第15章 代谢(刘建华)

ATP是生物系统通用的能源分子
ATP的三磷酸含有两个高能磷 酸酐键，所以当ATP被水解成 ADP（腺苷二磷酸）和Pi（磷 酸）或者被水解成AMP（腺苷 单磷酸）和PPi（焦磷酸）时， 水解反应释放大量的自由能。 ATP是高能分子。
在ATP分子 中，最靠近核糖 的磷原子叫Pa， 中间的磷原子叫 Pb，离核糖最远 的磷原子叫Pg。
15.1 代谢由很多偶联的、相互关联的化学 反应构成 生物需要连续输入能量的目的是： （1）机械做功（肌肉收缩和细胞运动） （2）分子和离子的主动运输 （3）利用简单前体合成生物大分子和其 他生物分子。 能量来源于环境。光养生物(phototrophs) ，摄取太阳能量获得自由能；化学能养生 物(chemotrphs)氧化光养合成的食物获取自 由能。
图15.8 ATP-ADP循环。该循环构成生物体内能 量交换的基本模式。
有氧生物碳氧化的最终电子受体是氧气，氧化产物是 CO2。因此，C的还原状态愈高，在氧化过程中所释放的 自由能越多。下图指出了一些一碳化合物有氧氧化所释放 的标准自由能△Go'。
图15.9 一碳化合物氧化所释放的自由能。
尽管有些燃料分子比一碳化合物复杂 （图15.10），但是在氧化过程中也会 经过一碳化合物的氧化阶段。碳氧化 所释放的自由能一部分用来制造高能 磷酸转移化合物，一部分用来制造离 子通道。无论哪种情况，最后的落脚 点是形成ATP。
有些反应既在分解代谢又在合成代 谢出现，属于兼性代谢反应(amphibolic pathways)。具体出现于那种代谢途径 取决于细胞的能量状态。 代谢途径一个重要的原则是合成途 径和降解途径几乎是完全不同的。从能 源角度看，这种不同是必然的，也有助 于代谢控制。
利用有利反应驱动热力学不利反应的进行
肌酸激酶
ATP +creatine
在pH 7，肌醇磷酸酐水解所释放的自由能是 - 43.1 kJ mol-1，而ATP水解所释放的自由能是 - 30.5 kJ mol-1。因此利用肌酸磷酸酐将ADP转化成ATP反 应的自由能变化量是 - 12.6 kJ mol-1，相应的反应 平衡常数是162。
在休息状态，肌肉内这些代谢物的典型浓 度是[ATP] = 4 mM, [ADP] = 0.013 mM, [creatine phsphate] = 25 mM, [creatine] = 13 mM。由于肌 酸磷酸酐转移磷酸的能力比ATP还高，肌酸磷酸 酐是磷酸基团的有效供给者。实际上，100米短 跑（sprint）的前4秒时间内，ATP再生的磷酸来 源主要是肌酸磷酸酐。肌酸磷酸能够将ATP库重 新充满，这就是运动员食品添加肌酸磷酸酐的 基础。食品添加肌酸磷酸酐有助于运动员短期 剧烈运动的能量需要。当肌酸磷酸酐库消耗完 后，只有分解代谢制造ATP（图15.7）。
Berg • Tymoczko • Stryer
Biochemistry
Sixth Edition
Chapter 15: Metabolism: Basic Concepts and Design
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蜂鸟(hummingbirds)有惊人的耐力。例如， 脖子处像红宝石的蜂鸟所储存的燃料能连续地 飞过距离达500公里的墨西哥湾。原因在于蜂鸟 能够将燃料转化成细胞可使用的ATP能源（结构 如右图），使之能够飞跃如此距离。
利用底物氧化产生的自由能或者光养生物摄取 的光能，细胞维持高浓度ATP。在胞内，偶合一个 ATP分子的水解的化学反应能够使平衡条件下产物 和反应物之间的比值增加108倍。如果偶合n个ATP 分子的水解，则反应产物和反应物之间的比值增加 108n倍。因此，偶合足量ATP水解反应，能够将热 力学上不利的反应次序变成热力学有利的反应。 必须指出，偶合ATP水解才能执行的A转化成 B的反应中，A和B不一定是不同的化学物质，也 可能是同一物质不同的构型或不同的修饰状态。也 可以是细胞内外离子或分子的两种浓度状态。跨膜 Na+-K+泵被ATP磷酸化后，能够跨膜主动运输Na+ 和K+。随后去磷酸化。
