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1、1第10章 代谢总论2主要内容l 代谢的概念，功能，内容l 电子载体与ATPl 代谢研究方法3410.1 一、代谢的多样性反映生物的多样性 尽管大多数生物细胞主要的代谢途径是相同的，但是不同的生物或细胞在进化过程中被它们所选择的途径所特化，因而赋予了代谢的多样性。5 根据对碳的需要将生物分为自养生物和异养生物：自养生物：能利用大气中的CO2作为它们唯一碳源的生物，将其转变成自身所需的含碳化合物；异养生物：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获取相对较为复杂的有机碳（如葡萄糖），并将其转变成自身所需要的含碳化合物；6 根据对能量的来源将生物分为光养生物和化养生物：光养生物：光合生物，能利用光作为

2、能源；化养生物：利用有机化合物，作为能源；根据是否利用氧气作为产生能量的电子受体，分为需氧生物、厌氧生物、兼性厌氧生物；7 原核生物比真核生物具有较大的代谢多样性。原核生物可分为化能异养、光能自养或化能自养等几种；真核生物：原生动物、真菌、植物和动物；真菌和动物是化能异养、植物是光能自养；8二、生物圈中的代谢循环（一）能量流动与碳和氧循环 光能自养生物利用光能将CO2和H2O同化成有机物；异养生物利用光合细胞合成的有机产物作为能量的能源分子以及作为合成自身特有生物分子的前体，CO2作为异养生物的碳代谢的末端产物返回大气，被光能自养生物重新利用；生物圈中能量的流动在碳循环中运转，推动循环的原动力

3、是光能；9碳素循环10（二）氮循环 氮对生物来说是关键元素，是蛋白质和核酸的组分；在无生命的环境中，氮以N2形式出现在大气中，以硝酸根离子NO3-的形式出现在土壤和海洋中。原核生物 固氮作用：N2还原为氨离子NH4+，然后掺入到碳骨架中，转变成有机氮而被生物利用；硝化细菌：NH4+转化成NO3-反硝化细菌：NO3-转化成N2 植物：同化NH4+和NO3-形成氨基酸等，将NO3-还原为NH4+动物：利用含N物释放NH4+和含N有机物11氮循环1210.2 分解代谢与合成代谢 代谢目的物质能量物质的合成与分解能量的转换、储存和释放代谢过程分解代谢，合成代谢分解代谢：产生能量，为合成代谢提供前体合成

4、代谢：利用分解代谢前体分析合成所需生物分子，需要能量13有机营养物通过一系列反应步骤转变为较小的、较简单的物质的过程称为分解代谢（catabolism）。有机营养物质通过分解代谢的过程可大致划分为三个阶段。第一个阶段由营养物的大分子分解为较小的分子；第二阶段是由各种小分子进一步转变为少数几种共同物质；第三个阶段由柠檬酸循环和氧化磷酸化两个共同代谢途径组成。这个阶段是形成ATP的主要阶段。分解代谢显著特点是趋同性；分解代谢反应大多数是氧化反应，通常是释放能量，所释放的化学能往往以ATP的形式捕获；一、分解代谢（异化）14二、合成代谢（同化）生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自 身 大 分

5、子 的 过 程 称 为 合 成 代 谢（a n a b o l i s m），又 称 生 物 合 成（biosynthesis）。合成代谢的显著特点是趋异性；合成代谢反应通常是需要能量，ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）提供能量。15 新陈新陈代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程。量交换的过程。生物体的生物体的新陈代谢新陈代谢生物大分子分解为生物小分子生物大分子分解为生物小分子释放能量（用于合成代谢和生理及运释放能量（用于合成代谢和生理及运动需能）动需能）生物小分子合成为生物大分子生物小分子合成为生物大分子需要

