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1、生 物 化 学,浙江大学 生命科学学院 江 辉,第十章 代谢总论,一、新陈代谢的概念 二、自养生物与异养生物 三、物质代谢和能量代谢 四、新陈代谢过程 五、新陈代谢的反应机制 六、新陈代谢的调控 七、新陈代谢的研究方法,一、新陈代谢的概念,新陈代谢是指生物体内所发生的一切分解和合成作用，是生物最基本的特征之一。 一方面：从环境中摄取养料，通过体内系列化学变化，同化为组成生物的种种物质（合成代谢或同化作用）； 另一方面：生物组成物质不断分解（分解代谢或异化作用）。 分解代谢和合成代谢是同时进行，相互依存的。,新陈代谢的功能,从周围环境中获得营养物质。 将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件
2、。 将结构元件装配成自身的大分子。 形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子。 提供机体生命活动所需的一切能量。,新陈代谢内容,物质代谢 指生物将无机化合物、CO2和水转变为有机化合物（同化作用）或将有机化合物又分解成无机化合物、CO2和水的相反过程（异化作用）。强调的是物质之间的转换过程。 能量代谢 指生物将光能转变为化学能或在物质代谢过程中进行能量转移及释放的反应。强调的是能量转换过程。,生长旺盛时：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,二、自养生物与异养生物,自养生物（Autotrophs）：可利用大气中的CO2作为唯一碳源构建所有含碳分子
3、，如光合细菌和高等植物。 异养生物（Heterotrophs）：不能利用大气中的CO2，必须从环境中获得相对复杂的有机碳分子如葡萄糖，如高等动物和多数微生物。,生物圈氧和二氧化碳的循环,许多自养生物可进行光合作用，利用太阳能作为能量来源，而异养生物通过分解自养生物产生的有机营养物获得能量。 生物圈中自养生物和异养生物生活在一起，自养生物利用CO2建造自己的有机生物分子，有些还分解水产生O2；异养生物利用这些有机物作为营养物质，把CO2排放到大气中去，有些在氧化反应中消耗O2产生水。 其中CO2、O2和H2O在自养和异养间不断循环，太阳能是其中的驱动力。,生物圈氮的循环,所有生命体都需要氮源，为
4、合成氨基酸、核苷酸及其他化合物所必需。 植物可利用铵或硝酸盐作为唯一氮源； 脊椎动物的氮源必须是氨基酸或其他有机化合物； 少量的生物蓝细菌和与部分植物根部共生菌可以转变（固定）大气氮为氨； 硝化细菌氧化氨生成硝酸盐和亚硝酸盐； 一些细菌把硝酸盐转化为N2。,三、物质代谢和能量代谢,物质循环需要大量的能量，开始于光合生物捕获太阳能并利用太阳能合成富含能量的碳水化合物和其他有机营养物质；这些有机物被异养生物用作能源。 在代谢过程及能量转化过程中，有一部分有用能量（自由能）耗失，并有一定数量的能量不可逆地被转化成了无用能（热和熵）。 与物质循环相比，能量只以一种方式流向生物圈，生物不能再利用以热和熵
5、散失的自由能；物质的（碳、氧、氮）循环是连续的，而能量不断地被转化为无用的形式，如热。,代谢作用中的能量关系,分解代谢是代谢作用的分解过程，有机物（糖、脂和蛋白质）被转化为更小、更简单的终产物（如乳酸、CO2和NH3等），分解代谢释放能量，部分被转化为ATP和还原的电子载体（NADH、NADPH和FADH2），其余的作为热量散失。 合成代谢也称生物合成，小、简单的前体物质形成更大、更复杂的分子，如脂、多糖、蛋白质和核酸等，合成代谢需要能量的输入，通常需要ATP分子磷酸酯键的转移和还原力（NADH、NADPH和FADH2）。,1、叶绿素的光合作用： 6CO2 + 6H2O 葡萄糖 + 6O2 光
