生物化学-7-代谢总论

• 脂双层形成了所有生物膜的基础，而蛋白质是生物膜的必要 成分。不含蛋白质的脂双层的厚度大约是5～6nm，而典型的 生物膜的厚度大约是6～10nm，这是由于存在着镶嵌在膜中或 与膜结合的蛋白质的缘故。 • 1972年，S.Jonathan Singer和Garth L.Nicolson就生物膜的结构 提出了流动镶嵌模型（fluid mosaic model）。根据这一模型 的描述，膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”飘浮在高度流动 的脂双层“海”中。 • 内在膜蛋白（integral membrane proteins）插入或跨越脂双层， 与疏水内部接触。外周膜蛋白（peripheral membrane proteins） 与膜表面松散连接。生物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白 质和脂可以快速地在双层中的每一层内侧向扩散。
• 膜的生物学功能：
• • • • • • • • 1、物质运输：主动运输和被动运输 2、能量转换：线粒体和叶绿体 3、细胞识别：抗原和抗体 4、细胞免疫：免疫细胞的受体抗原 5、神经传导：离子转运与神经冲动的传导 6、代谢调控：各种细胞器在参与代谢中的作用 7、激素和药物的作用：细胞通讯 8、肿瘤发生：异常的细胞通讯
CH2CHCHCHCH2OPOCH2 O CH3 CH3 C O NH
辅酶A在能量代谢中的作用
• 辅酶A简写为（CoA），乙酰-CoA形成的硫酯键和ATP的高 能磷酸键相似，都在水解时释放出大量的自由能。
CH3OH O CH2 C O O O P O P OH O HO P OH O OH O CH2 N O N OH N CH C NH2 N CH3 O NH CH2 CH2 C NH CH2CH2SH
合成代谢 （同化作用）
生物小分子合成为 生物大分子
需要能量 新陈代谢
释放能量 分解代谢 （异化作用） 能量 代谢
物质代谢
新陈代谢的共同特点: 1. 由酶催化，反应条件温和。 2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。 3. 对周围环境高度适应。
生物大分子分解为 生物小分子
• 新陈代谢的功能: • 1.从周围环境中获得 营养物质。 • 2.将外界引入的营养 物质转变为自身需要的 结构元件,即大分子的组 成前体。 • 3.将结构元件装配成 自身的大分子。 • 4.形成或分解生物体 特殊功能所需的生物分子。 • 5.提供生命活动所需的一切能量。
• 从图中看到分解代谢由三个 阶段组成。
总的看来，分解代谢只生成 • 在第一个阶段，大分子营养物蛋 在第二个阶段，构件分子进 在第三个阶段，乙酰 CoA 三种主要的终产物： CO2、 H2O和 一步代谢只生成少数几种分子， 进入柠檬酸循环，分子中的乙 白质、多糖、脂等降解成小的单体 NH 3。伴随着物质分解代谢的同时 其中有两个重要的化合物丙酮酸 酰基被氧化成CO2和H2O。 也产生了大量的化学能，这些能 构件分子，例如氨基酸、葡萄糖、 和乙酰 CoA。另外蛋白质的分解 量一般都是以核苷三磷酸（例如 甘油和脂肪酸等。 代谢中，氨基酸经脱氨作用可生 ATP或GTP）和还原型辅酶（例如 成氨。 NADH或FADH2）的形式保存的(见右 图 )。
同 向
单向转运
反向
协同转动
（一）Na+和K+运输

无论动物、植物细胞或细菌，细胞内、外都存在离子梯 度差。细胞内是高K+，低Na+，处环境则是高Na+，低K+。 这种明显的离子梯度显然是由于逆浓度主动运输的结果， 执行这种运输功能的体系称为Na+,K+-泵。 Na+,K+-泵就是分布于膜上的Na+,K+-ATP酶。
第六章
新陈代谢 (metabolism)
第一部分 代谢总论 第二部分 生物能学 第三部分 生物膜与物质运输
第一部分 代谢总论
• 从广义上讲，可以将新陈代谢(metabolism)描述为发生在活细 胞内的所有化学反应。新陈代谢简称代谢。 • 这些反应又分为分解代谢反应(catabolic reactions)和合成代谢 反应(anabolic reactions)。 • 分解反应可以使生物大分子降解释放出小的构件分子和能量； 活细胞利用释放的能量去驱动合成代谢反应，合成用于细胞 维持和生长所需的分子。 • 合成反应是生物体利用小分子或大分子的结构元件构成自身 大分子的过程。

