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1、Chapter14 代 谢 总 论,一、什么是生物代谢？,生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）交换过程。其本质是活细胞中发生一系列化学变化，每一变化均由酶催化。,二、物质代谢和能量代谢,新陈代谢,同化作用：小分子合成大分子；需要能量,异化作用：大分子分解为小分子：释放能量,物质代谢能量代谢,分解代谢的3个阶段,（1）大分子 构件分子（2）构件分子 丙酮酸/乙酰CoA（3）丙酮酸/乙酰CoA CO2+H2O分解代谢的终产物：CO2、H2O、NH3 ATP、NADH,三羧酸循环,合成代谢,（1）简单的前体 生物大分子例如，CO2+H2O+NH3 氨基酸 蛋白质（2）
2、合成代谢是分解代谢的逆过程？二者涉及众多反应都有联系，但不是简单的逆过程！,Parallel pathways of catabolism and anabolism must differ in at least one metabolic step in order that they can be regulated independently.,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,三、代谢途径的区室化,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-compartm
3、entation,水池A,进水口，开关1,出水口，开关2,小学数学题,水池A(大人用),水池B(小孩用),进水口，开关1,出水口，开关2,开关3,将整个代谢途径完全分隔在特定的亚细胞区域,区室化通过几种方式影响代谢反应。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性可以调节酶促反应。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
4、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,三、代谢途径的区室化,（1）区室化：代谢途径局限于细胞内的特定区域。（2）表明：代谢物、酶、代谢途径或其他生物分子或系统在细胞内或细胞器内的分布是不同的将整个代谢途径完全分隔在特定的亚细胞区域。（3）优越性：避免两个方向相反的反应抵消；通过区室的通透特性调节酶促反应；区室化和激素作用紧密相
5、连；,四、代谢调控,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。细胞水平调节细胞的分隔作用(Compartmentation)分子水平调节反应物和产物的调节反应物/产物浓度酶的调节酶浓度（慢）酶合成的速率酶降解的速率酶活性调节（快）变构调节共价修饰调节基因表达调控,五、中间代谢、代谢途径、代谢物和 中间代谢物,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中间代谢产物代谢过程中连续转变的酶促产物,代谢途径,线性途径酮体-羟丁酸氧化EMP途径环形途径TCA循环尿素循环螺旋形途径脂肪酸的分解脂肪酸的合成,The metabolic map as
6、 a set of dots and lines,By B.Alberts,六、代谢的研究方法,1、活体内与活体外实验活体内（in vivo）：生物整体，整体器官，微生物细胞群活体外(in vitro)：生物体分离出来的组织切片、组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物等2、苯环化合物示踪法3、同位素示踪法稳定同位素：2H、15N、13C、18O；放射性同位素：3H、32P、14C4、代谢途径阻断法,六、代谢的研究方法,5、气体测量法6、核磁共振波谱法7、遗传缺欠症研究法,代谢的研究方法,3.同位素示踪法,代谢的研究方法,4.使用酶的抑制剂（胞内 or 胞外）,代谢的研究方法,6.NMR法
7、,代谢的研究方法,7.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,七、ATP是能量代谢的“货币”,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,腺嘌呤核苷三磷酸或腺苷三磷酸在分解代谢中起捕获、携带和传递能量的是ATP ATP中有二个高能磷酸键,七、能量代谢中辅酶的递能作用,1、辅酶I和辅酶II的递能作用 NAD+(烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶I)NADP+(烟酰胺-腺嘌呤磷酸二核苷酸,又称为辅酶II),2、FMN和FAD递能作用FAD(黄
8、素-腺嘌呤二核苷酸)和FMN(黄素单核苷酸),3、CoA在能量代谢中的作用 辅酶A是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素(B3)泛酸，乙酰-CoA水解释放出大量能量。,辅酶I（NAD）和辅酶II（NADP）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
9、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）,CH3COSCoA是一高能化合物,高能化合物在新陈代谢中的重要作用,物质代谢的特点,1、整体性：体内各种物质代谢彼此不孤立，同时进行，彼此互相联系，相互转变，相互依存，构成统一的整体。2、代谢调节：正常情况下各种物质代谢存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度，以适应内外环境的变化。3、各组织、器官物质代谢各具特色：各组织、器官的结构不同，所含有的酶系的种类和含量
