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1、第第五五章章 生物氧化生物氧化Sept, 2015Sept, 2015王灿华王灿华Tel: 34204892生物楼生物楼4号楼号楼314室室Email: 第一节第一节 代谢代谢概论概论一、代谢的一、代谢的概论概论二二、高能化合物高能化合物总纲总纲机 体 内 上 千 种 生 化 反 应 的 图 谱机 体 内 上 千 种 生 化 反 应 的 图 谱总纲总纲（一）代谢的概念（一）代谢的概念 1.定义定义 经典定义经典定义:发生在生命有机体中化学变化和物理发生在生命有机体中化学变化和物理 变化的总和。即合成代谢和分解代谢。变化的总和。即合成代谢和分解代谢。现代定义现代定义:生命有机体从它们生活的环境
2、中生命有机体从它们生活的环境中汲取能汲取能 量和还原力量和还原力形成高度整合形成高度整合(协调协调,统一统一)的的 化学反应网络；并化学反应网络；并合成合成生物大分子的生物大分子的构构 建元件建元件。 三大要素三大要素:能量能量energy 还原力还原力reducing power 构建元件构建元件 building block代谢代谢定义定义2.代谢的类型代谢的类型分解代谢（分解代谢（catabolism）：）： 将生物大分子分解成小分子的过程；将生物大分子分解成小分子的过程； 反应本质是反应本质是氧化性氧化性的；的；放能放能。分为三个阶段：分为三个阶段： 1)蛋白质、多糖、脂类等先降解成蛋
3、白质、多糖、脂类等先降解成构件分子。构件分子。2)构件分子降解成更简单的少数几种构件分子降解成更简单的少数几种共同中间物共同中间物。3)中间物最终降解成中间物最终降解成CO2、H2O、NH3等等小分子小分子。代谢类型代谢类型 合成代谢（合成代谢（anabolism） 由小分子合成生物大分子的过程；由小分子合成生物大分子的过程； 反应本质是反应本质是还原性还原性的；的；耗能耗能。合成代谢不是分解代谢的逆反应（部位、途径）合成代谢不是分解代谢的逆反应（部位、途径）分为三个阶段：分为三个阶段： 1)以分解代谢的终产物（小分子）为合成的以分解代谢的终产物（小分子）为合成的前体前体。2)由前体分子合成各
4、种生物大分子的由前体分子合成各种生物大分子的构件分子构件分子。3)从构件分子合成生物从构件分子合成生物大分子大分子。代谢类型代谢类型不定向代谢（不定向代谢（amphibolic metabolism）细胞内某些具有双重功能的代谢途径，既可细胞内某些具有双重功能的代谢途径，既可用于分解代谢，也可用于合成代谢，如用于分解代谢，也可用于合成代谢，如TCA。三种类型的代谢中都同时进行三种类型的代谢中都同时进行能量代谢能量代谢：即代谢过程中能量转化、释放和利用的化学反即代谢过程中能量转化、释放和利用的化学反应的总称。应的总称。代谢类型代谢类型分解代谢与合成代谢之间的能量关系分解代谢与合成代谢之间的能量关
5、系分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢化学能化学能能量释放以能量释放以 后的终产物后的终产物前体分子前体分子细胞内的细胞内的 大分子大分子富含能量的富含能量的 营养物质营养物质代谢类型代谢类型(二二)代谢途径代谢途径(metabolism pathway) 1、概念、概念 完成某一代谢过程的一组彼此关联、相互完成某一代谢过程的一组彼此关联、相互 衔接的酶促反应。特例是循环反应：衔接的酶促反应。特例是循环反应： 由首尾相连的一序列化学反应所组成。由首尾相连的一序列化学反应所组成。2、代谢物、代谢物 统指代谢反应中任一物、中间产物或产物。统指代谢反应中任一物、中间产物或产物。代谢途径代谢途径3、代谢途
6、径的形式、代谢途径的形式直线途径：直线途径：分支途径：分支途径：代谢途径代谢途径循环途径：循环途径：代谢途径代谢途径聚集的聚集的分解分解代谢代谢发散的发散的合成合成代谢代谢循环途径循环途径乙酰乙酰- -CoACoA化学反应化学反应代谢途经代谢途经代谢网络代谢网络 “点”“点” “线”线”“面”面”代谢代谢总括总括一条代谢途径中的酶可以通过四种方式组织在一起一条代谢途径中的酶可以通过四种方式组织在一起a. 分散存在分散存在 效率最低，酶易被环境稀释。效率最低，酶易被环境稀释。 b. 多酶复合体形式多酶复合体形式 较普遍，反应效率提高；利于调控。较普遍，反应效率提高；利于调控。 c. 与膜结合的多
