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1、第十九章 代谢总论,1、定义,一、前言,2、新陈代谢的功能,二、分解代谢与合成代谢,三、能量代谢在新陈代谢中的重要地位,以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的，是蕴藏在化学物质中的能量转化，统称为能量代谢。在分解代谢中，起捕获和贮存能量作用的分子是腺嘌呤核苷三磷酸，简称腺苷三磷酸(即ATP)。ATP是由ADP和无机磷酸合成的。ATP、ADP和无机磷酸广泛存在于生物体的各个细胞内，起着传递能量的作用，因此又称为能量传递系统。,1、能量代谢及能量传递系统,2、ATP的生物学功能,以ATP形式贮存的自由能，概括起来可用于提供以下四方面对能量的需要：提供生物合成做化学功时所需的能量。在生物合成过
2、程中，ATP将其所携带的能量提供给大分子的结构元件，使这些元件活化，处于较高的能态，这就为进一步装配成生物大分子蛋白质等作好了准备。是生物机体活动以及肌肉收缩的能量来源。供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需的自由能。在DNA、RNA和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，ATP也以特殊方式起着递能作用。,四、辅酶I和辅酶的递能作用,由营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了通过合成ATP的途径捕获外。还有另一途径，就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应，物质氧化产生的高能位电子和脱下的氢原子通过辅酶I（NAD+)或辅酶(NADP+)传递给生物合成中需要还原力的反应
3、,其还原形式为NADH和NADPH。,1、辅酶I和辅酶的递能功能,五、FMN和FAD的递能作用,FMN(flavin mononucleotide）即黄素腺嘌呤单核苷酸，FAD(flavin adenine dinucleotide)即黄素腺嘌呤二核苷酸，它们与NAD和NADP一样是传递电子和氢原子的载体，只不过其在反应中可同时接受2个电子和2个氢原子，它们在氧化还原反应中，特别是氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用。,1、FMN和FAD的递能作用,六、辅酶A在能量代谢中的作用,1、辅酶A（coenzyme A，CoA）的结构,其中巯基是CoA的活泼基团，为了显示SH的重要性，CoA常以Co
4、ASH表示，它在酶促转乙酰的反应中，起着接受或提供乙酰基的作用。,2、高能化合物乙酰CoA,乙酰基与CoA通过硫酯键形成乙酰CoA，其可用CH3CoSCoA表示，其中的硫酯键与ATP中的高能磷酸键相似，都在水解时释放大量的自由能，其释放的自由能分别为31.38KJ/mol和30.54KJ/mol。因此，乙酰CoA具有高的乙酰基转移势能，其所带的乙酰基，不是一般的乙酰基，而是活泼的乙酰基团，正象ATP所携带的活泼磷酸基团一样。在新陈代谢中，许多物质的终产物为乙酰CoA，如葡萄糖、脂肪酸的终产物为乙酰CoA。,一般认为，代谢调节分为三个不同的水平：分子水平、细胞水平和整体水平。分子水平的调节包括反
5、应物和产物的调节。酶的调节是最基本的代谢调节，包括酶的数量调节和酶的活性调节等。酶的数量受到合成速率和降解速率的共同调节，酶的活性调节，比较普遍的机制是可逆的变构调节和共价修饰两种形式。细胞的特殊结构与酶结合在一起，使酶的作用具有严格的定位条理性，从而使代谢途径得到分割控制。整体水平的调节，包括激素的调节和神经的调节。此外，还有来自基因表达的调控作用。,七、新陈代谢的调节,八、代谢中常见的有机反应机制,代谢过程几乎都是酶促有机反应。包括酸碱催化、共价催化、金属离子催化和静电催化（electro static catalysis)生物化学中的反应大体可归纳为四类：基团转移反应、氧化反应和还原反应
