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1、Chapter 7 代谢导论,唐孟浩然与诸子登岘山诗：“人事有代谢，往来成古今。”鲁迅热风随感录四十九：“进化的途中总须新陈代谢。”沈从文长河人与地：“一涉革命，纠纷随来，到处不免流泪流血。最重大的意义，即促进人事上的新陈代谢。”,代谢的概念的出现可以追溯到13世纪，阿拉伯医学家伊本纳菲斯（Ibn al-Nafis）提出“身体和它的各个部分是处于一个分解和接受营养的连续状态，因此它们不可避免地一直发生着变化”。第一个关于人体代谢的实验由意大利人桑托里奥（Santorio）于1614年完成，描述了他如何在进食、睡觉、工作、以及排泄等各项活动前后对自己的体重进行秤量；他发现大多数他所摄入的食物最终
2、都通过他所称的“无知觉排汗”被消耗掉了。19世纪，路易斯巴斯德总结出酵解过程是由酵母细胞内他称为“酵素”的物质来催化的。20世纪初，酶首次被爱德华比希纳所发现，这一发现使得对代谢中化学反应的研究从对细胞的生物学研究中独立出来，同时这也标志着生物化学研究的开始。汉斯.克雷布斯和汉斯科恩伯格（Hans Kornberg）合作发现了三羧酸循环和乙醛酸循环。,7.1 代谢描述的是细胞的所有反应7.2 分解代谢和合成代谢7.3 代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域7.4 代谢途径的调控7.5 生物化学反应的自由能变化7.6 高能化合物与偶联反应7.7 氧化还原反应,主要内容,分解代谢反应和合成代谢反应：
3、分解反应使生物大分子降解为构件分子和释放能量；活细胞利用释放的能量合成用于细胞维持和生长所需的分子。细胞也利用捕获的能量执行细胞的其它任务，例如跨膜运输等任务。,7.1 代谢描述的是细胞的所有反应,蛋白质,核酸,多 糖,脂,7.2 分解代谢和合成代谢,分解反应可以使生物大分子降解释放出小的构件分子和能量；合成代谢则是由少数几种简单前体可以生成各式各样的生物大分子。CO2、H2O和NH3合成构件分子氨基酸等，再由构件分子合成生物学功能各异的生物大分子。,第二个阶段，构件分子代谢只生成少数几种分子，其中有两个重要的化合物丙酮酸和乙酰CoA。,第一个阶段,蛋白质、多糖、脂等降解成小的单体构件分子，例
4、如：氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等。,第三个阶段，乙酰CoA进入柠檬酸循环，分子中的乙酰基被氧化成CO2和H2O。,分解代谢只生成三种主要的终产物：CO2、H2O和NH3。,分 解 反 应,伴随着物质分解代谢的同时也产生了大量的化学能，这些能量一般都是以核苷三磷酸（例如ATP或GTP）（图a）和还原型辅酶（例如NADH或FADH2）的形式保存的（图b）。,1.活细胞不能利用下列哪些能源来维持它们的代谢：AATP B糖 C脂肪 D周围的热能,脂肪、糖和ATP都是活细胞化学能的直接来源。阳光是最根本的能源，光子所释放的能量被绿色植物的叶绿素通过光合作用所利用。热能只有当它从热物体向冷物体传递过程中
5、才能做功，它不能作为活细胞的可利用能源，但对细胞周围的温度有影响。,代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域，也称为区室化。代谢的区室化表明代谢物、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。,7.3 代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域,在真核生物中，脂肪酸分解代谢出现在线粒体内，而脂肪酸合成发生在细胞质中。ATP是在线粒体内合成的，而ATP的大量消耗却发生在细胞质中。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。,细胞核：DNA复制；tRNA，mRNA,核仁：rRNA合成,内质网：脂合成，指导合成产物的去向,核糖体：蛋白质合成
