第十四章 代谢及代谢调节

代谢调节可分为三个不同水平：
•分子水平
•细胞水平
•整体水平
四、代谢中常见的有机化学反应机制
•基团转移反应 •氧化-还原反应 •消除、异构化和重排反应 •碳-碳键的形成与断裂反应
第二节 新陈代谢研究Biblioteka Baidu法
一、同位素示踪法 二、酶抑制剂的应用 三、气体测量法 四、核磁共振波谱法 五、利用遗传缺陷症研究代谢途径
是通过酶的变构效应来实现的。
（1）限速步骤和限速酶
（2）前馈和反馈激活
（3）反馈抑制
（4）前馈和反馈调节中酶活性调节的机制
反馈调节中酶活性调节的机制
代谢物
别
构
活性
中
中心
心
共价修饰
酶分子中的某些基团，在其它酶的催化下， 可以共价结合或脱去，引起酶分子构象的改变， 使其活性得到调节，这种方式称为酶的共价修饰 （Covalent moldification ）。目前已知有六种修饰方 式：磷酸化/去磷酸化，乙酰化/去乙酰化，腺苷酰 化/去腺苷酰化，尿苷酰化/去尿苷酰化，甲基化/ 去甲基化，氧化（S-S）/还原(2SH)。
Keq - 平衡常数：
Keq

[C]C [D]d [ A]a[B]b
化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系
•任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。
氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧 还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下
式计算： 0（ ΔE0 ） = E0正极-E0负极
3-磷酸甘油 脂肪酸
甘油