6、能量（来自分解代谢及光、热等）需要能量（来自分解代谢及光、热等）分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用）物物质质代代谢谢16分解代谢和合成代谢途径间的能量关系分解代谢和合成代谢途径间的能量关系分解代谢分解代谢(氧化、放能氧化、放能)合成代谢合成代谢(还原、吸能还原、吸能)糖类糖类脂肪脂肪蛋白质蛋白质细胞大分子细胞大分子产能营养素产能营养素蛋白质蛋白质多糖多糖脂类脂类核酸核酸氨基酸氨基酸糖糖脂肪酸脂肪酸碱基碱基前体分子前体分子17三、合成代谢和分解代谢 分解代谢和合成代谢具有相反的作用，但两者相互关联，即一种过程的产物为一种相反过程提供底物，许多代谢中间物

7、为两个过程所共有；这种可 以 公 用 的 代 谢 环 节 称 为 两 用 代 谢 途 径（amphibolic pathway）。柠檬酸循环（citric acid cycle）可看作是两用代谢途径的典型。两用代谢途径的存在，使机体细胞的代谢更增加了灵活性。任何物质的生物合成所需的能量要超过该物质分解代谢产生的能量，否者生物可能成为永动机。18四、代谢的调节 代谢的调节概括地划分为三个不同水平：分子水平的调节包括反应物和产物的调节（主要是浓度的调节和酶的调节）；细胞水平的调节主要是因为细胞有特殊结构，使酶的作用具有严格的定位条理性；整体水平的调节主要包括激素的调节和神经的调节。1910.3 代

8、谢与生物能学 自由能(free energy)对生物体有特别重要的意义，因为它不仅可用来判断机体内一过程能否自发进行，而且生物体用以作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。生物氧化所提供的能量正是可为机体利用的自由能。Gibbs将能够用于做功的能量称为自由能。20 自由能的变化自由能的变化(G)(G)：产物的自由能与反应物：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变过程无关。的自由能之差，与反应转变过程无关。标准自由能的变化标准自由能的变化(G G)：298K298K，101.3KPa101.3KPa，反应物浓度为，反应物浓度为1mol/L1mol/L。生化反应中标准自由能的变化生化反

9、应中标准自由能的变化(G G)：298K298K，101.3KPa101.3KPa，反应物浓度为，反应物浓度为1mol/L1mol/L，pH=7pH=7。21 自由能自由能(G)(G)：指一个反应体系中能够做功的那部分：指一个反应体系中能够做功的那部分能量。能量。自由能对生物体重要，不仅可用以判断生物体内的自由能对生物体重要，不仅可用以判断生物体内的某一过程能否自发进行，且生物体内能用于作功的某一过程能否自发进行，且生物体内能用于作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。18781878年，年，Josiah Willard GibbsJosiah W

10、illard Gibbs结合热力学第一和结合热力学第一和第二定律，提出了自由能的公式：第二定律，提出了自由能的公式：G=G=H-TH-TS SG G代表体系的自由能的变化，代表体系的自由能的变化，H H代表体系的热焓代表体系的热焓变化，变化，S S代表熵的变化。代表熵的变化。22如如 A+B C+D A+B C+D G=(GG=(GC C+G+GD D)-(G)-(GA A+G+GB B)G=GG=G0 0+RTlnCD/AB+RTlnCD/AB G0G0 G0 反应不能自发进行，需要提供能量反应不能自发进行，需要提供能量 反应的反应的G G仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）

11、的自仅决定于反应物（初始状态）的自由能与产物（最终状态）的自有能，而与反应途径和反应机制无关。有能，而与反应途径和反应机制无关。G G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，而与反应速度无关。是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，而与反应速度无关。23能量学在生物化学应用中的一些规定能量学在生物化学应用中的一些规定1 水的浓度（近似于活度）规定为水的浓度（近似于活度）规定为1.02 pH=0.0（即（即H+=1M）,标准自由能变化为标准自由能变化为 G0 标准状况标准状况pH=7.0，此时标准自由能变化为，此时标准自由能变化为 G0 3 pH 7.0,就不能用就不能用 G0值值4 建

