生物化学5生物能学与生物氧化

生物能学与生物氧化

代谢总论

营养物质进入体内，转变为生物体内自身的分子以及生命活动中所需的物质和能量等等。营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称新陈代谢

新城代谢靠酶催化，都有其特殊的调节机制。

ATP的合成反应在线粒体上进行的，而ATP的供能反应大多是在细胞溶胶内进行的。物质分解代谢产生ATP的的过程大致可分为三个阶段，第一个阶段由营养物的大分子分解为较小的分子，第二个阶段是由各种小分子进一步转化成少数几种共同物质，第三个阶段由柠檬酸循环和氧化磷酸化两个个共同代谢途径组成，这个阶段是形成ATP的主要阶段ATP在提供能量时，在ATP远端的那个磷酸基团水解成无极磷酸分子，ATP分子失掉一个磷酰基而变成腺苷二磷酸（ADP）。腺苷二磷酸又可以在捕获能量的前提下，再与无极磷酸结合形成ATP。

ATP分子一旦形成就马上被利用掉，所以严格的说ATP并不是能量的储存形式，而是一

种传递能量的分子。

递能作用

由营养物质分解大写释放出的化学能，除了通过合成APP的途径捕获外，还有另外一种途径就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应。这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成的。脱氢酶催化物质的脱氢反应，将脱下的氢原子和电子传递给一类特殊能接受这种氢原子和电子的辅酶，叫做辅酶一或辅酶二

FMN，译名为黄素腺嘌呤单核甘酸，FAD 译名黄素嘌呤二核苷酸，它们是另一类在传递电子和氢原子中起作用的载体。FMN和FAD都能接受两个电子和两个氢原子，它们在氧化还原反应当中，特别是在氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用

辅酶 A 简写为CoＡ，分子中含有腺嘌呤、Ｄ－核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和巯基乙胺。巯基是ＣｏＡ的活泼基团，它在酶促转乙酰基的反应中个，起着接受或提供乙酰基的作用。乙酰基和辅酶 A 是通过一个硫脂键结合的。这个硫脂键与ATP的高能磷酸键类似，在水解时能放出大量热量，因此乙酰辅酶A具有高的乙酰基转移势能。乙酰辅酶A 携带的乙酰基不是一般的乙酰基，而是活泼的乙酰基团。许多物质代谢都会形成乙酰辅酶

乙酰辅酶 A 是能源物质代谢的重要中间代谢产物，在体内能源物质代谢中是一个枢纽性的物质。糖、脂肪、蛋白质三大营养物质通过乙酰辅酶 A 汇聚成一条共同的代谢通路——三羧酸循环和氧化磷酸化，经过这条通路彻底氧化生成二氧化碳和水，释放能量用以ATP的合成。乙酰辅酶 A 是合成脂肪酸、酮体等能源物质的前体物质，也是合成胆固醇及其衍生物等生理活性物质的前体物质。

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部完成，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４.整体水平上，主要靠激素或激素伴同神经系统进行的综合调节。细胞水平上，主要通过胞内酶布局的区域化而实现。分子水平上，主要通过酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现５. 代谢遵循基本的物理学uefa 、化学规律６. 热力学上不能自发进行的反应通过与功能反应相偶联得以进行新陈代谢的研究方法

１. 酶的抑制剂：可使途径受到阻断，结果某一种代谢中间产物的，从而为测定中间产物提供可能２. 利用遗传缺陷症代谢途径：患有遗传缺陷的病人，由于先天性基因的突变，在体内往往表现为缺乏某一种酶，为该酶作用的前体不能进一步参加代谢过程，从而造成这种前体物的积累。这种代谢中间产物因不能进一步利用而出现在血液或随尿排出体外。例如先天缺乏尿黑酸氧化酶的病人，

