第六章代谢总论和生物氧化

COOCH NH3+
CH2
CH2 H3C S+ A
2021年1月11日星期一
38
2）ATP的特殊作用 1）细胞内放能反应、需能反应的化学偶联剂 2）磷酸基转移的作用 Glc进入血液中，磷酸化（唯一出路） G-6-P Glc的一种活化形式 已糖激酶催化：Glc+ATP→G-6-P+ADP。 3一磷酸甘油：甘油活化形式，参与脂肪合成 甘油激酶：甘油+ATP→3一磷酸甘油+ADP
（脂、多糖、蛋白质、核酸等） 需要能量：ATP
电子载体（NADH、NADPH和FADH2）
2021年1月11日星期一
16
（六）生物体内能量代谢的基本规律
能量代谢 伴随着生物体的物质代谢所发生的一系列的 能量转变
热力学第一定律：能量守恒 热力学第二定律：任何一种物理或化学的过程都自发地趋
向于增加体系与环境的总熵
2.代谢研究的主要内容: 1).营养物质的摄入 2).营养物质的消化和降解：由大分子形成小分子 3).由小分子物质合成自身需要的各种生物分子 4).提供和储存生命活动所需要的能量
2021年1月11日星期一
6
（二）代谢作用的特点 1、中间代谢极强的顺序性 2、条件温和，酶催化 3、自我调节 4、代谢中每一步反应都涉及到物质和能量
R－CHNH2－COOH R－CH2NH2 ＋ CO2
HH
H
H
OH OH
2021年1月11日星期一
34
c、烯醇式磷酸化合物
COOH O CO P CH2 O
O 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔
2021年1月11日星期一
35
（2）氮磷键型
储存能量
O
O
NH
P O NH
PO
C NH O C NH O
N CH3
CH2COOH
磷酸肌酸 10.3千卡/摩尔
2021年1月11日星期一
43
形式 加氧氧化
苯丙氨酸 O2 酪氨酸
脱氢氧化
OH CH3CHCOOH
乳酸脱氢酶
O CH3CCOOH
乳酸
NAD+
NADH 丙酮酸
2021年1月11日星期一
44
电子转移
2021年1月11日星期一
45
（四）生物氧化中二氧化碳的生成 1、直接脱羧作用（direct decarboxylation） 1）α-直接脱羧：氨基酸
标准条件：25℃，反应物的浓度都是1mol/L （气体则是1大气压） 若同时定义pH =7.0，△G°′
2021年1月11日星期一
21
溶液中的化学反应： aA + bB → cC + dD
G G/ RT ln [C]c[D]d [ A]a[B]b
2021年1月11日星期一
22
平衡，△G = 0
2021年1月11日星期一
28
5、生物体内的高能化合物
高能化合物：水解时释放5000卡/mol以上自由能的化合物
高能磷酸化合物：水解每摩尔磷酸基能释放5000cal以上能
量
P
的磷酸化合物。～P，～
2021年1月11日星期一
29
.生物能及其存在形式
① 生物能和ATP
❖ ATP是生物能存在的主要形式 ❖ ATP是能够被生物细胞直接利用的能量形式。 ❖ 生物化学反应也服从热力学的规律。
2021年1月11日星期一
4
assimilation
dissimilation
物质的合成与分解（substance metabolism） 能量的转换、储存和释放（energy metabolism）
2021年1月11日星期一
5
生长旺盛： 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
2021年1月11日星期一
13
2、使用各种酶抑制剂和拮抗物：
NADH NADH-Q —|| QH2 —|| Cyt C1 还原酶 鱼藤酮 抗霉素A 安密妥
Cyt C 细胞色素氧化酶 —|| O2 CN-，N3，CO
3、遗传缺陷分析：例如，尿黑酸症、苯丙酮尿症。
4、其它研究方法：苯环示踪法， 核磁共振法， 量气法等，代谢组学
2021年1月11日星期一
39
3）磷酸肌酸、磷酸精氨酸的储能作用
磷酸肌酸：易兴奋组织（如肌肉、脑、神经）唯一的起 暂时储能作用的物质。
磷酸精氨酸：无脊椎动物肌肉中的储能物质
2021年1月11日星期一
40
二、生物氧化（又称呼吸作用）
（一）概念
有机物在生物体细胞内的氧化 包括物质分解和产能