12、议用焦耳建议用焦耳(Joules)或或kJmol-1表示标准自由能变表示标准自由能变化。化。1卡卡=4.184J 。24氧化还原反应：氧化还原反应：凡是反应中有电子从一种物质转移凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。到另一种物质的化学反应。提供电子的分子称为提供电子的分子称为还原剂还原剂接受电子的分子称为接受电子的分子称为氧化剂氧化剂物质失去电子后，成为物质失去电子后，成为氧化型氧化型氧化型再得到电子又成为氧化型再得到电子又成为还原型还原型氧化还原电位（氧化还原电位（E E）：）：在氧化还原反应中，自由能的在氧化还原反应中，自由能的变化与反应物供出或得到电子的趋势成比例，这种变

13、化与反应物供出或得到电子的趋势成比例，这种趋势用数字表示。趋势用数字表示。25标准氧化还原电位标准氧化还原电位E E：在在25 25，pHpH0 0，压力，压力101.3KPa101.3KPa和所有反应物、生成物的浓度为和所有反应物、生成物的浓度为1molL1molL-1-1的的半反应的电极电位。半反应的电极电位。E E：pHpH7 7时的标准氧化还原电位时的标准氧化还原电位E E=标准氧化电极电位标准氧化电极电位（电子受体）（电子受体）标准还原标准还原电极电位电极电位（电子供体）（电子供体）E E值越小值越小，电负性越大，供出电子的倾向越大，即，电负性越大，供出电子的倾向越大，即还原能还原能

14、力越强力越强E E值越大值越大，电正性越大，得到电子的倾向越大，即，电正性越大，得到电子的倾向越大，即氧化能氧化能力越强力越强电子总是从较低的氧化还原电位（即电子总是从较低的氧化还原电位（即E E值较小）向高电位值较小）向高电位流动（即流动（即E E值较大）值较大）26G G -nF-nFE Enn转移电子数转移电子数FF法拉第常数（法拉第常数（96.403kJmol96.403kJmol-1-1）在生物化学反应中，这种自由能变化意味着一在生物化学反应中，这种自由能变化意味着一个体系能够转移电子的能力。个体系能够转移电子的能力。2710.4 生物氧化还原反应电子载体 糖类、脂质和蛋白质等含碳有

15、机分子的降解和氧化是物质分解代谢的主要内容；糖酵解、脂肪酸的-氧化、氨基酸的氧化分解和柠檬酸循环等代谢有机物氧化分解的主要途径；有机物在酶催化下氧化脱氢，产生的电子是生物体内主要的能量来源。28 在生物体内，被氧化的反应物分子很多，在相应的脱氢酶催化下反生反应；作为氧化反应的电子受体只有少数集中；这些受体可以作为不同酶的辅酶参与到不同反应中去；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）是主要的电子载体；黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）也是重要的电子载体；29NAD+NADH NADP+NADPH FADFADH2FMNFMNH2辅酶辅酶（氧化型氧化型）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）（烟酰胺

16、腺嘌呤二核苷酸）辅酶辅酶（还原型还原型）辅酶辅酶（氧化型氧化型）辅酶辅酶（还原型还原型）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（氧化型氧化型）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（还原型还原型）黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（氧化型氧化型）黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（还原型还原型）生物氧化反应中的电子载体生物氧化反应中的电子载体30辅酶辅酶（NAD+）辅酶辅酶（NADP+）以一个以一个H H+和和2 2个电子（氢负个电子（氢负离子离子HH-）的形式将自有能）的形式将自有能转移给生物合成的需能反应转移给生物合成的需能反应烟酰胺（氧化型）烟酰胺（氧化型）烟酰胺（还原型）烟酰胺（还原型）烟烟酰酰胺胺腺

