奥赛讲座(生物化学)(镇江)


欢迎各位同学和老师参加 2009年生物学奥赛讲座!

生物化学引言
?什么是生物化学? 生物(Bio)+ 化学(Chemistry) = 生物化学 ( Biochemistry) ?学习生物化学的目的: 在分子水平上研究细胞的结构、组织和功能 (1) 结构生物化学 (2) 代谢生物化学 (3) 分子遗传学 ?生物化学的应用——无处不在的生物化学

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如何学好生物化学?
?不要畏惧!要有信心! ?选择好教材和参考书 ?懂得助记法 ?理论联系实际 ?多理解、少死记! ?善于联想和比较

必需氨基酸PK非必需氨基酸

必需氨基酸是指人体必不可少,而机体内又不能合成、必须 从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们,就会影 响健康。 余下的氨基酸则属于非必需氨基酸,动物体自身可以进行有 效的合成

笨(苯丙氨酸)蛋(蛋氨酸)精(精氨酸)来 (赖氨酸)宿(苏氨酸)舍(色氨酸)住(组氨 酸)亮(亮氨酸)凉(异亮氨酸)鞋(缬氨酸)

三羧酸循环总结
草酰乙酸→柠檬酸→顺乌头酸→异柠檬酸→ 草酰琥珀酸→ α-酮戊二酸→琥珀酰辅酶A → 琥珀酸→延胡索酸→苹果酸

吵, 您顺意吵,(吵得)铜壶呼盐瓶!

糖酵解途径

糖酵解概述
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发生在所有的活细胞 位于细胞液 共有十步反应组成——在所有的细 胞都相同,但速率不同。 两个阶段: i) 第一个阶段——投资阶段或引发阶 段: 葡萄糖 →F-1,6-2P →2G-3-P ii) 第二个阶段——获利阶段:产生2 丙酮酸+2ATP 丙酮酸的三种命运

糖酵解的两阶段反应

糖酵解
A. 能量投资阶段:
葡萄糖 (6C) 2ATP
2 ATP - 消化 0 ATP - 产生 0 NADH - 产生

C-C-C-C-C-C

2ADP + P
甘油醛-3磷酸 (2 - 3C) (G3P 或GAP) C-C-C C-C-C

糖酵解
B. 能量收获阶段:
GAP GAP

甘油醛-3-磷酸 (2 - 3C) (G3P 或 GAP) 4ADP + P
0 ATP - 消耗 4 ATP - 产生 2 NADH - 产生

C-C-C C-C-C

4ATP

丙酮酸 (2 - 3C) (PYR)

C-C-C C-C-C (PYR) (PYR)

糖酵解的全部反应

糖酵解第一阶段的反应
第一步反应——葡萄糖的磷酸化
? 己糖激酶或葡萄糖激酶

? 引发反应——ATP被消耗,以便后面得到更多

的ATP ? ATP的消耗是葡萄糖的磷酸化能够自发地进行

葡萄糖在细胞内磷酸化以后不能再离开细胞

反应2: 磷酸葡糖异构酶
葡糖-6-磷酸转变成果糖-6-磷酸
?这是一步异构化反应,反应的机制牵 涉到不稳定的烯二醇中间体。通过此 反应,酮基从1号位变到2号,这既为 下一步磷酸化反应创造了条件,也有 利于后面由醛缩酶催化的C-3和C-4之 间的断裂反应。

反应3: 磷酸果糖激酶
是糖酵解的限速步骤!
糖酵解第二次引发反应 ? 有大的自由能降低,受到高度的调控
?

反应4: 醛缩酶
C6 被切成 2 C3 ,为什么叫醛缩酶?

反应5: 磷酸丙糖异构酶(TIM)
磷酸二羟丙酮转变成甘油醛-3-磷酸
?为什么需要这一步反应?因为酮难以氧化。

糖酵解-第二个阶段的反应
产生4 ATP
?导致糖酵解净产生2ATP ?涉及两个高能磷酸化合物
? .

– 1,3 BPG – PEP

反应6: 甘油醛-3-磷酸脱氢酶
甘油醛-3-磷酸被氧化成甘油酸-1,3-二磷酸
?这是整个糖酵解途径唯一的一步氧化还原 反应 ?产生1,3-BPG和NADH 。

反应7: 磷酸甘油酸激酶
从高能磷酸化合物合成ATP
?这是一步底物水平的磷酸化反应

反应8: 磷酸甘油酸变位酶
磷酸基团从 C-3转移到C-2

反应9: 烯醇化酶
甘油酸-2-磷酸转变成 PEP
?烯醇化酶的作用在于促进甘油酸-2-磷酸 上某些原子的重排从而形成具有较高的 磷酸转移势能的高能分子。

反应10: 丙酮酸激酶
PEP转化成丙酮酸,同时产生 ATP ?产生两个ATP,可被视为糖酵解途径最后的 能量回报。

NADH和丙酮酸的去向
有氧还是无氧??
? 在有氧状态下NADH和丙酮酸的命运 (1)NADH的命运 NADH在呼吸链被彻底氧化成H2O并产生更多的ATP。 (2)丙酮酸的命运 丙酮酸经过线粒体内膜上丙酮酸运输体与质子一起进入 线粒体基质,被基质内的丙酮酸脱氢酶系氧化成乙酰CoA ? 在缺氧状态或无氧状态下NADH和丙酮酸的命运 (1)乳酸发酵 (2)酒精发酵

线粒体内膜上的甘油-3-磷酸和苹果酸-天冬氨酸穿梭系统

丙酮酸的代谢去向

原核细胞和真核细胞大比较

细胞的基本共性
?所有的细胞表面均有由磷脂双分子层与镶嵌
蛋白质构成的生物膜,即细胞膜。

?所有的细胞都含有两种核酸:即DNA与RNA
作为遗传信息复制与转录的载体。

?作为蛋白质合成的机器─核糖体,毫无例外地
存在于一切细胞内。

?所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂。

原核生物与真核生物
?真细菌

?古菌

?真核生物

原核细胞
基本特点:

