第八单元 代谢总论 第九单元 生物能学及生物氧化 第十单元 糖代谢

第八单元 代谢总论19 章 代谢总论新陈代谢： metabolism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新陈代谢是生物体表现生命活动的重要特征之一。代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。代谢途径 ：完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应称为代谢途径。代谢中间产物或代谢物 ：代谢过程中连续转变的酶促产物称为代谢中间产物。中间代谢 ：新陈代谢途径中的个别环节、个别步骤称为中间代谢。各种物质在体内经过代谢，最终都转变为 代谢的最终产物 。 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。3 ）将结构元件装配成自身的大分子。4 ）形成或分解生物体内特殊功能所需的生物分子。 5 ）提供机体生命活动所需的一切能量。 1 分解代谢与合成代谢分解代谢（Catabolism）：有机营养物，不管是从外界环境获得的，还是自身贮存的，通过一系列反应步骤转变为较小的、较简单的物质的过程。合成代谢（anabolism）：生物体利用小分子或大分子的结构元件建造自身大分子的过程。合成代谢和分解代谢并非简单可逆反应，发生于细胞不同部位（尤其是真核生物中最常见） 。例如：脂肪酸分解成乙酰辅酶 A 是在线粒体中进行，而乙酰辅酶 A 合成脂肪酸则在细胞浆中进行。但有许多代谢有共同途径，称为“两用代谢途径” （amphibolic pathway） 。22 能量代谢在新陈代谢中的重要地位 能量代谢(energetic metabolism )：以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的，是蕴藏在化学物质中的能量转化，统称为能量代谢。 能量代谢和物质代谢是同一过程的两个方面，能量转化寓于物质转化过程之中，物质转化必然伴有能量转化 生物体的一切生命活动都需要能量，太阳能是所有生命最根本的能量来源。 在分解代谢中，起捕获和贮存能量的作用的分子是腺嘌呤核苷三磷酸（ATP） 能量传递系统:ATP、ADP 和无机磷酸广泛的存在于生物体的各个细胞中内，起着传递能量的作用，又称为能量传递系统 异养生物将外界有机营养物质通过分解代谢产生 ATP 的过程大致划分为以下阶段：1）由营养物质的大分子到小分子。2）由各种小分子进一步转变为少数几种共同物质。3）柠檬酸循环和氧化磷酸化两个共同代谢途径，是形成 ATP 的主要阶段。 以 ATP 形式贮存的能量有以下作用:(1)提供生物合成所需能量(2)机体活动及肌肉收缩所需能量(3)营养物跨膜运输所需能量(4)DNA,RNA,蛋白质等合成中,保证基因信息正确传递 3 辅酶 I 和辅酶 II 的递能作用 以 NAD+或 NADP+形式作为脱氢酶的辅酶而起到递氢体的作用。 以高能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 在许多组织和细胞中，NAD+（氧化型）对 NADH（还原型）的比例很高，有利于氢阴离子从底物转移到 NAD+形成 NADH。一般在氧化中起作用----分解代谢反应的一部分。 NADPH（还原型）一般比 NADP+（氧化型）的量要大，有利于氢阴离子从 NADPH转移到底物上。一般在还原中起作用----合成代谢反应的一部分。4 FMN 和 FAD 的递能作用哈尔滨工业大学生命科学与工程系聂桓3 FMN 和 FAD 都能接受 2 个电子和 2 个氢原子，它们在氧化还原反应中特别是氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用5 辅酶 A 在能量代谢中的作用 CoA 是酰基的载体，参与转酰基作用，乙酰 CoA 的硫酯键是高能键6 新陈代谢的调节 分子水平:反应物和产物的调节(浓度的调节和酶的调节) 细胞水平代谢途径分隔控制 整体水平激素调节和神经调节 基因表达的调控细胞水平上的调控7 代谢中常见的有机反应机制 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7．