17、腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸NAD+（烟酰胺嘌呤二核苷酸）和（烟酰胺嘌呤二核苷酸）和NADP+（烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸）（烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸）维生素维生素PP(PP(B B5 5)/烟酸烟酸烟酰胺烟酰胺 31 AH2+NAD+A+NADH+H+乙醇乙醇乙醛乙醛醇脱氢酶醇脱氢酶NAD+收集分解代谢释放的收集分解代谢释放的电子电子和产生能量的和产生能量的氧化性分解代谢氧化性分解代谢有关有关接受一个接受一个H H+和和2 2个电子（个电子（2e2e）32NADPH 为合成代谢提供还原力为合成代谢提供还原力还原型底物还原型底物合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢氧化型前体氧化型前体氧化型产物氧化型产物还

18、原型产物还原型产物33FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）和和FAD（黄素腺嘌呤二核苷）（黄素腺嘌呤二核苷）6,7-二甲基二甲基异咯嗪异咯嗪核核黄黄素素 核糖醇核糖醇34FMN+2H FMNH2FAD+2H FADH2参与一个电子或两个电子的传递参与一个电子或两个电子的传递氧化型氧化型黄色黄色还原型还原型无色无色半醌型半醌型蓝色蓝色半醌型半醌型35辅酶辅酶A在能量代谢中的作用在能量代谢中的作用 p306p306-巯基乙胺巯基乙胺泛酸泛酸泛泛酰酰巯巯基基乙乙胺胺焦磷酸焦磷酸活性部位活性部位-SH-SH在酶促转乙酰基的反在酶促转乙酰基的反应中，起着应中，起着接受或提供酰基接受或提供酰基的的作用。

19、作用。高能硫酯键高能硫酯键3610.5 ATP与磷酸基的转移高能磷酸化合物有易水解的磷酰基，且能释放出大量自由能的磷酸化合物。一般意义上，水解时释放出 -25 kJmol-1以上自由能的键作为“高能键”。“高能键”指水解后释放大量自由能，“键能”指断裂某个化学键需要的能量。3637生物体中高能化合物的类型生物体中高能化合物的类型胍基磷酸化合物：磷酸肌酸胍基磷酸化合物：磷酸肌酸酰基化合物：乙酰磷酸酰基化合物：乙酰磷酸烯醇式磷酸化合物：磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式磷酸化合物：磷酸烯醇式丙酮酸焦磷酸化合物：腺苷三磷酸焦磷酸化合物：腺苷三磷酸(ATP)(ATP)硫酯键化合物：乙酰辅酶硫酯键化合物：乙酰辅酶A

20、 A甲硫键化合物：甲硫键化合物：S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸磷氧键型磷氧键型-O-OP P磷氮键型磷氮键型-N-NP P硫碳键型硫碳键型-C-CS S38 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。39 由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成。腺苷三磷酸分子中的三个磷酸基团从与分子中的腺苷基团相邻的磷酸基团算起，依次分别为、和磷酸基团。磷酸基团与腺苷相连的称为磷酯键，而和、和磷酸

21、基团之间的键称为酸酐键。酸酐键是高能键。ATP的结构酸酐键易水解并释放自由能，酸酐键易水解并释放自由能，原因原因是：是：造成酸酐键之间的不稳定的原因是磷酸基造成酸酐键之间的不稳定的原因是磷酸基团之间相邻的团之间相邻的负电荷负电荷的相互排斥；的相互排斥；ATP水解形成的水解形成的ADP3-和和HPO42-都是杂化都是杂化共振物，比共振物，比ATP具有具有更大的稳定性更大的稳定性。ATPHHPOADPOHATP24324041ATP在能量转运中的地位和作用 ATP的G0（标准自由能变化）在所有含磷酸基团的化合物中处于中间状态。在磷酸基团转运中起到中间传递体的作用。既可向低的又可向高的磷酸基团转移。