O2
CO2 + H2O +能量
5、代谢描述的是细胞的所有反应
6.代谢途径一般都局限于细胞内特定的区域： 也称区室化（compartmentation)
2021年1月11日星期一
7
整体水平：激素或激素同神经系统的综合调节 细胞水平：胞内酶布局的区域化 分子水平：酶的反馈抑制和基因表达的调控
2021年1月11日星期一
8
（三）代谢研究的对象和常用材料 活细胞： • 单细胞、多细胞生物 • 病毒、噬菌体等
2021年1月11日星期一
12
1、同位素示踪技术：
同位素：原子序数相同（在周期表上地位相同， 化学性质相同），但质量不同的元素。
天然同位素：稳定的同位素。如： 2H（D）、 15N、 13C和18O 质谱分析
放射性同位素：人工制备，不稳定。有特定的半衰期。 常用的：32 P、14C、3H、34S，放射自显影，计数法等
一 新陈代谢总论 二 生物氧化
2021年1月11日星期一
1
主要内容：介绍新陈代谢的概念 和研究方法，生物能力学的基本内 容和高能化合物的概念和特点。
2021年1月11日星期一
2
一、新陈代谢
☺ 新陈代谢（metabolism） ☺ 代谢研究的特点 ☺ 代谢研究的对象和常用材料 ☺ 代谢研究的方法 ☺ 代谢作用中的能量关系 ☺ 生物体内能量代谢的基本规律
N CH3 NH2
CH2CH2CH2CHCOOH
磷酸精氨酸 7.7千卡/摩尔
2021年1月11日星期一
36
（3）硫酯键型
O R C SCoA
酰基辅酶A
NH2
N
N
O
OS O-
O
OP O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
1‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
2021年1月11日星期一
37
（4）甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸
31
1）高能化合物的类型 （1）磷氧键型 a、酰基磷酸化合物
O
O O-
C O P O-
CH OH O
OO CH3 C O P O-
O-
乙酰磷酸
CH2 O P OO-
1，3-二磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔
10.1千卡/摩尔
2021年1月11日星期一
32
O
O
H3N+ C O P OO-
氨甲酰磷酸
O
2021年1月11日星期一
3
（一）新陈代谢
1.概念 生物体与周围环境进行物质和能量交换的过程 活细胞内所有化学变化的总称——代谢 生物学角度：生物体从外界摄取各种生活物质， 转化为自身生命活动所需的物质和能量，并将废 物排出体外的过程。 动态生物化学角度：营养物质在生物体内所经历 的一切化学变化，总称为新陈代谢。简称，代谢。
24
△G是任意给定条件下的自由能变化 反应物A、B、C、D的起始浓度、温度、pH的状态函数 自发进行的化学反应，△G总是负值（降低） 随着反应向平衡点的趋近，△G的绝对值逐渐缩小，直到为0 根据△G0、△G 与K判断任何条件下反应进行的方向及程度
2021年1月11日星期一
25
3、自由能变化的可加和性 偶联的几个化学反应中，自由能总变化等于每一步反应自由 能变化的总和 Glc+ATP→G-6-P+ADP（总反应） 第一步：Glc+Pi→G-6-P+H2O（反应不能自发进行） 第二步：ATP+H2O→ADP+Pi 因此，热力学上不能进行的反应，可与其它反应偶联，驱动 整个反应进行。生物体内很普遍
G/ RT ln [C]c [D]d [ A]a [B]b
RT ln K / 2.303 log K /
K′：平衡常数 △G°′：常数
2021年1月11日星期一
23
△G°′：化学手册 △G°′= -RT lnK，求平衡常数K′ 每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化
2021年1月11日星期一
2021年1月11日星期一
14
（五）代谢作用中的能量关系
1、分解代谢
有机物 → 更小、更简单的终产物
（糖、脂和蛋白质） （乳酸、CO2和NH3等） 释放能量：部分被转化：ATP、电子载体