必须注意，虽然所有的核苷三磷酸在 能量水平上是等价的，但是ATP是细胞内主要 的能量载体分子。此外，细胞内还有两个重要 的能量载体分子也是ATP的衍生物。这两个能 量载体分子分别是NAD+和FAD。ATP在能量代 谢转化方面的作用最大。
ATP水解使偶联反应平衡转变，驱使代谢进行 与ATP水解反应偶联，热力学不利的化学反应也可进 行。假定物质A转化成物质B的标准自由能变化是 + 16.7 kJ mol-1 （ A B △Go‘ = + 16.7 kJ mol-1） 在25℃，反应平衡常数 K'eq = [B]eq / [A] eq = 10 -△Go' / 5.69 = 1.15 x 10-3 如果将这个反应与ATP水解反应偶联，情况就不同。 在标准条件下，ATP水解的自由能变化量△Go' 是 - 30 kJ mol-1，则总反应及其自由能变化量是： A + ATP + H2O B + ADP + Pi △Go' = -13.8 kJ mol-1 在pH 7，此偶联反应的平衡常数是 K'eq = {[B]eq / [A] eq } {[ADP]eq [Pi]eq / [ATP]eq} = 2.67 x 102 即平衡常数从1.15 x 10-3（没有与ATP水解偶联）提高到 2.67 x 102，达到105倍。在细胞内水解ATP的△G是 -50.2 kJ mol-1，反应平衡常数增加的倍数达到108。
图15.2 代谢途径。
代谢途径分为两大类：
（1）分解代谢(catabolism, catabolic reactions) ： 将燃料分子的能量转化成生物体可以利用的能 量形式； 燃料 分解代谢 CO2 + H2O + 可用能量 （2）合成代谢(anabolism, anabolic reactions) ： 需要输入能量才能进行的代谢途径。 可用能量+简单前体 合成代谢 复杂分子
ATP + H2O ADP + Pi △Go' = -30.5 kJ mol-1 ATP + H2O AMP + PPi △Go' = - 45.6 kJ mol-1 具体的△Go' 值受溶液的离子强度和Mg2+浓 度的影响。在典型的细胞浓度下，这些水解反应 的△G值大约是 - 50 kJ mol-1。
图15.7 运动过程中ATP的来源。在运动过程中，最初的几秒钟使用 机体现成的高能磷酸化合物ATP和肌酸磷酸酐。随后需要经过代谢 途径补充ATP.
燃料氧化是重要的细胞能源
ATP是生物系统自由能的主要的即时供应者， 但是自由能的长期储存不能以ATP形式。在细胞中 ，ATP形成不久就被消耗。虽然机体总ATP量限定 在大约100g，但是ATP的转化速度很快。例如，处 于休息状态的人24小时消耗的ATP约40 kg。剧烈运 动着ATP的消耗速度可达0.5 kg /min，两小时跑步 要耗去60 kg ATP。很明显，迅速再生ATP非常重要 。运动、主动运输、信号放大、和生物合成都需要 将ATP持续不断地转化成ADP(图15.8）。制造ATP 是分解代谢的主要作用之一。燃料分子（如葡萄糖 和脂肪）被氧化成CO2，所释放的能量将ADP和Pi 再生成ATP。
图15.6 磷酸基团转移 能力很高的化合物。 这些化合物转移磷酸 基团的能力比ATP还 高，因此能被用来将 ADP转化成ATP。
肌肉的ATP量可维持1秒的肌肉收缩。脊椎动 物肌肉的肌酸磷酸酐是高能磷酸库，能够将磷酸及 时供给ADP。在剧烈运动时，肌酸磷酸酐将ADP转 化ATP。该反应的催化剂是肌酸激酶。 creatine phosphate +ADP
ATP水解所释放的自由能被用来 (harnessed)驱动需能反应（如肌肉 收缩）的进行。相应地，燃料分子 氧化所释放的化学能或光养生物摄 取的光能将ADP和Pi转化成ATP。 ATP-ADP循环是生物体内能量交换 的基本模式。 有些合成反应的直接能源是与ATP类似的其它 核苷三磷酸(GTP, UTP, 和CTP)。核苷酸激酶(包括 核苷单磷酸激酶和核苷二磷酸激酶)将一个ATP末 端磷酸转移到另一个核苷酸末端。这类酶的特异性 比较宽泛。NMP + ATP 核苷单磷酸激酶 NDP + ADP NDP + ATP 核苷二磷酸激酶 NTP + ADP