高能磷酸化合物
• 机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量 的自由能，这类化合物为高能磷酸化合物。这些分子中的酸 酐键，能释放出大量的自由能。如：
ATP是高能磷酸化合物的典型 代表。 β、γ磷酸基团的酸酐键非常 容易水解并释放大量的自由能。
高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型
• 1、磷氧键型（-O-P-）
活性部分（巯基）
新陈代谢的调节
• • • 分子水平 细胞水平 整体水平
代谢中常见的有机反应机制
• 酶催化的有机反应机制可归纳为以下几种： 酸-碱催化 共价催化 金属离子催化 静电催化
反应大体可归纳为四类：
基团转移反应 酰基转移 磷酰基转移 葡糖基转移 实质是电子的得失的反应 消除反应 分子内氢原子的迁移—异构化反应 分子重排反应 羟醛缩合反应 克莱森酯综合反应 β-酮酸的氧化脱羧反应
酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物 烯醇式磷酸化合物
• 2、氮磷键型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
磷酸肌酸 磷酸精氨酸
• 3、硫酯键型（活性硫酸基） • 4、甲硫键型（活性甲硫氮酸） 3’-腺苷磷酸5’-磷酰硫酸 酰基辅酶A
第三部分 生物膜与物质运输
• 一个典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核 细胞中）。 • 膜含有的脂有一共同的特点，它们都是两性分子，含有极性 成分和非极性成分。磷脂和糖鞘脂在一定的条件下可以象肥 皂那样形成单层膜或微团，然而在体内这些脂倾向于组装成 一个脂双层。 • 由于磷脂和糖鞘脂含有两条烃链的尾巴，不能很好地包装成 微团，却可以精巧地组装成脂双层（下图）。但并不是所有 的两性脂都可以形成脂双层，如胆固醇，其分子中的极性基 团－OH相对于疏水的稠环系统太小了。 • 在生物膜中，不能形成脂双层的胆固醇和其它脂（大约占整 个膜脂的30％）可以稳定地排列在其余70％脂组成的脂双层 中。
• 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，称为辅酶I和辅酶II。
FMN和FAD的递能作用
• FMN和FAD是一类在传递电子和氢原子中起作用的载体。都 能接受两个电子和两个氢原子。
OH OHOHOH N N N C O FMN FAD O N N N N NH2 OH OH
• 与分解代谢相反，合成代谢则是由少数几种简单前体生成各 式各样的生物大分子。就好象分解代谢的逆过程（但不是分 解代谢的简单逆过程）. • CO2、H2O和NH3合成构件分子氨基酸等，再由构件分子合成生 物学功能各异的生物大分子。
应
能量在代谢中的重要地位




能量代谢:以物质代谢为基础,与物质代谢过程相伴而发 生,是蕴藏在化学物质中的能量转化。 在分解代谢中,起捕获和贮藏能量作用的分子是腺嘌呤核 苷三磷酸,简称腺苷三磷酸(ATP)。 ATP是由ADP和无机磷酸合成的。 ATP和ADP的往复循环是生物机体利用能量的基本方式。 ATP + H2O→ADP + P i ATP并不是能量的贮存形式,而是一种传递能量的分子。
主动运输 (active transport)