6、、消除、异构化及重排反应和碳碳键的形成与断裂反应（p512自学）。,一）主要反应机制,二）生物化学中亲核基团与亲电体的相互作用,1）正碳离子和负碳离子的形成,由于C原子的电负性较H高，故C-H键断裂时一般形成负碳离子，只有当氢化离子的受体如NAD+等存在时，才形成正碳离子。,2）生物化学中常见的亲核基团,进行异裂断键的化合物可分为2类：即缺电子者和富电子者。富电子者又称为亲核基团，其持有负电荷，即未共用的电子对，与缺电子中心很易形成共价键，在生物化学中常见的亲核基团有：氨基、羟基、咪唑基及巯基等。,3）亲电体,缺电子化合物称为亲电体，它有一个未饱和的电子壳，即含有1个电负性的原子而呈正电性，在
7、生物化学中常见的亲电体有H+、羰基的碳原子（它含有一个电负性的氧原子）、阳离子亚胺和金属离子。,4）亲核基团易攻击亲电体形成新的化合物,九、新陈代谢的研究方法（自学）,（一）使用酶的抑制剂,（二）利用遗传欠缺症研究代谢途径,（三）气体测量法,（四）同位素示踪法,（五）核磁共振波谱法(NMR),生物能学是深入理解生物化学特别是生物新陈代谢规律不可缺少的基本知识，它是生物化学中涉及生活细胞转移和能量利用的基本问题。,第20章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,1、内能：是体系内部质点能量的总和，通常用符号U或E表示。2、焓：又称热焓，用符号H表示，焓是一个状态函数，它是指一个体系的内能与其全
8、部分子的压力和体积变化的总和。焓变与内能变化之间的关系可用下式表示：H=U PV（压力和体积的变化）3、熵：用符号S表示，指一个体系质点散乱无序的程度。当一个体系的质点变得更为混乱时，其熵值增加。4、自由能：凡是能够用于做功的能量即称之为自由能。,二、化学反应中自由能的变化和意义,（一）化学反应的自由能变化公式 对于：A+B C+D 的反应，其自由能变化可用下式表示：,G=H-TS,（二）标准自由能变化和化学平衡的关系,G=G0+RTln,CcDd,AaBb,1、标准自由能：是指在标准条件（反应温度25度，1个大气压，反应物和产物的浓度均为1M）下的自由能变化，此时:,当化学反应达到平衡时G0
9、，则：,G0=-RTlnKeq,（三）标准生成自由能及其应用,1、定义：标准生成自由能G0 f指在标准状态下，由稳定单质生成1mol纯化物的G0。,一些化合物的标准生成自由能,2、应用：利用标准生成自由能可以测知一个反应的标准自由能的变化，即反应产物标准自由生成能之和减去反应物标准自由生成能之和。,（四）偶联化学反应标准自由能变化的可加性及其意义,AB+C G0=+5kcal/mol(+20.92kJ/mol)B D G0=-8kcal/mol(-33.47kJ/mol)则A C+D G0=-3kcal/mol(-12.55kJ/mol),1、可加性：在相互联系的或偶联的化学反应中，这些相互联
10、系的化学反应的总的标准自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。,2、意义：一些热力学上不利的反应可由热力学上有利的反应来驱动。,（五）化学反应和自由能关系,在化学反应中,只有自由能降低,即G0,也就是反应产物的标准生成自由能大于反应物的标准生成自由能,这种反应不能自发地进行,需要由环境提供能量反应才能进行,这种反应称为需能反应.当一个反应处于平衡状态时其没有自由能的变化即其G0。热力学第二定律只提示一个化学反应的方向和限度，不预示反应过程的速率，因此对G0或0的化学反应并不等于这个反应可以自发的进行，对于许多反应还需给参加反应分子提供活化能或用催化剂如酶、来降低活化能使反应才能进行。,三、高能
11、磷酸化合物,（一）高能磷酸化合物的概念,磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时释放出大量的自由能。这类化合物为高能磷酸化合物。这些分子中的酸酐键，能释放出大量自由能。Fritz Lipman 称之为“高能键”并用符号“”表示，一般来讲水解时释放20.92KJ以上自由能的键为高能键。其与化学中的键能含义不一样，前者指该键水解时所释放的能量，而后者是指断裂一个化学键所需的能量。,（二）高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型,生物体高能化合物的类型很多，不只是高能磷酸化合物，根据其键型的特点，可归纳为以下几种类型即 磷氧键型（OP）氮磷键型（如胍基磷酸化合