1 基团转移反应表现为亲电子基团 A 从一个亲核体转移到另一个亲核体。也叫做亲核取代反应。最常见的是酰基、磷酰基以及葡糖基。7．2 氧化-还原反应实质是电子的得失反应7．3 消除、异构化和重排反应1)消除反应：碳-碳双键的形成。2)异构化反应：分子内的氢原子迁移指一个氢原子在分子内的迁移，即一个质子从一个碳原子脱离，转移到另一个碳原子上，由此发生了双键位置的改变。43)重排反应：是 C-C 键断裂后又重新形成，碳骨架发生了变化。7．4 碳-碳键的形成与断裂反应分解代谢与合成代谢实质就是以 C-C 键的形成与断裂为基础的。8 新陈代谢的研究方法 研究材料:活细胞--单细胞生物,多细胞生物,病毒与噬菌体 研究方式：体内研究(in vivo):用生物整体研究体外研究(in vitro):用切片,匀浆等研究 测定中间代谢物常用的方法：1. 是用酶的抑制剂2.利用遗传缺欠症研究代谢途径3.气体测量法4.同位素示踪法5.核磁共振波谱法2.第九单元 生物能学及生物氧化20 章 生物能学24 章 生物氧化20 章 生物能学1 有关热力学的一些基本概念2 化学反应中自由能的变化和意义2.1 化学反应中的自由能变化公式 自由能：在一个体系中，能够用来做有用功的那一部分能量称自由能，用符号G 表示。 在恒温、恒压下进行的化学反应，其产生有用功的能力可以用反应前后自由能哈尔滨工业大学生命科学与工程系聂桓5的变化来衡量。 自由能的变化：△G = G 产物 - G 反应物 = △H - T△S △G 代表体系的自由能变化，△H 代表体系的焓变化，T 代表体系的绝对温度，△S 代表体系的熵变化。 在参与反应的物质浓度为 1moL/L,温度为 250C，pH=0 的条件下进行反应，其自由能的变化称为标准自由能变化，用 ΔＧ0 表示。 （物理化学） 由于机体内的生化反应一般是在 pH=7 的条件下进行，在 pH=7 和上述浓度、压力、温度下的标准自由能变化用 ΔＧ0表示。 （生物化学）2.2 △G 是判断一个过程能否自发进行的根据 △G0，反应不能自发进行，必须供给能量。 G=0，反应处于平衡状态。 一个放热反应(或吸热反应)的总热量的变化（△H） ，不能作为此反应能否自发进行的判据，只有自由能的变化才是唯一准确的指标。 △G<0 仅是反应能自发进行的必要条件，有的反应还需催化剂才能进行，催化剂（酶）只能催化自由能变化为负值的反应，如果一个反应的自由能变化为正值，酶也无能为力。 当△G 为正值时，反应体系为吸能反应，此时只有与放能反应相偶联，反应才能进行。 2.3 自由能变化的可加和性 在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。3 高能磷酸化合物3.1 高能磷酸化合物的概念 某些化合物含有较高的自由能，随着水解反应或者基团的转移反应可释放出大量的自由能的称作高能化合物。 一般将水解时能够释放 20.92 kJ /mol（5Kcal/mol)以上自由能的键称为高能键。6 磷酸化合物的磷酰基水解时，释放出大量的自由能。这类化合物称作高能磷酸化合物 ATP 是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。3.2 高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型 根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型：1) 磷氧键型2) 氮磷键型3) 硫酯键型4) 甲硫键型3.3 ATP 的结构特性 ATP 水解的自由能变化的化学基础1)ATP 分子内有 4 个负电荷（ATP4-） ，产生静电斥力，促使 ATP 水解成 ADP3-，而减弱斥力。2）ATP 分子内存在相振现象。