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1、第十九章 代谢总论,A metabolic map,By D.E.Nicholson,University of Leeds,U.K.,新陈代谢图示,主要内容,分解代谢与合成代谢高能化合物在新陈代谢中的重要作用新陈代谢的调节代谢中常见的有机反应机制代谢的研究方法,几个概念,新陈代谢 营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢代谢中间产物 代谢过程中连续转变的酶促产物中间代谢 新陈代谢途径中的个别环节、个别步骤主要代谢途径 代谢网络中一些具有共同规律的途径,The metabolic map as a set of dots and lines,By B.Alberts,1.分解代谢与
2、合成代谢,分解代谢 catabolism 有机营养物通过一系列反应步骤转变成小的，简单的物质的过程，总体来看，分解代谢的终产物是CO2、NH3、和水，同时伴随着大量化学能被释放出来，所以分解代谢又叫产能代谢。合成代谢 anabolism or biosynthesis 是生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程，属于 耗能代谢,Parallel pathways of catabolism and anabolism must differ in at least one metabolic step in order that they can be regulated in
3、dependently.,同一种物质其分解代谢与合成代谢的途径一般是不相同的，这使得生物机体增加了体内化学反应的数量并使代谢调控具有更大的灵活性与应变性。,分解代谢与合成代谢,生物机体的分解代谢与合成代谢是同时发生的，但在细胞的不同部位进行。这称为区室化-compartmentation,区室化通过几种方式影响代谢反应。在真核生物中，区室化将整个代谢途径完全分隔在特定的亚细胞区域。将降解和合成途径分开有许多优越性，最主要的是可以避免两个方向相反的反应彼此会部分或完全抵消。区室化通过区室的通透特性也可以调节酶促反应，通过区室膜有选择的通透（或转运）可以调控底物进入区室和从区室输出产物，因为区室内
4、底物和产物的相对浓度转而影响酶促反应。另外区室化与影响代谢物跨细胞膜或亚细胞膜转运的激素的作用紧密相连。在哺乳动物中，不同的区室之间都是通过复杂的方式联系在一起的。,分解代谢与合成代谢,分解代谢与合成代谢,区室化的实验验证,分解代谢与合成代谢,Compartmentalization of glycolysis,the citric acid cycle,and oxidative phosphorylation,2.高能化合物在新陈代谢中的重要作用,热力学原理是代谢研究的基础，吉布斯自由能是生物化学中的主要热力学函数偶联化学反应标准自由能变化是可加和的。其意义在于一个热力学上不利的反应可以被
5、热力学有利的反应所驱动。A B+C G=+5 Kcal/molB D G=-8 Kcal/molA C+D G=-3 Kcal/mol,高能化合物：水解后可释放出大量能量的化合物，G-5 Kcal/mol。1、高能磷酸化合物：将高能量储存在磷酯键中的化合物，其磷酯键用“”表示，区别于“”。2、其它高能化合物：乙酰CoA、NADH、NADPH、FADH2,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,在分解代谢中起捕获和贮藏能量的是ATP（腺嘌呤核苷三磷酸或腺苷三磷酸）ATP中有二个高能磷酸键,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺的反应是ATP的自由能
6、驱动的,能够直接供能的核苷酸类分子除ATP外还有GTP（鸟苷三磷酸）UTP（尿苷三磷酸）和CTP（胞苷三磷酸）,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,储备高能磷酸的分子称之磷酸原(phosphagens)，例如在动物肌肉细胞中发现的磷酸肌酸和磷酸精氨酸，在脊椎动物的肌肉中，大量的磷酸肌酸是在ATP供应充足时生成的。在静止的肌肉中，磷酸肌酸的浓度大约是ATP的5倍。当需要ATP时，肌酸激酶催化激活的磷酰基团从磷酸肌酸转移给ADP，快速地补充ATP。在许多无脊椎动物（例如软体动物和节肢动物）中，磷酸精氨酸是激活的磷酰基团的来源。,辅酶I（NAD）和辅酶II（NADP）
7、以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成需能反应。在标准条件下，NADH氧化所释放出的能量是-220 KJ/mol，足可以驱动几个ATP分子的形成。,尼克酰胺,腺嘌呤核苷,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）在呼吸链中起传递H和电子的作用。,FAD,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,辅酶A（coenzyme A）它由腺嘌呤、D-核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和巯基乙胺组成。巯基是CoA的活性基团。它在酶促反应中主要起接受乙酰基的作用，生成乙酰辅酶A（CH3COSCoA）,CH
8、3COSCoA是一高能化合物,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,新陈代谢的调节,分子水平调节 包括反应物和产物的调节，主要是浓度和酶的调节，酶的调节主要是酶浓度和酶活性调节（变构调节、共价修饰调节）。细胞水平调节 细胞的分隔作用(Compartmentation)。整体水平调节 多细胞生物的调节。主要有激素调节、神经调节。除此之外还有基因表达调控,代谢中常见的有机反应机制,基团转移反应氧化-还原反应消除、异构化和重排反应碳-碳键的形成或断裂反应,代谢中常见的有机反应机制,代谢中常见的有机反应机制,代谢中常见的有机反应机制,基团转移反应 亲电子基团从一个亲核体转移到另一处亲核体上，如酰基、磷酸基
9、、葡糖基的转移等。,酰基化合物-X,四面体中间产物,酰基化合物-Y,胰蛋白酶水解肽键就是一个典型例子,代谢中常见的有机反应机制,磷酰基转移反应在代谢中具有特殊意义：活化代谢中间物,代谢中常见的有机反应机制,氧化-还原反应 即电子的得失反应，在代谢中非常多，如NAD+形成NADH，FAD形成FADH2。,电子受体,电子供体,代谢中常见的有机反应机制,多数生物氧化中，化合物失去2个质子和2个电子，这些反应统称为脱氢反应，对应的酶称为脱氢酶。,代谢中常见的有机反应机制,消除、异构化和重排反应消除反应如C=C的形成；异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；分子重排反应如L-甲基丙二酰单酰辅酶A经甲基丙二酰单
10、酰辅酶A变位酶作用变成琥珀酰辅酶A。,代谢中常见的有机反应机制,消除、异构化和重排反应消除反应如C=C的形成；三种可能的机制：协同机制、正碳离子机制、负碳离子机制。,经过碳正离子的机制的醇消除反应,代谢中常见的有机反应机制,消除、异构化和重排反应2.异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；,代谢中常见的有机反应机制,消除、异构化和重排反应3.分子重排反应如L-甲基丙二酰单酰辅酶A经甲基丙二酰单酰辅酶A变位酶作用变成琥珀酰辅酶A。,代谢中常见的有机反应机制,碳-碳键的形成或断裂反应 这类反应主要有羟醛缩合反应（糖代谢中）、克莱森酯缩合反应（合成柠檬酸反应）、-酮酸的氧化脱羧（异柠檬酸脱氢酶催化的脱羧）反应,代谢中常见的有机反应机制,克莱森酯缩合反应合成柠檬酸反应,+E-His,烯醇式负碳离子,草酰乙酸,Si,S-柠檬酰CoA,柠檬酸,代谢的研究方法,一、使用酶的抑制剂,代谢的研究方法,二、同位素示踪法,代谢的研究方法,三、利用基因突变研究代谢：通过研究与某个不正常的酶有关系的基因的突变也可以提供有价值的信息，某些突变是致死的，不能传给下一代，而有些突变是后代容忍的。对这些突变的生物体的研究有助于鉴别出代谢途径中的酶和中间代谢物,代谢的研究方法,四、NMR法,