定义：细胞之所以能维持恒定的离子梯度差，是由于细 胞膜具有逆浓度梯度的主动运输的功能，因此，凡物质 逆浓度梯度的运输过程。

特点：1、专一性 2、运输速度可以达到“饱和”状态。 3、方向性 4、选择性抑制 5、需要提供能量
小分子物质的运输
• 小分子的跨膜运输大都是通过专一性运输蛋白的作用来实现。 • 如果只是运输一种分子由膜的一侧到另一侧，称为单向运输 （uniport transport）。 • 如果一种物质的运输与另一种物质的运输相关而且方向相同， 称为同向运输，方向相反则称为反向运输。两者统称为协同 运输。
• 脂双层内脂分子的疏水尾巴指向双层内部，而它们的亲水头 部与每一面的水相接触，磷脂中带正电荷和负电荷的头部基 团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性 的。 • 脂双层倾向于闭合形成球形结构，这一特性可以减少脂双层 的疏水边界与水相之间的不利的接触。 • 在实验室里可以合成由脂双层构成的小泡，小泡内是一个水 相空间，这样的脂双层结构称为脂质体（liposomes），它相 当稳定，并且对许多物质是不通透的。 • 可以包裹药物分子，将药物带到体内特定组织。
氧化-还原反应
消除、异构化和重排反应
碳-碳键的形成或断裂反应
新陈代谢的研究方法
• 使用酶的抑制剂：研究代谢抑制剂的作用有助于判定代谢途 径中的某一步反应。 • 使用遗传缺欠症研究代谢途径：通过研究与某个不正常蛋白 有关系的基因的突变也可以提供有价值的信息，某些突变是 致死的，不能传给下一代，而有些突变是后代容忍的。对这 些突变的生物体的研究有助于鉴别出代谢途径中的酶和中间 代谢物。 • 气体测量法 • 同位素示踪法：同位素示踪法是研究代谢的最有效和最常用 的方法。一般都是向制备的组织、细胞或亚细胞成分中加入 同位素标记的底物，然后追踪生成的中间产物和终产物。绘 制出代谢物的转换图。 • 核磁共振波谱法（NMR）
• 能够直接提供自由能推动生物体多种化学反应的核苷酸类分 子除ATP外,还有: ATP——能量“货币” UTP——参加糖的互相转化与合成 CTP——参加磷脂的合成 GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成
辅酶I和辅酶II的递能作用
• 由营养物质的分解代谢释放出的化学能,除了通过合成ATP的 途径获外,还有另外一种途径—以氢原子和电子的形式将自由 能移给生物合成的需能反应。
被动运输 (passive transport)
• 定义：物质从高浓度的一侧，通过膜运输到低浓度的一侧， 即顺浓度梯度的方向跨膜运输的过程。
• 特点：物质的运输速率既依赖于膜两侧运输物质的浓度差， 又与被运输物质的分子大小，电荷和在脂双层中的溶解性有 关。被动运输过程的自由能减少，熵增加，因此是一个不需 要能量的自发过程。
第二部分 生物能学

生物能学(Bioenergetics)是生物化学中涉及生活细胞转移和能 量利用的基本问题，是完全建立在热力学的基础上的。

自由能（Gibbs free energy, G）是生物化学中主要的热力学函 数。ΔG表示产物和反应物自由能之间的差值，如果ΔG为负 值（ΔG < 0），反应可自发进行，是个放能反应；如果ΔG 为正值（ΔG > 0），反应需要外界提供能量才能进行，表明 是个耗能反应。

自由能变化与另外两个热力学函数焓（enthalpy）和熵（entropy） 有关，在标准温度和压力下，他们之间的关系可表示为： ΔG＝ΔH－TΔS （ 1） 一个反应的标准自由能变化与反应的平衡常数有如下关系： ΔG°’＝－RTIn Keq （ 2） 对于反应 A＋B＝C＋D，实际的自由能变化可以表示为： [C][D] ΔG＝ΔG°’＋ RTIn———— （ 3） [A][B] 达到平衡点时， [C]平衡[D] 平衡 0＝ ΔG°’＋ RTIn—————————— [A] 平衡[B]平衡 或 ΔG°’＝-RTIn Keq
• 以ATP形式贮藏的能量，提供 四方面的能量需要: 1. 3.提供生物合成做化学功时所 供给营养物逆浓度梯度跨膜运 输机体细胞内所需的自由能。 需的能量。 2.是生物机体活动以及肌肉的 4.在DNA,RNA和蛋白质等生物合 能量收缩的能量来源。 成中,保证基因信息的正确传 递,ATP也以特殊方式起着递能作 用。

评价在特定细胞内一个反应的自发性和方向的标准是ΔG，而 不是ΔG° ’。ΔG为负值，反应的ΔG° ’也可能为正值，但（8-3） 方程中的RT In（[产物]/[反应物]）项的值为负值，而且其 绝对值比ΔG° ’大。 对活细胞中的所有反应来说，ΔG值至少应当是稍负的值，而 对于不可逆反应ΔG不仅是负值，而且其绝对值数值应当很大。 代谢途径中的调控部位一般都是代谢中的不可逆反应，催化 这些反应的酶都受到某种方式的调控，代谢中的不可逆反应 其作用象是代谢交通中的瓶颈，控制着代谢的进程。