由于在相邻的两个磷原子之间夹着一个氧原子，氧原子上存在有未共用电子对，而磷原子因 P=O 和 P-O-间的诱电子效应带有部分正电荷，于是在两个相邻的磷原子之间存在竞争氧原子上的未共用电子的现象，这种作用的结果会影响 ATP 分子的结构稳定性。3）水解时释放的无机磷酸被共振杂化分子的形成所稳定。4）水解产生的 ADP2-立刻离子化，释放一个质子到介质中（pH=7）5）产物 ADP 和 Pi 相对于 ATP 有更大的水合程度，相对于反应物而言，进一步稳定了产物。总的来说：反应物的不稳定性和产物的稳定性或反应物内的静电斥力和产物的共振稳定使 ATP 水解释放大量能量。3.4 细胞内影响 ATP 自由能释放的因素 pH Mg2+ 其他二价阳离子Mg2+复合物的形成，部分屏蔽了负电荷并影响了核苷酸中磷酸基团的构象,在许多的反应中，真正的底物是 MgATP2-哈尔滨工业大学生命科学与工程系聂桓73．5 ATP 在能量转运中的地位和作用 是细胞内产能反应和需能反应的化学偶联剂。ATP 是连接释放能量和吸收能量的细胞过程的共享化学中间体。 ATP 通过基团转移提供能量，而不仅仅是通过水解提供能量 ATP 是磷酸基团转移反应的中间传递体，磷酸基团往往从磷酸基团转移势能高的物质向势能低的物质转移。24 章 生物氧化 生物氧化的概念有机分子（糖、脂肪和蛋白质）在细胞内氧化分解而生成 CO2 和 H2O 并释放出能量形成 ATP 的过程称为生物氧化。又称为呼吸作用。 生物氧化的特点条件温和（37℃，Ph 中性）有一系列酶的催化作用生物氧化的能量是逐步释放的生物氧化过程产生的能量储存在高能化合物中（主要是 ATP） 。生物氧化具有严格的细胞内定位 原核生物的生物氧化是在细胞膜上进行的，真核生物的生物氧化是在线粒体中进行的 生物氧化实质上是氧化磷酸化, 是 NADH 或 FADH2 上的电子通过一系列电子传递载体传递给 O2,伴随 NADH 和 FADH2 的氧化，将释放的能量使 ADP 磷酸化形成 ATP 的过程。 1 氧化-还原电势1.1 氧化-还原电势1.1.1 氧化还原反应 氧化还原反应(oxidation-reduction reactions)：反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应。(电子转移反应)8 提供电子的分子称为还原剂(reductant)，接受电子的分子称为氧化剂（oxidant） 。1.1.2 定义 生物体系中进行氧化还原时其基本原理和化学电池一致。 定义：oxidation-reduction potential 还原剂失去电子的倾向或氧化剂得到电子的倾向。1.1.3 电子转移的 4 种方式1）直接电子转移2）作为氢原子转移3）作为氢阴离子4）直接与氧结合1.3 电势和自由能的关系 可以把一个氧化还原反应看成是能做最大功的电池，当通过这个电池的电流为无限小时，它所做的功就是最大。电池所做的功在数值上等于两个电极之间的电动势和电量的乘积。ΔG0’与氧化还原电势的关系如下： ΔG0’ = －nFΔE0’= -W(max) ΔG0’表示体系自由能变化值(kJ/mol)，n 表示氧化还原反应中转移电子的数目， F 为法拉第常数（1 法拉第＝96.485kJ／V mol） ，ΔE0’为相应反应的标准电极势差(V)。 在一个氧化还原反应中，可从反应物的氧还电势 ΔE0’ 计算出这个氧化还原反应的自由能变化 ΔG0’哈尔滨工业大学生命科学与工程系聂桓9 ΔE0’= 电子受体 E0’-电子供体 E0’ ΔE0’为正值时，ΔG0’为负值，是放能反应，反应能自发进行。  ΔE0’为负值时，ΔG0’为正值，是吸能反应，反应不能自发进行。 ΔG0’ = －nFΔE0’= -W(max)2 电子传递和氧化呼吸链2.1 电子传递过程 包括电子从还原型辅酶通过一系列按照电子亲和力递增顺序排列的电子载体所构成的电子传递链传递到氧的过程。 还原型辅酶所释放的自由能超过 3 个 ATP 的自由能含量，这有利于推动电子的传递 在此过程中，能量的逐步释放，有利于 ADP 形成特别是有利于形成并维持跨膜电势 在真核生物细胞内，它位于线粒体内膜上，原核生物中，它位于细胞膜上。 生物氧化过程中 C