6、,微粒体：氨基酸氧化，胆固醇降解，乙醛酸循环等,质膜：转运系统,高尔基体：蛋白和膜的成分的加工,叶绿体：光合作用,线粒体：柠檬酸循环，脂肪酸氧化，电子传递、氧化磷酸化，氨基酸分解，糖异生,糖原颗粒：糖原合成和降解,细胞质：糖酵解，糖异生，戊糖磷酸途径，脂肪酸合成，核苷酸合成,液泡：贮存水,溶酶体：水解酶的降解,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，因为区室内底物和产物的相对浓度影响酶促反应。,反馈作用：通常是终产物抑制途径前面的一步关键反应控制它自己合成的速度。,例如：嘧啶核苷酸合成的终产物CTP可以反馈抑制前面由天冬
7、氨酸转氨甲酰酶催化的一步关键反应。,代谢的调控可以说是激素的调控，激素调控的最终表现形式是酶活性和酶含量的调节。酶含量的调节属于基因表达调控。酶促反应代谢途径经常遇到的是反馈抑制作。,7.4 代谢途径的调控,7.5 生物化学反应的自由能变化,生物能量学是定量研究发生在活细胞中的能量转换及这些转换背后化学过程的特性和功能的科学。,在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能的变化来衡量。自由能的变化：G=G 产物-G反应物,7.5 生物化学反应的自由能变化,1.化学反应中的自由能,2.G是衡量反应自发性的标准G0，反应体系为吸能反应，不能自发进行，此时只有与放能反应相偶联
8、，反应才能进行。G=0，反应处于平衡状态。,醛缩酶,磷酸二羟丙酮,甘油醛-3-磷酸,果糖-1,6-二磷酸,G=-0.23kJ/mol,G0仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。,例如：Glc+ATPG6P+ADP（总反应），第一步，Glc+PiG6P+H2O,此反应不能自发进行。第二步，ATP+H2OADP+Pi总反应：Glc+ATPG6P+ADP.因此，一个热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动整个反应进行。此类反应在生物体内是很普遍的。,1.在生物化学反应中，总能量变化符合
9、：A受反应的能障影响 B随辅因子而变 C与反应物的浓度成正比 D与反应途径无关,热力学中自由能是状态函数，生物化学反应中总能量的变化不取决于反应途径。当反应体系处于平衡系统时，实际上没有可利用的自由能。只有利用来自外部的自由能，才能打破平衡系统。,7.6 高能化合物与偶联反应,一、生物体内的高能磷酸化合物 生物体内的高能磷酸化合物：ATP、1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰磷酸、磷酸肌酸等；其中ATP是最主要的高能磷酸化合物，而其他的高能化合物只能作为高能磷酸基(P)的供体，将P转移到ADP上，生成ATP，本身很少直接参与其他吸能反应。,ATP被水解时具有较高的自由能变化是由于ATP
10、的特殊的分子结构决定的。一个化合物水解时释放出的自由能的多少全取决于反应产物和底物的化学结构，即取决于产物和底物各自所固有的自由能。,ATP在细胞产能和需能反应中的作用：在活细胞内，产能反应与需能反应是偶联进行的;但这种偶联很少是两个反应共同催化的结果；而是通过第三者(ATP)起桥梁作用。当细胞营养物进行分解代谢时，产生大量的能量。这些能量中的大部分推动着ADP磷酸化合成ATP。ATP作为能量的供体用于许多需能反应。,磷酸烯醇式丙酮酸是酵解途径中的一个中间产物，有一个最富含能量的磷酸键。在丙酮酸激酶的催化下磷酰基团从磷酸烯醇式丙酮酸转移到ADP上生成ATP。,思考：,Q1：尽管成年人每天合成大
11、量的ATP，在这期间他们的体重、结构和组成并没有发生很大的变化。试解释这一明显的矛盾。,A1：当需要时ATP会合成，再降解为ADP和Pi；它的浓度保持在稳定状态。,高能磷酸键常被错误解释为P-O键含有能量，事实上所有化学键的断裂都需要能量的输入；磷酸化合物水解释放的自由能并不是来自于某个具体的被断裂的键，而是来自于产物比反应物有更少的自由能。,1.下列化合物中，除了哪一种以外都含有高能磷酸键：ANAD BADP CNADPH DFMN,2.肌肉组织中肌肉收缩所需要的大部分能量以哪种形式贮存：AADP B磷酸烯醇式丙酮酸 CATP D磷酸肌酸,除了磷酰基团转移外，后面讲到的很多代谢反应还涉及到酰