生物化学的基本问题：
1. 细胞如何从环境获取能量？ 2. 细胞如何制造生物大分子的合成原料，并用这 些原料合成自身的生物大分子？
细胞将很多化学反应整合在一起构成化学反 应网络来执行这些生物过程，这种反应网络称之 为代谢（metabolism）或中间代谢(intermediary metabolism)。 每种生物的细胞体内有1000多种化学反应。 数量虽大，但有很多共同的特征。能源分子共同 、活化中间体数量有限、化学反应的种类不多、 反应机制也相当简单、调节模式相同。
驱动热力学不利反应进行的方法：
将一个热力学不利反应与一个热力学有利反映 偶联，使整套反应的自由能变化总量低于零。实际 上，整套反应的总自由能变化量是偶联反应的各反 应步骤自由能变化量的总和。例如 A B + C △Go' = + 21 kJ mol-1 B D △Go' = - 34 kJ mol-1 A C + D △Go' = -13 kJ mol-1 在标准状态下，A不能自发地生成B。但是B 能自发地生成D。由于自由能变化值能加合，A转 化成C + D的自由能变化值△Go'是负值，说明此反 应在标准状态下可以发生。因此，与一个热力学有 利反应偶联能够驱动热力学不利反应的进行。
一个代谢途径至少要满足两个标准：(1) 各个 反应必须特异，和(2)构成一个代谢途径的整套反 应在热力学上有利(即自由能变化量小于零)。
在A和B反应生成C和D的反应中，自由能的改 变(△G)可以用下列方程式计算： △G = △Go' + RT ln {[C][D]/[A][B]} 因此，自由能改变△G取决于反应物合生成物的本 质（即△Go'，是标准自由能的变化）以及它们的 浓度。
1 共振作用
2 静电斥力。在pH 7，ATP携带的三个 磷酸带有4个负电荷。这些电荷位臵靠近相互排斥。当ATP水解，这 些相互排斥力降低。 3 水合稳定。ADP和Pi结合的水分子比ATP的磷酸酐结合的水分子多 ，因此ADP和Pi比ATP稳定。
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磷酸基团转移是细胞能量转化的一种重要形式 水解磷酸基团所释放的标准自由能常用来 衡量磷酸化合物转移磷酸基团的能力。这种比 较显示ATP不是唯一的具有高能力转移磷酸基 团的化合物。实际上，生物体内还有比ATP转 移磷酸能力还要高的化合物。这些化合物包括 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），1,3-二磷酸甘油 酸酐(1,3-BPG)，肌酸磷酸酐（图15.6）。PEP 能够将磷酸基团转移给ADP形成ATP。实际上 这种转移就是分解过程中形成ATP的方式之一 。ATP转移磷酸基团的能力居中有特别意义（ 表15.1）。ATP转移磷酸能力的居中性使之能 够充当磷酸基团的有效载体。
ATP具有很高的磷酸化能力的基础在于其分子结构 ATP + H2O 甘油3-磷酸 + H2O ADP + Pi △Go' = - 30.5 kJ mol-1 甘油 + Pi △Go' = - 9.2 kJ mol-1
ATP分子的这种特性与分子自身结构密切相 关。“共振稳定”、“静电斥力”、和“水合稳 定”对这种特性有重大贡献。
图15.1 葡萄糖代谢。经过10步反应葡萄糖代谢成丙酮酸。 后者代谢成乳酸(厌氧条件)或乙酰-CoA （有氧条件）。随 后乙酰-CoA分子乙酰基碳原子被氧化成CO2。
代谢途径有产能反应和耗能反应 代谢是从特定分子起始的一串相互关联的 化学反应，这串化学反应以特定方式将起始分 子转化成其他分子（图15.1）。细胞有很多代 谢途径（图15.2）。这些代谢途径相互依存， 其中多数以别构酶调节的方式相互协调。