6、能在叶绿素作用下合成NADPH和ATP（光能 化学能），CO2转化为己糖，H2O O2和H+（为NADP+接受） 2、酒精发酵： 葡萄糖 乙醇 + CO2 + H+ 释放的H+转交给NAD+，最终形成ATP（化学能转变）葡萄糖分解产生乙醇和CO2（物质转换）。,四、新陈代谢过程,1、消化吸收：从食物摄入到进入胃后，通过一系列酶作用，分解成简单的分子而进入细胞的过程。 2、中间代谢：在细胞内所进行的代谢中一系列酶促反应。生物通过这些反应，营养物质发生转变，释放出细胞或机体生长和维持所需的能量。 糖（淀粉、多糖、糖原） 单糖（G） 丙酮酸 乙酰-CoA CO2+ H2O+能 3、排泄阶段：CO2通
7、过呼吸系统、H2O通过尿、汗等、能量通过发热方式排出体外。,代谢作用的特点,1、代谢过程所包含的化学反应通常不是一步完成，由一系列的中间代谢过程所组成，反应数目虽多，但有极强的顺序性。 2、代谢作用需要温和的条件，绝大多数反应都由酶所催化。 3、代谢作用具有高度灵敏的自我调节。 整体水平上，激素或激素伴同神经系统进行的综合调节 细胞水平上，胞内酶布局的区域化而实现 分子水平上，酶的反馈抑制和基因表达的调控等实现,三类非线性代谢途径,五、新陈代谢的反应机制,1、氧化反应和还原反应 NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+,2、碳-碳键的形成与断裂反应,亲核的负碳离子向亲电子的正碳原子
8、攻击,羟醛缩合反应 克莱森酯缩合反应 -酮酸的氧化脱羧反应,3、消除、异构化及重排反应,消除反应（双键的形成）： 从底物上消除掉H2O、NH3、R-OH、或R-NH2 异构化反应： 在底物分子内质子的转移，即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。 分子重排： 底物分子内部CC键的断裂，并重新形成新的CC键。,4、基团转移反应,Y: + A-X Y-A + X: 亲电基团（A）从一个亲核体（X:）转移到另一个亲核体（Y:） 酰基转移：酰基为亲电子基团 磷酰基转移：磷酰基为亲电子基团 葡萄糖基转移：葡萄糖基为亲电子基团,六、新陈代谢的调控,1、分子水平酶水平的调控
9、酶浓度的调节 蛋白合成与酶解 酶活性的调节 酶促反应的反馈和前馈 产能反应与需能反应的调节 激活剂和抑制剂 共价修饰与连续激活,2、细胞水平的调控,一种酶可以被分解代谢和合成代谢所公用；一种代谢产物也可以被分解代谢和合成代谢所公用。 细胞内膜将细胞分隔成不同的区域，如线粒体、内质网、细胞核等。 细胞水平的区域化将相反途径分隔在细胞的不同区域，防止两条途径对相同酶和代谢物的竞争；也保证同一种酶、同一种代谢物和别构分子在不同区域维持不同的水平上。,3、整体水平的调控,激素和神经介质对生物体的整体调控,七、新陈代谢的研究方法,体内研究（in vivo） 对生物整体、器官、组织、细胞水平上进行研究 体
10、外研究（in vitro） 分子水平上研究 两者之间的结果要相互印证,1、同位素示踪法,体内研究： C14标记的葡萄糖喂老鼠来研究糖原的合成。 体外研究,2、抗代谢物、酶抑制剂的应用,抗代谢物：5-溴尿嘧啶干扰尿嘧啶参与的生物合成 酶抑制剂： 1,6-二磷酸果糖 磷酸二羟丙酮 + 3-磷酸甘油醛 1,3二磷酸甘油酸 碘乙酸是3-磷酸甘油醛脱氢酶的抑制剂，从而造成果糖-1,6-二磷酸的累积。,醛缩酶,3-磷酸甘油醛脱氢酶,3、基因型（genotype）到表型（phenotype）,（传统方法）利用遗传缺陷症研究代谢途径 基因敲除消除蛋白（酶）细胞、组织、生物表型的改变推测蛋白的功能 基因定点突变改变蛋白（酶）活性位点研究蛋白的结构与功能的关系,