络氨酸的代谢中间物尿黑酸不能氧化而随尿排出体外在空气中使尿变为黑色，

３. 气体测量法

４. 同位素示踪法

ATP的结构特性

腺苷三磷酸是一份子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸腺苷三磷酸分子中的三个磷酸从与分子中的腺苷基团相连的磷酸算起，依次为、、。后二者磷酸基团容易水解释放大量的自由能。原因是是腺苷三磷酸中的酸酐键的共振稳定性小于磷脂键型。这是以为内磷酸基团酸酐键缺失的两个电子和它相邻的氧桥争夺电子引起的电子转移，由于共振的原因，磷酸自会缺失两个电子，这时两个磷原子之间的氧原子上的价电子就受到磷原子的争夺而使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。

另外造成酸酐键不稳定的重要因素是磷酸基团之间相邻的负电荷之间相互排斥。在生物体的PH 条件下，ATP内约有４个负电荷。这４个负电荷在空间上相距很近。它们之间的相互排斥促使ATP 的磷酸基团易于水解。当ATP末端磷酰基脱下后，分子内相同电荷的斥力由于形成ATP3、HPO42而得到缓和，再结合形成ATP的可能性极小。因此促使ATP向水解的方向进行。

ATP3、HPO42是ATP水解的产物，都是共振杂化物，比ATP具有更大的共振稳定性。

另外ATP 容易水解的因素还有酸酐键溶剂所需能量小于磷脂键。众多因素主要归为两类，一是导致反应物不稳定的因素，二是导致产物稳定的因素。

细胞内影响ATP自由能释放的因素

细胞内环境PH=7左右，此时ATP和ADP的全部磷酸基团处于解离状态，成为多电荷负离子形式。即ATP4、ADP 3。细胞内存在有大量的镁离子。镁离子与上述二者形成复合物。

ATP水解释放的自由能受到许多因素的影响。PH升高时，ATP释放的自由能明显升高。形成的复合物也会明显影响ATP的自由能，镁离子与这些离子化的磷酸化合物的亲和力随着PH升高而增加。

磷酸肌酸和磷酸精氨酸及其他贮能物质

神经和肌肉细胞活动的直接供能物质是ATP，但是ATP在细胞中的含量很低，低微的含

量只能提供肌肉剧烈活动１ｓ左右的消耗。而在肌肉和脑中的磷酸肌酸的含量远超过ATP，在脑中大约相当ATP的 1.5 倍，在肌肉中相当于ATP的 4 倍

肌酸磷酸是细胞内首先供应ADP使之再合成ATP的能源物质，磷酸肌酸又称肌酸磷酸磷酸肌酸在肌酸激酶的催化下，很容易将磷酸基团传递给ADP，从而使ATP再生。磷酸

肌酸则变成肌酸，此反应可逆．即ATP和肌酸生成磷酸肌酸，此反应是细胞代谢反应中接近平衡反应的一个典型例子。其生物学意义在于它能够随时有效地调整反应物和产物的浓度变化，磷酸肌酸的高含量以及比ATP 高的磷酸转移势能，使ATP含量维持其高的稳定水平。一般认为人体鸡肉粥磷酸肌酸的含量以及再合成速度是运动员速度素质的物质基础

磷酸肌酸有ATP缓冲剂之称磷酸精氨酸又称精氨酸磷酸，是某些无脊椎动物如蟹龙虾等肌肉中的贮能物质。磷酸肌酸和磷酸精氨酸以高能磷酸键作为储能物质又统称磷酸原

ATP继续水解

ATP水解两个磷酸键之后形成AMP和焦磷酸（ＰＰｉ）

焦磷酸又水解成两分子正磷酸（Pi ）

虽然表面上看ATP降解为AMP和ＰＰｉ似乎对细胞利用能不是经济途径，但是生物体这种方式利用能具有特殊的生物学意义。例如萤火虫的发光物质“虫萤火酰腺苷酸” 的形成就是ATP 降解为AMP和PPi 而提供腺苷酸的ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用

除了ATP为主要能量载体外，还有其他一些5'三磷酸核苷酸和2'脱氧核苷也参与细