12、物）硫酯键型（活性硫酸基）甲硫键型（活性甲硫氨酸）。,1.磷氧键型（OP）,(1)酰基磷酸化合物（acyl phosphate）,CH3COPO,O,O,O,乙酰磷酸（acetyl phosphate）,1,3二磷酸甘油酸（1，3bisphosphoglycerate）,COPOHCOHCH2O-P-O-,O,O,O,O,O,氨甲酰磷酸（carbamyl phosphate）,H3NCOPO,O,O,O,酰基腺苷酸（acyl adenylate）,RCOPO腺苷,O,O,O,氨酰腺苷酸（aminoacyl adenyulate）,RCCOPO腺苷,+NH3,O,(2)焦磷酸化合物,焦磷酸,二磷
13、酸腺苷,-O-POP-O,-O-POP-O-腺苷,（3）烯醇式磷酸化合物.如磷酸烯醇式丙酮酸,C-OP-O-,CH2,COO-,2.氮磷键型如胍基磷酸化合物,（1）磷酸肌酸（phosphocreatine或creatine phophate）,HNPO OCNH2+NCH3CH2COO,O,（2）磷酸精氨酸（arginine phosphate）,HNPO O CNH2+NH（CH2）3 HCNH3 COO-,O,4.甲硫键型活性甲硫氨酸（Sadenosylmethionine）,COO HCNH3 CH2 CH2 H3CS腺苷,S腺苷甲硫氨酸,上述高能化合物中含磷酸基团的占绝大多数，但并不是
14、所以含磷酸基团的化合物都是高能磷酸化合物，如葡萄糖6磷酸、甘油磷脂等化合物，水解时每摩尔只能释放出4.18412.55KJ,而上述高能化合物都含有特定的容易水解的键型，这些化合物的水解产物都含有很少的自由能，故其都含有很高的基团转移势能。,（三）ATP的结构特性,1、ATP的结构,2、磷酸基团形成的磷酸键为何为“高能键”,经考察证明，磷酸基团与腺苷酸直接相连的磷酯键和、磷酸基团所形成的“高能键”之间，从电子特性上看，并没有什么特殊之处，但为何其却如此容易水解并释放大量的自由能呢？其原因如下：,1）腺苷三磷酸中的酸酐键的共稳定性小于磷酯键型；,这是因为磷酸基团的酸酐键缺失的两个电子和它相邻的氧桥
15、争夺电子而引起电子的转移，致使磷原子缺失2个电子，这时在两个磷原子之间的氧原子上的价电子就受到磷原子的争夺而使氧桥的稳定性降低甚至断裂,而磷酯键中不存在电子争夺的现象。,ROPOPO 或 ROPOPO,HOH,ROPOH+-OPO,O,O,O,O,O,O-,O-,O-,O-,O,酸酐键和氧桥的氧原子之间的电子转移情况,O-,O-,2)造成酸酐键不稳定的另一个重要因素是磷酸基团之间相邻的负电荷之间相互排斥，在生物机体的pH条件下，ATP分子内有4个负电荷（ATP4-），这4个负电荷在空间上相距很近，它们之间的相互排斥促使ATP的磷酸基团易于水解，当ATP 末端磷酰基脱落后，形成ADP3-和HPO
16、42-，该两种产物其中某些电子所处的位置和在ATP中相比，都具有最低能量的构象形式，符合化学反应的热力学原理。,总之，使ATP容易水解并释放大量自由能的因素，一种是导致反应物不稳定的因素，另一种是导致产物稳定的因素即主要取决于分子内的静电斥力和形成产物的共振稳定化作用。,（四）ATP在能量转运中的地位和作用,1、地位：与其它高能磷酸化合物相比，ATP的G0处于中间位置，这就使ATP有可能在磷酸基团转移作用中起中间传递体的作用，如下图，葡萄糖分解的中间产物高能磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸，不直接水解，而是通过激酶的作用，以转移磷酸基团的形式将捕获的自由能传递给ADP从而形成ATP。同时，ATP又倾