12、基从一个酰基CoA（或酰基载体蛋白）转移到一个受体分子过程。酰基可以通过硫酯键连接到辅酶A上。,酰基转移在代谢中的重要性：,Q2：如果将放射性标记末端磷酸的少量ATP，-p32ATP，加入到酵母提取物中，在几分钟内大约有一半的Pi有P32活性，但是ATP的浓度依然不变。请解释之。如果用同样的p32在中间位置进行标记，-p32ATP，p32并没有在那么短时间内在磷酸中出现，为什么？,A2：ATP系统是个动力稳定状态；ATP是恒定的，因为ATP消耗等于它的合成速度，ATP消耗涉及末端磷酰基的释放，ATP从ADP的合成则涉及这个磷酰基的替代。因此，末端磷酰基经历快速的周转。比较而言，中间的磷酰基则周
13、转比较慢。,萤火虫的发光器官位于腹部的后侧，发光细胞内含有荧光素和荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗ATP，并与氧气发生反应，反应中产生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态时释放出光子。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放，只有极少部分以热的形式释放，反应效率为95%。,在分解代谢反应中，糖、脂和氨基酸被氧化，一个分子的氧化必须与另一个分子的还原相耦联，接受电子而被还原的分子是氧化剂，而失去电子而被氧化的分子是还原剂。所以净的氧化还原反应是：AredBoxAoxBred 在脱氢酶催化的反应中，生物氧化反应释放的电子常常是被转移给NAD，FAD生成还原型辅酶NADH和FADH
14、2。,7.7 氧化还原反应,1.氧化还原反应与氧化还原电势 氧化反应是可逆的，例如，H2 2H+2e；Fe2+Fe3+e 电子供体 电子受体 电子供体 电子受体 H2和2H+,Fe2+和Fe3+分别构成了氧化还原(电)对,可用2H+H2和Fe3+Fe2+表示。一个氧化还原对失去电子和得到电子的倾向，例如，Fe2+失去电子或Fe3+得到电子的倾向，称作氧化还原电势或氧化还原电位(oxidation-reduction potential)。,还原电位可以通过一个电化学装置定量地测定。其原理可以通过一对电子从锌原子转移到一个铜离子（Cu2+）的一个简单的氧化还原反应来说明。,Zn Cu2+Zn2+
15、Cu,一些重要的 生物半反应的标准还原电位,2.氧化还原电势与自由能变化的关系 在标准条件下，电子从氧化还原电势较低的电对流向较高电对的倾向是自由能降低的结果。电子总是趋向反应系统的自由能降低的方向流动。两电对间的标准氧化还原电势的差值：E0=E0电子受体 E0电子供体氧化还原反应的标准自由能变化(Go)和E0的关系：Go=-nFE0 n：传递或转移的电子数;F：法拉弟常数(96.48kJV-1mol-1)。在生理标准条件下，自由能变化(Go）可用下式计算：Go=-nFE=-nF(E正极-E负极),例：在细胞中，代谢反应中生成的大多数还原型辅酶NADH可以通过呼吸电子传递链被氧化，伴随电子传递
16、由ADPPi可以生成ATP。来自NADH的电子的最终受体是氧。可以计算出在标准条件下整个氧化还原反应的自由能变化。NAD2H2eNADHH E0.32V1/2O2H2eH2O E=0.82V 因为NADH半反应具有更负的标准还原电势，所以它将被氧化，而氧被还原。因此净反应应为：NADH1/2O2HNADH2O E1.14V由此可以计算出标准自由能的变化：G（2）（96.48kJV1mol-1）（1.14V）220kJ/mol-1,氧化还原电位是衡量电子转移的标准。延胡索酸还原成琥珀酸的氧化还原电位和标准的氢电位对比是+0.03V 特，而硫酸铁（高铁Fe3）还原成硫酸亚铁（亚铁Fe2）的氧化还原
17、电位是+0.077V伏特，这样高铁对电子的亲和力比延胡索酸要大。所以加进去的琥珀酸将被氧化成延胡索酸，而硫酸铁则被还原成硫酸亚铁。延胡索酸和硫酸亚铁的量一定会增加。,1.如果将琥珀酸（延胡索酸/琥珀酸氧化还原电位+0.03V）加到硫酸铁和硫酸亚铁（高铁/亚铁氧化还原电位+0.077V）的平衡混合液中，可能发生的变化是：A 硫酸铁的浓度将增加 B 硫酸铁的浓度和延胡羧酸的浓度将增加 C 高铁和亚铁的比例无变化 D 硫酸亚铁和延胡索酸的浓度将增加,思考：,Q3：相偶联的NAD+/NADH和丙酮酸/乳酸的共轭氧化还原电子对的Eo值分别为-0.32v和-0.19v。（1）哪对共轭电子对更有可能丢失电子？（2）哪对共轭氧化剂的氧化性更强？（3）如果每种反应物和产物的初始浓度为1mol/L，初始环境pH为7.0，下列反应将向哪个方向进行？丙酮酸+NADH+H+乳酸+NAD+,A3：1.NAD+/NADH;2.丙酮酸/乳酸；3.乳酸形成,