7、酶复合体形式与膜结合的多酶复合体形式 按一定的方向和次序整合在膜上，如呼吸链。按一定的方向和次序整合在膜上，如呼吸链。 d. 多功能酶多功能酶 一条途径上的几个或所有酶由一条肽链承担，一条途径上的几个或所有酶由一条肽链承担， 则效率提高；利于调控；方便基因表达调控。则效率提高；利于调控；方便基因表达调控。代谢中的酶代谢中的酶酶的三种组织方式酶的三种组织方式a.分散存在分散存在b. 多酶复多酶复 合体形式合体形式c.与膜结合的与膜结合的 多酶复合体多酶复合体代谢中的酶代谢中的酶(三三)代谢的基本特征代谢的基本特征1. 反应条件温和反应条件温和2. 高度调控高度调控3. 每一个代谢途径都是不可逆的
8、每一个代谢途径都是不可逆的4. 一个代谢途径至少存在一个限速步骤一个代谢途径至少存在一个限速步骤5. 各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的6. 代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化7. 不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源代谢的代谢的特征特征( (四四) )代谢反应的分类代谢反应的分类氧化还原反应氧化还原反应 水解反应水解反应 基团转移反应基团转移反应 裂合反应裂合反应 异构反应异构反应 合成反应合成反应1. 反应类型反应类型代谢分类代谢分类乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸乳酸脱
9、氢酶乳酸脱氢酶一个典型的氧化还原反应一个典型的氧化还原反应代谢分类代谢分类生物分子中碳的氧化模式生物分子中碳的氧化模式烷烃烷烃醇醇醛（酮）醛（酮）羧酸羧酸二氧化碳二氧化碳2.代谢反应的几种机制代谢反应的几种机制代谢机制代谢机制共价键是两个原子共价键是两个原子 间共享的一对电子。间共享的一对电子。 键断裂时电子对分键断裂时电子对分 开，每个电子留在开，每个电子留在 一个原子的一侧。一个原子的一侧。不稳定基不稳定基( (团团) )切断切断C-C和和C-H的的均裂断键均裂断键机制机制:代谢机制代谢机制切断切断C-C和和C-H的的异裂断键异裂断键机制机制:碳负离子碳负离子碳正离子碳正离子质子质子氢负离
10、子氢负离子 ( (氢化离子氢化离子) )键断裂时电子键断裂时电子 对留在一个原对留在一个原 子的一侧。子的一侧。碳正离子碳正离子碳负离子碳负离子代谢机制代谢机制 氧化还原反应能促使氧化还原反应能促使C-C键重新生成或断裂键重新生成或断裂羟醛缩合羟醛缩合酯缩合酯缩合- -酮酸的氧化脱羧酮酸的氧化脱羧亲核的负碳离子亲核的负碳离子亲电的正碳原子亲电的正碳原子亲核的负碳离子亲核的负碳离子代谢机制代谢机制分子内的重排、异构和消除反应分子内的重排、异构和消除反应重排重排反应反应-碳碳- -碳键断裂又重新形成，碳碳键断裂又重新形成，碳 骨架发生了变化骨架发生了变化CCCCCCCC代谢机制代谢机制 异构反应异
11、构反应-双键双键位置改变位置改变醛醛酮酮磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶代谢机制代谢机制 消除反应消除反应-碳碳- -碳双键的形成碳双键的形成代谢机制代谢机制中间四面体中间四面体基团的转移反应基团的转移反应酰基化合物酰基化合物X X酰基化合物酰基化合物Y Y代谢机制代谢机制(五五)研究代谢反应的方法研究代谢反应的方法1、活体内与活体外实验、活体内与活体外实验 1）在活体内（）在活体内（in vivo）：）： 生物体内生物体内:动物实验、组织细胞培养等。动物实验、组织细胞培养等。 2）在）在活体外（活体外（in vitro)： 试管内进行试管内进行:细胞切片、匀浆液、提取液等。细胞切片、匀浆液、提取