17、向于将其磷酸基团转移给具有较低磷酸基团转移势能的化合物如使D-葡萄糖生成D-葡萄糖6磷酸。,2、作用：ATP作为磷酸基团的共同传递体的实质是传递能量，它水解的能量可以使一个热力学上不利的反应顺利进行。如使蛋白质由一种构象变为另一种构象等。,（五）磷酸肌酸和磷酸精氨酸及其他贮能物质,ATP+肌酸磷酸肌酸+ADP,神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是ATP,但ATP在细胞中含量很低，脑和肌肉等剧烈运动时远不能满足机体的需要，但脑和肌肉中另一中高能磷酸化合物磷酸肌酸的含量远远超过ATP,目前已证实，磷酸肌酸是细胞内供应ADP合成ATP的首选能源物质。在运动后恢复期，细胞内积累的肌酸又可和其它来源的A
18、TP，重新合成磷酸肌酸。在某些无脊椎动物如蟹、虾等细胞内储能物质为为磷酸精氨酸，某些微生物体内为聚偏磷酸。,（七）ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用,1、水解过程在有些情况下，ATP的和之间的磷酸键被水解，形成AMP和PPi,这一反应的标准自由能变化为G0 为32.19KJ/mol，比ATP 和磷酸基团之间的高能磷酸键水解释放的自由能略高（30.514KJ/mol），PPi可进一步水解成2分子磷酸，其G0 为28.84KJ/mol。ATP+H2OAMP+PPi(G0=-32.19KJ/mol）PPiH2O2PO4-+2H(G0=-28.84KJ/mol）即G0总=32.19-28.8461.0
19、3 KJ/mol）,虽然从表面上看由ATP降解为AMP和PPi似乎对细胞不是经济途径，但生物体以这种方式利用能量有其特殊的生物学作用.如：脂肪酸的酶促活化形成脂酰辅酶A的反应需由ATP水解为 AMP 和 PPi 来提供能量，因为该反应的推动力还需靠PPi的进一步水解。,2、水解的意义,（八）ATP以外的其它核苷三磷酸的递能作用,1、NTP和dNTP的形成细胞在能量传递中，除ATP作为主要的能量载体以外，还有其他5二或三磷酸核苷起作用，但它们的高能磷酸基团均由ATP转化而来,2、（d）NTP在生物合成中的作用,（九）ATP系统的动态平衡,生活细胞的生命活动时刻需要能量的供应，故体内ATP需不断产
20、生，一个处于静息状态的人，需消耗40kg/d，在紧张活动状态下，ATP的消耗可达0.5kg/min。虽然机体需要如此多的ATP，但细胞内的ATP和ADP的转换速度能够适应细胞对能量的需求，即它们在体内总是保持平衡状态。,1、能荷,细胞所处的能量状态可用ATP、ADP和AMP之间的关系来表示，称为能荷，其公式如下：,从上式可以看出，能荷是细胞所处能量状态的一个指标，当细胞内的ATP全部转变为AMP时，能荷值为0，当AMP全部转变为ATP时，能荷值为1，大多数细胞的能荷处于0.80到0.95之间。细胞内ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的平衡状态。,2、研究方法,细胞内ATP维持动态平衡的状态可
21、用放射性32P作为探针予以证明。曾经用标记的磷酸测定了细胞内ATP末端磷酸基团的周转率，将标记的32P注入活细胞内，随后迅速分离细胞内的ATP,测定其放射性。实验表明，虽然ATP的含量并没有变化，但它的末端磷酸基团已经被放射性32P所标记，而且可以看到ATP的放射性和无机磷酸的放射性强度完全达到一致，取代ATP末端磷酸基团的速度以肝细胞为例只需12min。细菌只需几秒钟。但在ATP分子中与核糖直接相连的磷酸基团的周转率却是很慢的。,小 结,一、有关热力学的一些基本概念；二、化学反应中自由能的变化和意义；自由能、标准自由能、标准生成自由能、偶联化学反应标准自由能变化的可加性及其意义。三、ATP的结构特性 主要高能磷酸化合物，ATP的结构特性、ATP在能量转运中的地位和作用、ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用、ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用、ATP系统的动态平衡,思考题,1、名称解释：高能磷酸化合物；能荷。2、ATP在能量转运中的地位和作用分别为（）和（）。,第21章 生物膜与物质运输,Learn by yourselves,