氧
合
化
成
丙酮 酸
乙酰 CoA
植物或微 生物
三羧酸 循环
乙醛酸 循环
糖原（或淀粉） 1，6-二磷酸果糖
磷酸二羟丙酮 磷酸烯醇丙酮酸
草酰乙酸 苹果酸 延胡索酸 琥珀酸
糖的分解代谢和 糖异生的关系
天冬氨酸
（PEP） 丙氨酸
（胞液） （线粒体）
（转氨基作用） 谷氨酸
糖
蛋白质 核酸
酶和多种蛋白质因子。
• 各类物质代谢都离不开具备高能磷酸键的各种核苷酸，如ATP
是能量的“通货”，此外UTP参与多糖的合成，CTP参与磷脂合 成，GTP参与蛋白质合成与糖异生作用。
•核苷酸的一些衍生物具重要生理功能（如CoA、NAD+，NADP+，
cAMP，cGMP）。
脂肪代谢和糖代谢的关系
三酰甘油
淀粉、糖原
脂肪
类
氨基酸
核苷酸
1-磷酸葡萄糖
脂 类 生糖氨基酸
核糖-5-磷酸
6-磷酸葡萄糖
氨
甘氨酸
磷酸二羟丙酮
基
天冬氨酸 谷氨酰氨
PEP
酸 和
丙氨酸
甘氨酸 丝氨酰
生酮氨基酸
亮氨酸
丙酮酸
核
苏氨酸 半胱氨酸
赖氨酸 酪酰氨
苷 酸
天冬氨酸 天冬酰氨
色氨酸 笨丙氨酸
异亮氨酸
乙酰乙酰CoA
甘油
脂肪酸
丙二单酰CoA
养
ATP
细
（化 学 能）
胞
(CH2O)
呼
+O2
吸
作
用
合成 分解
(CO2) +H2O
（化 学 能）
电子传递
（电 能）
异
ADP
生 命 现 象
ATP
养
（化 学 能）
细
生物合成
机械功
胞
主动运输
生物发光
生物发电
生物发热
三、新陈代谢的调节
生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调 配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物 机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精 密的调节机制是生物在长期演化中获得的。
代谢调节
生命是靠代谢的正常运转维持的。生命有限的空间内同 时有那麽多复杂的代谢途径在运转，必须有灵巧而严密的调 节机制，才能使代谢适应外界环境的变化与生物自身生长发 育的需要。调节失灵便会导致代谢障碍，出现病态甚至危及 生命。在漫长的生物进化历程中，机体的结构、代谢和生理 功能越来越复杂，代谢调节机制也随之更为复杂。
代谢调节的四级水平： 酶水平调节 细胞水平调节 激素水平调节 多细胞整体水平调节 神经水平调节
酶水平的调节
1、酶原激活 2、酶的别构效应
酶活性的前馈和反馈调节 3、酶的共价修饰与级联放大机制 4、辅因子对已有酶活性的调节
酶
细胞质:酵解;磷
定
戊糖途径;糖原 合成;脂肪酸合
位
成;
的
区
域
化
细胞核:核酸合成
特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途 径逐步进行
新陈代谢的概念及内涵
小分子 大分子
合成代谢（同化作用）
需要能量
新
能
物信
陈
量
质息
代
代
代交
谢
谢
谢换
释放能量
分解代谢（异化作用）
大分子 小分子
二、 生 物 界 能 量 传 递 及 转 化 总 过 程
光
合
作
ADP
用
太阳
（光 能）
自
电子传递
（电 能）
O
O
O
腺嘌呤—核糖—
O
—
P
+ —
O
—
+ P—
O
—
P
—+
O-
O-
O-
O-
Mg2+
ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+
G ＝-30.5kJ•MOL-1 G ＝-33.1kJ•MOL-1
ATP在能量转运中地位和作用
二、自由能（free energy）
物理意义：－ΔＧ＝Ｗ* (体系中能对环境作功的能量) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： ΔG<0，反应能自发进行 ΔG>0，反应不能自发进行 ΔG=0，反应处于平衡状态。
自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物 体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也 正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发 进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。
三、 化学反应中自由能的变化和意义
1、化学反应的自由能变化的基本公式
ΔＧ=ΔH-TΔS
2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系 3、偶联化学反应ΔG°′变化的可加性 4、能量学用于生物化学反应中的一些规定
化学反应自由能的变化和平衡常数的关系
假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + dD 恒温恒压下：ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc
生物系统中的能流
脂肪
多糖
蛋白质
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
乙酰CoA
磷酸化
电子传递 （氧化）
+Pi
e-
三羧酸 循环
四、 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
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。
在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以
相加的：例：
A = B+C
ΔG°′= + 20.92 KJ/mol
B=D
ΔG°′= - 33.47 KJ/mol
则 A=C+D
ΔG°′= - 12.55 KJ/mol
该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力 学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所 驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。
（生糖氨基酸）
脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系
甘油 脂肪
磷酸二羟丙酮
脂肪酸 乙酰CoA 氨基酸碳架
氨基酸
蛋白质
蛋白质 氨基酸 酮酸或乙酰CoA （生酮氨基酸）
脂肪酸 脂肪
核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
• 核酸是细胞内重要的遗传物质，控制着蛋白质的合成，影响细
胞的成分和代谢类型
• 核酸生物合成需要糖和蛋白质的代谢中间产物参加，而且需要
五、高能化合物
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（>21千焦/摩尔）的化合物称 为高能化合物。
一、高能化合物的类型
二、ATP的特点及其特殊作用
高 能 化 合 物 类 型
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（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。
糖代谢与脂类代谢的相互联系
有氧氧化 乙酰CoA，NADPH 从头合成 脂肪酸
糖
脂肪
酵解 磷酸二羟丙酮
α-磷酸甘油
甘油
磷酸二羟丙酮
糖代谢
脂肪
脂肪酸 -氧化 乙酰CoA乙(植醛酸物循环) 琥珀酸 糖异生 糖
TCA
糖代谢与蛋白质代谢的相互联系
糖 →→ α-酮酸 NH3 氨基酸
蛋白质
蛋白质 氨基酸 α-酮酸 糖
4、能量学用于生物化学反应中的一些规定
1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时， 水的浓度（近似的即活度）为1.0。 2、生物体标准状况的pH规定为7.0。 3、 ΔG°′是 pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。 4、根据国际单位制(Le Systeme international Unut ，简称 SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。
式中：ΔG°′= - RTlnKeq
ΔG′ — 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应
的pH和温度而改变的自由能变化。
Qc
-
浓度商： QC
[C]C [D]d [ A]a[B]b
ΔG°′ — 标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为
1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。
•生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理
和原电池一样。
•氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：
ΔG°′=－nFΔE°′
•氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： 0（ ΔE0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq
3、偶联化学反应ΔG°′变化的可加性
★ ATP是细胞内的“能量通货” ★ 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 12
酸 基
10
团8
3-磷酸甘 油酸磷酸
～P ～P
转
移6
能
4
2
0
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
第四节 物质代谢联系
一、糖代谢与脂类代谢的相互关系 二、糖代谢与蛋白质代谢的相互联系 三、脂类代谢与蛋白质代谢的相互联系 四、核酸与糖、脂类、蛋白质代谢的联系
第十四章 代谢及代谢调节 Metabolic Network and Regulation
第一节 新陈代谢通论 第二节 新陈代谢研究方法 第三节 生物能学、高能化合物 第四节 物质代谢联系 第五节 代谢调控
第一节 新陈代谢通论
一、新陈代谢概念 二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位 三、新陈代谢的调节 四、代谢中常见的有机反应
线粒体:丙酮酸氧化;三羧 酸循环;-氧化;呼吸链电 子传递;氧化磷酸化
内质网:蛋白质合成 ;磷脂合成
酶活性的前馈和反馈调节
前馈（feedforward ）和反馈（feedback ）是来自 电子工程学的术语，前者的意思是“输入对输出的影响”， 后者的意思是“输出对输入的影响”，这里分别借用来说 明底物和代谢产物对代谢过程的调节作用。这种调节作用
一、新陈代谢的概念
新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一， 泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换 的过程。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（assimilation）；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（dissimilation ），通过上述过程不 断地进行自我更新。
乙酰CoA
胆固醇
之 间
酪氨酸
天冬氨酸 苯丙酰氨
的 代
异亮氨酸 甲硫酰氨
苏氨酸
谢
缬氨酸
联
谷氨酸 谷氨酰氨
系
组氨酸 脯氨酸
亮氨酸 色氨酸
草酰乙酸 苹果酸
延胡索酸 琥珀酸
琥珀酰CoA -酮戊二酸
乙醛酸
柠檬酸 异柠檬酸
精氨酸
第五节 代谢调控
一、代谢调节的概念 二、细胞区域化调节 三、酶水平的调节 四、激素调节
例：糖原磷酸化酶的共价修饰
磷酸化酶
（无活性）
ATP
ADP
激酶
磷酸酯酶
P -OH
H2O
磷酸化酶 P
（有活性）
酶级联系统 调控示意图
意义：由于
肾上腺素或 胰高血糖素
1、腺苷酸环化酶
（无活性）
腺苷酸环化酶（活性）
肾上腺素或 胰高血糖素
1
酶的共价修饰 反应是酶促反 应，只要有少 量信号分子 （如激素）存 在，即可通过 加速这种酶促 反应，而使大 量的另一种酶 发生化学修饰， 从而获得放大 效应。这种调 节方式快速、
第三节 生物能学及高能化合物
一、有关热力学的一些基本概念 二、自由能的概念 三、化学反应中自由能的变化和意义 四、生物体的能流和能量产生的三个阶段 五、高能化合物
一、有关热力学的一些基本概念
•体系、环境、状态 •能的两种形式 — 热与功 •热力学第一定律和内能(internal energy)、焓(enthalpy) •热力学第二定律和熵(entropy) •自由能(free energy)