浙大生物化学课件10：代谢

蛋白合成与酶解
酶促反应的反馈和前馈 产能反应与需能反应的调节 激活剂和抑制剂 共价修饰与连续激活

酶活性的调节



2、细胞水平的调控



一种酶可以被分解代谢和合成代谢所公用；一种 代谢产物也可以被分解代谢和合成代谢所公用。 细胞内膜将细胞分隔成不同的区域，如线粒体、 内质网、细胞核等。 细胞水平的区域化将相反途径分隔在细胞的不同 区域，防止两条途径对相同酶和代谢物的竞争； 也保证同一种酶、同一种代谢物和别构分子在不 同区域维持不同的水平上。
4、基团转移反应
Y: + A-X → Y-A + X: 亲电基团（ A ）从一个亲核体（ X: ）转移到另 一个亲核体（Y:）

酰基转移：酰基为亲电子基团 磷酰基转移：磷酰基为亲电子基团 葡萄糖基转移：葡萄糖基为亲电子基团
六、新陈代谢的调控
1、分子水平——酶水平的调控

酶浓度的调节

三、物质代谢和能量代谢



物质循环需要大量的能量，开始于光合生物捕获太阳 能并利用太阳能合成富含能量的碳水化合物和其他有 机营养物质；这些有机物被异养生物用作能源。 在代谢过程及能量转化过程中，有一部分有用能量 （自由能）耗失，并有一定数量的能量不可逆地被转 化成了无用能（热和熵）。 与物质循环相比，能量只以一种方式流向生物圈，生 物不能再利用以热和熵散失的自由能；物质的（碳、 氧、氮）循环是连续的，而能量不断地被转化为无用 的形式，如热。
生物圈氮的循环
所有生命体都需要氮源，为合成氨基 酸、核苷酸及其他化合物所必需。



植物可利用铵或硝酸盐作为唯一氮源； 脊椎动物的氮源必须是氨基酸或其他有 机化合物； 少量的生物 — 蓝细菌和与部分植物根部 共生菌可以转变（固定）大气氮为氨； 硝化细菌氧化氨生成硝酸盐和亚硝酸盐； 一些细菌把硝酸盐转化为N2。
3、整体水平的调控

激素和神经介质对生物体的整体调控
七、新陈代谢的研究方法

体内研究（in vivo）
对生物整体、器官、组织、细胞水平上进行研究

体外研究（in vitro）
分子水平上研究
两者之间的结果要相互印证
1、同位素示踪法

体内研究：
C14标记的葡萄糖喂老鼠来研究糖原的合成。

O
-
体外研究
SCoA
O
14
O R
C
CoA
MgsB/H R O
14
MgsB/H OH
C O O
O-
R=H, Me
SDS-PAGE
放射自显影
2、抗代谢物、酶抑制剂的应用

抗代谢物：5-溴尿嘧啶干扰尿嘧啶参与的生物合成 酶抑制剂： 1,6-二磷酸果糖 醛缩酶 磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 1,3二磷酸甘油酸

3-磷酸甘油醛脱氢酶

生物圈氧和二氧化碳的循环



许多自养生物可进行光合作用，利用太阳能 作为能量来源，而异养生物通过分解自养生 物产生的有机营养物获得能量。 生物圈中自养生物和异养生物生活在一起， 自养生物利用 CO2 建造自己的有机生物分子， 有些还分解水产生O2；异养生物利用这些有 机物作为营养物质，把 CO2 排放到大气中去， 有些在氧化反应中消耗O2产生水。 其中 CO2 、 O2 和 H2O 在自养和异养间不断循 环，太阳能是其中的驱动力。
草酰乙酸
Asp，Asn Phe，Tyr 延胡索酸
三羧酸循环
α-酮戊二酸 Glu Arg，Gln，His，Pro
琥珀酰CoA
Ile，Met，Ser，Thr，Val
二、自养生物与异养生物

自 养 生 物 （ Autotrophs ） ： 可 利 用 大 气 中 的 CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子，如光合 细菌和高等植物。 异养生物（ Heterotrophs ）：不能利用大气中 的 CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳 分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。
碘乙酸是 3-磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂，从而造 成果糖-1,6-二磷酸的累积。
3、基因型（genotype）到表型（phenotype）

