新陈代谢总论

物质 能量代谢
分解代谢
一般释放能量 生物大分子分解为生物小分子
代谢
二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢
物质代谢和能量代谢
物质代谢：各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、
核酸等）在细胞内发生酶促反应的途径及调控机理， 包含旧分子的分解和新分子的合成；
能量代谢： 光能或化学能在细胞内向生物能（ATP）
“高能键”与“键能”（energy bond）区 别：
“键 能”——断裂一个化学键所需要的能量；
“高能键”——水解或转移该键所释放的能量。
2、高能化合物概念及种类
生化反应中，在水解时或基团转移反应中可 释放出大量自由能（>25千焦/摩尔）的化合物称 为高能化合物。 细胞中重要的高能键：高能磷酸键和高能硫脂键。
NH2 N O O
-
N N N
O O
-
O O
-
P O
P O
P O
-
O CH2 H H
O H H
OH
OH
三磷酸腺苷 (ATP)
ATP的特点
在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全 解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4- ），具有较 大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大 （Δ G°′=-30.5千焦/摩尔）。
生物化学
第八章 代谢总论
重 点
掌握高能键的概念 ATP在生物氧化中的重要作用。
一、新陈代谢的概念
新的来，旧的去
花开花落
“长江后浪推前浪，一代新人换旧人”
生化定义——泛指生物与周围环境进行 物质与能量交换的过程。是生物体物质 代谢与能量代谢的有机统一
特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行
转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。
脂肪
多糖
蛋白质
生物体内能量产生 的三个阶段
大分子降解 成基本结构 单位
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
小分子化合物 分解成共同的 中间产物（如 丙酮酸、乙酰 CoA等）
共同中间物进 入三羧酸循环, 氧化脱下的氢由 电子传递链传递 生成H2O，释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
典型案例
离体法(in vitro) 器官、组织或细胞
糖代谢、生物氧化等等
各类组织细胞
各种破碎方法
碎片置于试管中
向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代 谢中间产物及酶，逻辑推断。
参与酶的确定
1、利用酶的抑制剂
代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累 碘乙酸——3-磷酸甘油醛脱氢酶 氟化钠——烯醇化酶
意 义：
（1）ATP是产能反应和需能反应之间最 主要的能量介质
放能反应通过氧化磷酸化反应合成ATP，贮存能量； 需能反应则通过ATP水解供应之。
a、当ATP提供能量时，在ATP远端的γ-磷酸基团 水解为无机磷酸分子，变成腺苷二磷酸。
ATP + H2O ＝ ADP + Pi + H+ G ＝-30.5kJ•MOL-1
P ~ O
二、高能化合物与ATP
1、高能键（high-energy bond）
高能键是1941年普曼（Fritz Lipman）提出的一 个概念，用“~”表示，是指其结构不稳定，性质 活泼，自发水解或基团转移的趋势很强，当其发 生水解或基团转移反应时，释放的自由能很多。
高能键中的“高能”是指其自由能高，并非键能 高。
反应生成的磷酸化葡萄糖分子具有较高的自由能，易进 一步参加反应。
（3）ATP参加高能磷酸基团转移反应 ATP在磷酸基团转移中起“中间传递体”的作 用，故称“磷酸基团传递者货” ★ ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体 14 磷酸烯醇式丙酮酸 磷 酸 基 团 转 移 能 12 10 3-磷酸甘 油酸磷酸 8 6 4 2 0
ATP
（化 学 能）
现
象
新陈代谢的特点 1、 不同生物的代谢大同小异
• 大同
各类生物的物质的代谢途径十分相似
为什么具有许多相同之处呢？
共同的祖先！
小异
也有偏向
低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高
等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好氧
代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。
乌龟
蜂鸟

2、 反应
步骤繁多，具有严格的顺序性；
3、 与环境相适应，
自动调节；
在整体水平进行调节 在细胞水平进行调节 通过酶活性调节来进行调节。
反馈作用：
中间代谢(intermediary metabolism)：物质进入 细胞后，在细胞内的化学变化过程，也就是细 胞内的合成和分解过程。
代谢途径(central metabolic pathways)：中间代谢 通过一系列的化学反应来完成，这些化学反应有 特定的顺序，这种按照严格顺序进行的一系列化 学反应，即构成了某物质的代谢途径。
+Pi
磷酸化
电子传递 （氧化）
e-
三羧酸 循环
代谢的研究方法
代谢的实质是物质在酶的作用下分解或合成，所以代谢 的研究内容也即分为两个方面：
参与的酶 物质的变化过程 通过巧妙的实验设计、严密的逻辑推断与重复性的验证。
整体方法（in vivo)
纯 化 合 物
典型案例
脂肪酸的β氧化
排泄物的化 学分析
Knoop的标记化合物实验 脂肪酸的β氧化 脂肪酸末端甲基接上苯基 偶数碳FA 苯乙酰-N-甘氨酸（苯乙尿酸） 奇数碳FA 苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）
3、ATP的结构及意义 生物体每天要消耗大量ATP 安静状态的成年人：每天消耗40kgATP； 激烈运动时：每分钟就消耗0.5kg。
O O O + + + O腺嘌呤—核糖— O — P — O ~ P — O ~ P — OOO-
非储存能量的形式,是传递能量的形式
ATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物
CTP在合成磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺等生物合成。
高 能 化 合 物 类 型
2、利用遗传缺陷症研究代谢途径
黑色素是吲哚醌的聚合物 白化病(albinism)缺乏酪氨酸酶
苯丙酮尿症(phenyl ketonuria)
物质的转化
同位素示踪法
利用含放射性同位素的物质，测试其在不同物质间的转移
γ
O
β
O
32
α O
O P O O H2 C O A
高能化合物 ATP
O
P ~ O O
O O O + + + O腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P —
O-
OMg2+
O-
ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+
G ＝-30.5kJ•MOL-1 G ＝-32.2kJ•MOL-1
b、在某些情况下，ATP的α和β磷酸基团之间的 高能键被水解（即同时水解γ和β-磷酸基团），形 成AMP和焦磷酸。
ATP + H2O ＝ AMP + PPi + H+ G ＝-32.2kJ•MOL-1
（2）作为磷酸基团供体参与磷酸化反应
生化反应中，无论是分解代谢还是合成代谢，常常需要 先将反应底物分子活化，磷酸化是一种普遍活化方式。
合成代谢和分解代谢
生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过 一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用 另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，
分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用，
通过上述过程不断地进行自我更新。
生物 体的 新陈 代谢
合成代谢
生物小分子合成生物大分子 一般需要能量
～P ～P
磷酸肌酸（磷酸基团储备物）
～P
ATP
～P ～P
6-磷酸葡萄糖
3-磷酸甘油
4、 ATP系统的动态平衡 ATP作为自由能的贮存分子，其产生和利用 处于动态平衡中。 一般情况下，ATP在形成后一分钟内就会被利 用，故严格说来ATP不是能量的贮存形式，而 是传递能量的物质。
5、其他供能核苷酸
GTP参与蛋白质生物合成； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用；
太
阳
（光 能）
生 物 界 能 量 传 递 及 转 化 总 过 程
光 合 作 用
电子传递
（电 能）
自 养 细 胞
ADP
合成
ATP
（化 学 能）
呼 吸 作 用
CO2 +H2O
分解 电子传递
(CH2O) +O2
（化 学 能） （电 能）
异 养 细 胞
ADP
生 命 生物合成 机 械 功 主动运输 生物发光 生物发电 生物发热