10、各不相同，代谢途径及功能各异，各具特色。4、各种代谢物均具有各自共同的代谢池。5、ATP是机体能量利用的共同形式。6、NADPH是合成代谢所需的还原当量。,组织、器官的代谢特点,1.肝：物质代谢的枢纽，人体的中心生化工厂。耗氧量占全身耗氧量的20，在糖、脂、蛋白质、水、盐及维生素代谢中均具有独特的重要作用。2.心脏：以酮体、乳酸、自由脂酸及葡萄糖为能量物质，以有氧氧化途径为主。3.脑：是机体耗能最大的主要器官，耗氧量占全身耗氧量的2025。几乎以葡萄糖为唯一供能物质。由于脑组织无糖原储存，其耗用的葡萄糖主要由血糖供应。血糖供应不足时，可由肝产生的酮体作为能源物质。,组织、器官的代谢特点,4.肌
11、肉组织：以氧化脂酸为主，剧烈运动时则以糖的无氧酵解产生的乳酸为主。由于肌肉缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，因此肌糖原不能直接分解葡萄糖提供血糖。5.红细胞：能量主要来自葡萄糖的酵解途径。由于红细胞没有线粒体，因此不能进行糖的有氧氧化，也不能利用脂酸及其非糖物质。,组织、器官的代谢特点,6.脂肪组织：是合成及储存脂肪的重要组织。脂肪细胞含有TG脂肪酶，能使储存的脂肪分解成脂酸和甘油释入血液循环以供机体其他组织能源的需要。7.肾：能进行糖异生和生成酮体。肾髓质：无线粒体，主要由糖酵解供能。肾皮质：有线粒体，主要由脂酸及酮体的有氧氧化供能,生 物 能 学,Bioenergetics,一、有关热力学和能的基本
12、概念,（一）体系的概念、性质和状态,开放体系、封闭体系、隔离体系,一个体系的性质：压力、体积、温度、比热、表面张力等,（二）能的两种形式热与功,（三）内能（U）和焓（H）的概念：H=U+PV,（四）热力学第一定律,在一个孤立体系中的能量可以变换其形式，但其总能量不变。,（五）化学能的转化：光能、化学能和热能等的转化,维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。,（六）热力学第二定律（25页）和熵的概念,（七）自由能的概念
13、：G=HT S,热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。代表体系能量分散程度的状态函数，统称为熵（S）。,凡是能够用于做功的能量称之为自由能（G）。,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,A+B=C+D+H,G=HT S,自发进行的化学反应 G0,（二）标准自由能变化与平衡常数的关系,A+B=C+D+H,（三）自由能变化的可加性及其在生化反应中的意义,（四）能量学在生物化学应用中的一些规定（286页）,（三）自由能变化的可加性及其在生化反应中的意义,在偶联的几个反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。,意义：一个热力学上不能进
14、行的反应，可以由与它相偶联的，热力学上容易进行的反应驱动。,+5-8-3 0,自发进行的化学反应 G0,三、高能磷酸化合物,（一）高能化合物的概念,一般将水解时释放5000卡以上自由能的化合物称为高能化合物，如ATP、ADP、GTP等。注意：跟键能的区别,高能磷酸化合物 p287-288,一般将大于等于ATP水解标准自由能的磷酸化合物称为高能磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸低能磷酸化合物葡糖-1-磷酸葡糖-6-磷酸甘油-3-磷酸,1、磷氧键型(-OP)2、氮磷键型3、硫酯键型4、甲硫键型,（二）高能化合物 34页,1、磷氧键型(-OP),（1）酰基磷酸化合物（2）焦磷酸化
15、合物（3）烯醇式磷酸化合物,1、磷氧键型(OP),3-磷酸甘油酸磷酸,11.8千卡/摩尔,乙酰磷酸,10.1千卡/摩尔,(1)酰基磷酸化合物,氨甲酰磷酸,酰基腺苷酸,氨酰基腺苷酸,（1）酰基磷酸化合物,1、磷氧键型（OP),（2）焦磷酸化合物,ATP（三磷酸腺苷）,焦磷酸,7.3千卡/摩尔,1、磷氧键型（OP),（3）烯醇式磷酸化合物,磷酸烯醇式丙酮酸,14.8千卡/摩尔,1、磷氧键型（OP),2、氮磷键型-活性硫酸基,磷酸肌酸,磷酸精氨酸,10.3千卡/摩尔,7.7千卡/摩尔,这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。,4、甲硫键型,S-腺苷甲硫氨酸,（三）ATP是生物体内的能量“货币”3
16、7页,ADPATPADP AMP能量转换途径,萤火虫发光物质“虫荧光酰腺苷酸”ATP AMP,7.3千卡/摩尔,萤火虫是怎样发光的？,萤光素+ATP-萤光素腺苷酸+焦磷酸(PPi),萤光素腺苷酸+O2-氧化萤光素+AMP+光,萤光素酶,萤光素酶,发光细胞,萤光素,萤光素酶,总反应式,（四）磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用,磷酸精氨酸是无脊椎动物肌肉中的贮能物质；磷酸肌酸主要是脊椎动物肌肉、脑和神经的贮能物质；,磷酸肌酸（cp）和磷酸精氨酸（ap）通过磷酸基团的转移作为贮能物质统称为磷酸原。,体内ATP浓度高：ATP+肌酸 磷酸肌酸+ADP体内ATP浓度低：ADP+磷酸肌酸 肌酸+ATP,磷酸肌酸
17、(PHOSPHAGENHP)是力量型和速度型运动员首选的运动补剂,（五）ATP系统的动态平衡,ATP=ADP=AMP,Pi,Pi,能荷水平 磷酸化势能=,ATP,ADP Pi,A metabolic map,By D.E.Nicholson,University of Leeds,U.K.,新陈代谢图示,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、葡糖基的转移等。,酰基化合物-X,四面体中
18、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经甲基丙二酰单酰辅酶A变位酶作用变成琥珀酰辅酶A。,代谢中
19、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,