（NADH、NADPH、FADH2） 其余：热量散失
2021年1月11日星期一
15
2、合成代谢
生物合成
小、简单的前体物质→更大、更复杂的分子
O
O
RC
O
O POA O-
酰基腺苷酸
RCH C O P O A
N+H3
O-
氨酰基腺苷酸
2021年1月11日星期一
33
b、焦磷酸化合物 O
O
焦磷酸
O- P O P O- 焦磷酸
ATP
O-
O-
ADP
NH2
ATP（三磷酸腺苷）
O
7.3千卡/摩尔 O- P
O-
O O- P
O-
O O- P
O-
N
N
NN OCH2 O
2）△G：判断一个过程能否自发进行的根据 △G<0：反应能自发进行，有用功 △G>0：不能自发进行，供能 △G=0：平衡状态 总热量的变化（△H），不能作为反应能否自发进行的判据 自由能的变化才是唯一准确的指标
2021年1月11日星期一
20
2、标准自由能变化及其与化学反应平衡常数的关系
标准自由能变化（△G°）： 规定的标准条件下的自由能变化
2021年1月11日星期一
26
2021年1月11日星期一
27
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)。
2021年1月11日星期一
17
1、化学反应中的自由能变化及其意义
1）化学反应中的自由能
自由能（G）：反应体系中，能够用来做有用功的能量
恒温、恒压进行的化学反应 有用功：反应前后自由能的变化 自由能的变化：
△G = G产物 — G反应物 = △H - T△S △G：体系的自由能变化 △H：体系的焓变化（热变化） T：体系的绝对温度 △S：体系的熵变化
2021年1月11日星期一
18
焓、熵：体系的状态函数 焓： H = U （内能）+ P*V （压力、体积）
dH = dU + P*dV + V*dP 熵：体系中能量的分散程度，即体系的无序程度
△S = dQ／T △S = △S体系+△S环境 △S≥0，过程才能自发进行
2021年1月11日星期一
19
物群体等
❖ 体外研究（in vitro）：用器官或组织的切片、匀浆液 或组织提取液
2021年1月11日星期一
10
（四）研究代谢的方法 活体内实验（in vivo） 生物体在正常生理条件下，在神经、体液等 调节机制下的整体代谢，接近生物体实际
2021年1月1itro） 生物体分离的组织切片、组织匀浆或体外培养 的细胞、细胞器和细胞抽提物研究代谢过程 代谢途径阻断（酶抑制剂、抗代谢物） 同位素示踪法 遗传缺陷分析 其他方法
② 高能化合物
生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分 用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用 转移至高能磷酸化合物ATP中。
2021年1月11日星期一
30
高能化合物
磷酸化合物
磷氧型 磷氮型
烯醇磷酸化合物 酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物
非磷酸化合物
硫酯键化合物 甲硫键化合物
2021年1月11日星期一
2021年1月11日星期一
9
❖ 大肠杆菌（Escherichia coli）：细菌代谢代表 ❖ 大肠杆菌T4噬菌体（Bacteriophage T4） ❖ 红色面包霉（Neurcspora crassa）：生化遗传 ❖ 小球藻（Chlorella vulgaris）：光合作用研究经典材料 ❖ 玉米（Zea mays）：光合作用、遗传 ❖ 鸽（Columba livia）：代谢循环 ❖ 大鼠（Mus musculus）：代谢 ❖ 兔（Lepus californicus）：免疫生化 ❖ 体内研究（in vivo）：用完整生物体、整体器官、 微生
呼吸作用 细胞呼吸（微生物）
2021年1月11日星期一
41
（二）生物氧化的特点
1、能量逐步释放 2、能量储存在高能化合物中
主要：ATP 水解释放，供给生物体的需能反应 3、严格的细胞内定位 原核生物：细胞膜 真核生物：线粒体
2021年1月11日星期一
42
（三）生物氧化的本质及形式
本质
电子的得失 失电子者为还原剂，电子供体 得电子者为氧化剂，电子受体