12、液等。 2、同位素示踪法、同位素示踪法 常用：常用：3H(氚氚)、14C、32P、35S、131I、125I等等研究研究代谢的方法代谢的方法3、代谢抑制剂的使用、代谢抑制剂的使用研究研究代谢的方法代谢的方法4、代谢遗传缺陷突变体的使用、代谢遗传缺陷突变体的使用 酶基因的缺陷将会导致其活性的抑制和丧失，与酶基因的缺陷将会导致其活性的抑制和丧失，与 使用抑制剂的效果一致。使用抑制剂的效果一致。5、基因操作、基因操作 使用转基因技术使用转基因技术(transgen)、基因敲除、基因敲除(knockout) 技术和基因过表达（技术和基因过表达（over-expression）等手段来）等手段来 确定某
13、一个酶在细胞中的功能及它在代谢中所发确定某一个酶在细胞中的功能及它在代谢中所发 挥的作用。挥的作用。研究研究代谢的方法代谢的方法(六六)代谢组和代谢组学代谢组和代谢组学是随着基因组学和蛋白质组学的发展而产生的两是随着基因组学和蛋白质组学的发展而产生的两 个与代谢有关的新名词。个与代谢有关的新名词。代谢组：代谢组：也称小分子清单，指反映细胞状态的各也称小分子清单，指反映细胞状态的各 种小分子样式，包括所有代谢过程的总和及相关种小分子样式，包括所有代谢过程的总和及相关 的细胞过程，是基因组和蛋白质组表达对细胞环的细胞过程，是基因组和蛋白质组表达对细胞环 境的反应。境的反应。代谢组学：代谢组学：研究
14、细胞、组织或生物体中受外部刺研究细胞、组织或生物体中受外部刺 激所产生的所有代谢产物变化的科学。激所产生的所有代谢产物变化的科学。代谢组学代谢组学代谢组学代谢组学 LCLC- -MSMS GCGC- -MSMS 2 2- -D D电泳电泳 荧光差异电泳荧光差异电泳 Shot gunShot gun 芯片技术芯片技术 RNA-seq 数字表达谱数字表达谱 基于基于PCR的技术的技术 Southern Blot FISH Re-sequencing基因组基因组转录组转录组代谢组代谢组蛋白组蛋白组MPICMPIC重测序重测序芯片芯片RNARNA- -seqseqR R数字表达谱数字表达谱水稻水稻LC
15、/MSLC/MS特征离子提取图特征离子提取图代谢组学代谢组学Zhang Lab. SJTU二、二、高能化合物高能化合物一般将含有一般将含有25或或30 kJ/mol 以上以上能量的化合能量的化合 物称为物称为高能化合物高能化合物。许多分解代谢伴随着高能化合物的形成，并许多分解代谢伴随着高能化合物的形成，并 将驱使下一步的反应。将驱使下一步的反应。高能化合物高能化合物1. 高能化合物的类型高能化合物的类型(1)磷氧键型磷氧键型(OP) ，又可分为：，又可分为： 焦磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸酸焦磷酸酸* *高能化合物高能化合物 烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物*烯醇酶烯醇酶*2-磷酸甘油酸磷酸甘
16、油酸 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸高能化合物高能化合物 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物*1,3 1,3 - - 二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸*乙酰磷酸乙酰磷酸高能化合物高能化合物(2)氮磷键型氮磷键型 胍基磷酸化物属于此类。胍基磷酸化物属于此类。磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸高能化合物高能化合物(3).硫酯键型硫酯键型3-腺苷磷酸腺苷磷酸-5-磷酰硫酸磷酰硫酸酰基酰基CoA高能化合物高能化合物(4).甲硫键型甲硫键型S-腺苷蛋氨酸（活性蛋氨酸）腺苷蛋氨酸（活性蛋氨酸）高能化合物高能化合物2. ATP在能量转换中的作用在能量转换中的作用 活化形式活化形式通常为通常为ATP与与Mg2+（或（或Mn2+）的复合物）的复合物TAPTAP能量的能量的暂时暂时储存形式：储存形式：ATP承上启下承上启下ATP 充当“充