（传统方法）利用遗传缺陷症研究代谢途径 基因敲除——消除蛋白（酶）——细胞、组织、生物 表型的改变——推测蛋白的功能

基因定点突变——改变蛋白（酶）活性位点——研究 蛋白的结构与功能的关系

能量代谢


生长旺盛时：合成代谢 > 分解代谢
成长的生物：合成代谢 = 分解代谢
衰老或饥饿：合成代谢 < 分解代谢
糖 磷酸丙糖 磷酸烯醇式丙酮酸 Ala，Cys，Gly， Ser，Thr，Trp Ile，Leu，Trp 丙酮酸
脂肪
甘油 脂肪酸
酮体
乙酰CoA
柠檬酸
乙酰乙酰CoA Leu，Lys，Phe， Tyr，Trp
四、新陈代谢过程


1、消化吸收：从食物摄入到进入胃后，通过一系列 酶作用，分解成简单的分子而进入细胞的过程。 2、中间代谢：在细胞内所进行的代谢中一系列酶促 反应。生物通过这些反应，营养物质发生转变，释放 出细胞或机体生长和维持所需的能量。

糖（淀粉、多糖、糖原）→ 单糖（G）→ 丙酮酸 → 乙酰-CoA → CO2+ H2O+能

整体水平上，激素或激素伴同神经系统进行的综合调节 细胞水平上，胞内酶布局的区域化而实现 分子水平上，酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现
三类非线性代谢途径
五、新陈代谢的反应机制
1、氧化反应和还原反应
NAD+ + 2H+ + 2eNADH + H+
2、碳-碳键的形成与断裂反应

亲核的负碳离子向亲电子的正碳原子攻击
新陈代谢的功能

从周围环境中获得营养物质。 将外界引入的营养物质转变为自身需要的结 构元件。

将结构元件装配成自身的大分子。 形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子。 提供机体生命活动所需的一切能量。
新陈代谢内容

物质代谢

指生物将无机化合物、CO2和水转变为有机化合物 （同化作用）或将有机化合物又分解成无机化合 物、CO2和水的相反过程（异化作用）。强调的是 物质之间的转换过程。 指生物将光能转变为化学能或在物质代谢过程中 进行能量转移及释放的反应。强调的是能量转换 过程。
代谢作用中的能量关系


分解代谢是代谢作用的分解过程，有机物（糖、脂和 蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、 CO2和NH3等），分解代谢释放能量，部分被转化为 ATP 和 还 原 的 电 子 载 体 （ NADH 、 NADPH 和 FADH2），其余的作为热量散失。 合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更 大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等， 合成代谢需要能量的输入，通常需要ATP分子磷酸酯 键的转移和还原力（NADH、NADPH和FADH2）。
1、叶绿素的光合作用： 6CO2 + 6H2O → 葡萄糖 + 6O2
光能在叶绿素作用下合成 NADPH 和 ATP （光能 → 化学能），CO2转化为己糖，H2O → O2和H+（为 NADP+接受）
2、酒精发酵： 葡萄糖 → 乙醇 + CO2 + H+
释放的H+转交给 NAD+ ，最终形成 ATP（化学能 转变）葡萄糖分解产生乙醇和CO2（物质转换）。

C:
+
C=O
C
C
OH

羟醛缩合反应 克莱森酯缩合反应 β-酮酸的氧化脱羧反应
3、消除、异构化及重排反应

消除反应（双键的形成）： 从底物上消除掉H2O、NH3、R-OH、或R-NH2


异构化反应： 在底物分子内质子的转移，即质子从一个碳原子脱离， 转移到另一个碳原子上，由此发生了双键位置的改变。 分子重排： 底物分子内部 C—C键的断裂，并重新形成新的 C—C键。

3 、排泄阶段： CO2 通过呼吸系统、 H2O 通过尿、汗 等、能量通过发热方式排出体外。
代谢作用的特点

1、代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，


由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多， 但有极强的顺序性。 2、代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由 酶所催化。 3、代谢作用具有高度灵敏的自我调节。
生物化学
浙江大学 生命科学学院 江 辉
第十章 代谢总论



一、新陈代谢的概念 二、自养生物与异养生物 三、物质代谢和能量代谢 四、新陈代谢过程 五、新陈代谢的反应机制 六、新陈代谢的调控 七、新陈代谢的研究方法
一、新陈代谢的概念
分解和 合成作用，是生物最基本的特征之一。 一方面：从环境中摄取养料，通过体内系列 化学变化，同化为组成生物的种种物质（合 成代谢或同化作用）； 另一方面：生物组成物质不断分解（分解代 谢或异化作用）。 分解代谢和合成代谢是同时进行，相互依存 的。