?遗传的信息量小,遗传信息载体仅由一个环状DNA构成;
细胞内没有分化为以膜为基础的具有专门结构与功能 的细胞器和细胞核膜。 主要代表: ?支原体——目前发现的最小最简单的细胞;

Mycoplasm laboratorium
?细菌 ?蓝藻又称蓝细菌(Cyanobacteria)

真核细胞
?真核细胞的基本结构体系 ?细胞的大小及其分析

?原核细胞与真核细胞的比较

真核细胞的基本结构体系
?以脂质及蛋白质成分为基础的生物膜结构系统;

?以核酸(DNA或RNA)与蛋白质为主要成分的遗传信息表达系统

?由特异蛋白分子装配构成的细胞骨架系统。

原核细胞与真核细胞的比较
?原核细胞与真核细胞基本特征的比较
?原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表 达的比较

原核细胞与真核细胞基本特征的比较
特 征 细胞膜 核膜 染色体 原核细胞 有(多功能性) 无 由一个环状 DNA 分子构成的单个染色 体,DNA 不与或很少与蛋白质结合 核仁 线粒体 内质网 高尔基体 溶酶体 核糖体 光合作用结构 无 无 无 无 无 70S(包括 50S 与 30S 的大小亚单位) 蓝藻含有叶绿素 a 的膜层结构,细菌 具有菌色素 核外 DNA 细胞壁 细菌具有裸露的质粒 DNA 主要成分是氨基糖与壁酸 线粒体 DNA,叶绿体 DNA 动物细胞无细胞壁,植物细胞壁的主要成分为纤维素与 果胶 细胞骨架 细胞增殖(分裂)方式 无 无丝分裂(直接分裂) 有 以有丝分裂(间接分裂)为主 有 有 有 有 有 80S(包括 60S 与 40S 的大小亚单位) 植物叶绿体具有叶绿素 a 与 b 真核细胞 有 有 2 个染色体以上,染色体由线状 DNA 与蛋白质组成

原核细胞与真核细胞的遗传结构装置和基因表达的比较
特征 DNA 量(信息量) DNA 分子数 DNA 分子结构 基因组数 基因数 大量“多余”的“重复”的 DNA 序列 基因中插入内含子 DNA 与组蛋白结合 DNA 与组蛋白以核小体及各 级高级结构构成染色质与染色体 DNA 复制的明显周期性 基因表达的调控 转录与翻译的时空关系 — 主要以操纵子方式 转录与翻译同时同地进行 十 复杂性,多层次性 核内转录,细胞质内翻译 严格的阶段性与区域性 转录后与翻译后大分子的加 工与修饰 细胞复制与分裂(DNA 传递 与分配) 无丝分裂 有丝分裂,减数分裂 — 十 — 不与或与少量类组蛋白结合 — 十 与 5 种组蛋白结合 十 原核细胞 少 1 环状 1n 几千 — 多 2 个以上 线状 2n,多 n 大于几万,十万 十 真核细胞

原核细胞与真核细胞 在DNA复制上的差别
原核细胞
核小体和染色质结构 对复制的影响 复制起始区的数目 复制叉前进的速度 冈崎片端的长度 引物切除 复制时间 第一轮复制结束之前 能否进行下一轮复制 端聚酶 无 1个 快 长

真核细胞
有 多个 慢 短

DNA聚合酶的3′-外切 核糖核酸酶H或其他 酶活性 核糖核酸酶 可一直在复制 可以 无 限制在S期 否 有

原核细胞与真核细胞 在DNA转录上的差别
原核细胞
核小体和染色质结构 对转录的影响
启动子结构 RNA聚合酶 转录因子 识别启动子的蛋白质

真核细胞

复杂 细胞核有三种 多种 特殊的转录因子


简单 一种 缺乏 RNA聚合酶本身

启动子以外的与转录 有关的DNA序列
操纵子结构 转录与翻译之间的偶 联关系 转录产物性质


普遍 存在 多为多顺反子

繁多
少见 不存在 多为单顺反子

原核细胞与真核细胞 在转录后加工上的差别
原核细胞
mRNA前体的后加工 几乎没有

真核细胞
非常复杂,包括加帽、 加尾、剪接、内部甲 基化和编辑 一般需要添加CCA 需要snoRNA

tRNA的后加工 rRNA的后加工

一般不需要添加CCA 不需要snoRNA

原核细胞与真核细胞 在翻译上的差别
原核细胞
核糖体 与转录的偶联关系 起始tRNA是否甲酰化 起始密码子的识别
起始阶段对ATP的需要 起始因子的种类 延伸因子 核糖体释放因子 对抑制剂的敏感性

真核细胞
80S(60S+40S) 无 否 扫描或内部进入
需要 10多种 2种 无 对抗生素不敏感

70S(50S+30S) 存在 是 SD序列与反SD序列的 相互作用
不需要 3种 3种 有 对许多抗生素敏感

原核细胞与真核细胞 在基因表达调控机制上的差别
原核细胞
调控的目的
调控的方式 调控的主要水平 染色质水平调节基因表 达

真核细胞
细胞分化
主要是正调控 转录+其他水平 存在,非常重要 阻止基因的表达 少见 无 选择性剪接、选择性加 尾、编辑

对环境的变化做出反应
主要是负调控 转录 无

DNA甲基化对基因表达 无 的影响 操纵子 弱化子 转录后加工水平的调控 普遍 存在 缺乏

RNAi在翻译水平的调控 无




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