22、转移磷酸基团的“共同的中间体”。41424243ATP系统的动态平衡ATP的产生和利用都处于一个相对稳定的平衡状态。细胞内有调节机制，维持ATP相对稳定：调节ATP的生成以供细胞的能量需要；调节ATP的利用。4344ATP提供以下四方面对能量的需要：提供以下四方面对能量的需要：(1)提供生物合成做化学功时所需的能量提供生物合成做化学功时所需的能量(2)是生物体活动以及肌肉收缩的能量来源是生物体活动以及肌肉收缩的能量来源(3)供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细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胞内所需的自由能(4)在在DNA、RNA 和蛋白质等生物合成中，和蛋白质等生物合成中

23、，保证基因信息的正确传递保证基因信息的正确传递4510.6 研究代谢的方法代谢的研究，主要是对中间代谢进行研究，即搞清楚代谢的具体过程，以及各种物质所发生的具体变化。in vivo活性的，生物体内的in vitro实验室的，体外的46一、追踪代谢物去向同位素示踪法常用的放射性同位素有：氚（3H），14C，131 I等用同位素来标记化合物，不影响化学性质，又非常容易测定，在当前的研究中，已经成为一种必不可少的手段。47 常用放射性同位素常用放射性同位素同位素名称同位素名称 符号符号 放射线种类放射线种类 半寿期半寿期氢氢3（氚）（氚）3H,T -12.26年年碳碳14 14C -5730天天磷磷

24、32 32P -14.3天天碘碘131 131I -8.070 0.009天天硫硫35 35S -87.1天天 正比计数法正比计数法(proportion counting)：放射线放射线（物质产生离子化）放光（物质产生离子化）放光 （光电倍增管）电子脉冲（光电倍增管）电子脉冲 检测检测液体闪烁计数法液体闪烁计数法(liquid scintillation counting )：射线射线（芳香族的溶剂）荧光（芳香族的溶剂）荧光 检测检测放射自显影法（放射自显影法（autoradiography）：射线射线 感光胶片感光胶片 分析感光胶片分析感光胶片48核磁共振波谱法：核磁共振波谱法：运动运动1

25、9min后后运动前运动前磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸无机磷酸无机磷酸无机磷酸无机磷酸ATPATP磷酸肌酸运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况人体前臂肌肉在运动前后磷酸肌酸人体前臂肌肉在运动前后磷酸肌酸,无机磷无机磷酸和酸和ATP三个磷酸基团的三个磷酸基团的 P NMR波谱波谱49二、代谢系统的扰乱酶抑制剂阻断某一特定反应，造成一种代谢中间物的积累，可用于测定。遗传缺陷症，由于基因的突变，体内缺乏某种酶，某些代谢中间产物的积累，在血液或尿中能够测定。505152去甲肾上腺素去甲肾上腺素苯丙氨酸苯丙氨酸多巴胺多巴胺多巴醌多巴醌对羟苯丙氨酸对羟苯丙氨酸肾上腺素肾上腺素黑色素黑色素吲哚醌吲哚

26、醌尿黑酸尿黑酸延胡索酸、延胡索酸、乙酰乙酰 乙酸乙酸酪氨酸酶酪氨酸酶酪氨酸羟化酶酪氨酸羟化酶(神经、肾上腺神经、肾上腺)苯乙酸苯乙酸苯丙氨酸转氨酶苯丙氨酸转氨酶多巴（多巴（DOPA）甲状腺激素甲状腺激素Parkinson disease 5354555610.7 代谢组学的研究 代谢组是指一个细胞、组织和器官中，所有代谢组分的集合；代谢组学是对某一生物或者细胞所有低分子量代谢产物进行定性和定量分析，以检测活细胞中化学变化的科学；以组群指标分析为基础，以高通量检测和数据处理为手段，以信息建模与系统整合为目标。57本章习题简述热力学定律与生物能学的关系。G有何实际意义？从ATP的结构特点说明其在能量代谢中的作用。