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1、第19章 代谢总论(General Introduction of Metabolism)一、分解代谢与合成代谢一、分解代谢与合成代谢二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位三、辅酶三、辅酶和辅酶和辅酶的递能作用的递能作用四、四、FMN和和FAD的递能作用的递能作用五、辅酶五、辅酶A在能量代谢中的作用在能量代谢中的作用六、新陈代谢的调节六、新陈代谢的调节七、七、代谢中常见的有机反应机制代谢中常见的有机反应机制八、新陈代谢的研究方法八、新陈代谢的研究方法新陈代谢的功能 新新陈陈代代谢谢简简称称代代谢谢。人人们们将将代代谢谢的的功功能能概概括括为为5个个方方面面：从从周
2、周围围环环境境中中获获得得营营养养物物质质。将将外外界界引引入入的的营营养养物物质质转转变变为为自自身身需需要要的的结结构构元元件件，即即大大分分子子的的组组成成前前体体。将将结结构构元元件件装装配配成成自自身身的的大大分分子子。合合成成或或降降解解执执行行生生物物体体特特殊殊功功能能所所需需的的生生物分子。物分子。提供生命活动所需的一切能量。提供生命活动所需的一切能量。 代谢途径 虽虽然然新新陈陈代代谢谢包包括括数数以以千千计计的的不不同同酶酶催催化化的的反反应应，但但仍仍可可以以从从错错综综复复杂杂的的代代谢谢网网络络中中总总结结归归纳纳成成一一些些具具有有共共同同规规律律的的途途径径，并
3、并将将这这些些途途径径称称为为主主要要代代谢谢途途径径。这这些些主主要要代代谢谢途途径径在在千千差差万万别别的的生生物物界界具具有有相当的普遍性。相当的普遍性。 一、分解代谢与合成代谢 通通过过一一系系列列的的反反应应，将将有有机机营营养养物物分分解解成成较较小小的的、较较简简单单的的物物质质的的过过程程称称为为分分解解代代谢谢（catabolism），分分解解代代谢谢的的同同时时，将将蕴蕴藏藏在在有有机机大大分分子子中中的的能能量量逐逐步步释释放放出出来来，提提供供给给生生命命活活动动使使用用，同同时时，分分解解代代谢谢的的中间产物也可用于合成生命活动所需的新的物质。中间产物也可用于合成生命
4、活动所需的新的物质。 利利用用小小分分子子或或大大分分子子的的结结构构元元件件合合成成生生物物大大分分子子或或其其它它所所需需分分子子的的过过程程称称为为合合成成代代谢谢（anabolism）。合成代谢需要提供能量。合成代谢需要提供能量。 分分解解代代谢谢途途径径与与合合成成代代谢谢途途径径一一般般是是不不同同的的，但但不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分。不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分。二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位 各各种种分分子子之之间间的的互互相相转转变变称称为为物物质质代代谢谢，而而伴伴随随着着物物质质代代谢谢发发生生的的能能量量的的吸吸收收、转转移移、释释放放、利利用用称
5、称为为能量代能量代谢谢。 太太阳阳能能是是所所有有生生物物最最根根本本的的能能量量来来源源，能能进进行行光光合合作作用用的的植植物物将将光光能能转转变变成成化化学学能能，这这些些化化学学能能提提供供了了植植物物生生命命活活动动所所需需的的全全部部能能量量（有有少少数数特特殊殊情情况况），动动物物和和大大多多数数微微生生物物直直接接或或间间接接依依靠靠植植物物光光合合作作用用贮贮存的化学能生活。存的化学能生活。ATP是能量代谢的中心物质 生生物物体体直直接接利利用用的的能能量量物物质质主主要要是是ATP，在在分分解解代代谢谢中中，释释放放出出的的能能量量主主要要用用于于合合成成ATP，在在需需要
6、要提提供供能能量量的的反反应应或或其其它它生生命命活活动动中中，主主要要由由ATP水水解解来来提提供供能能量量，所所以以ATP是是能能量量代代谢谢的的中中心心物物质质。ATP不不是是一一种种能能量量贮贮存存物物质质，而而是是一一种种传传递递能能量量的的分分子子，因因为为在在一一般般情情况况下下，ATP分分子子合合成成后后，在在1分分钟钟之内就被利用。之内就被利用。 生生物物体体对对能能量量的的消消耗耗是是惊惊人人的的。据据计计算算，一一个个处处于于安安静静状状态态的的成成年年人人，一一日日内内需需消消耗耗40kg的的ATP。在在剧剧烈运烈运动时动时，ATP的利用可达到每分的利用可达到每分钟钟0
7、.5kg。三、辅酶和辅酶的递能作用 由由营营养养物物质质的的分分解解代代谢谢释释放放出出的的化化学学能能，除除了了通通过过合合成成ATP的的途途径径捕捕获获外外，还还有有另另外外一一种种途途径径，就就是是以以氢氢原原子子和和电电子子的的形形式式将将自自由由能能转转移移给给生生物物合合成成的的需需能能反反应应。这这种种具具有有高高能能的的氢氢原原子子是是由由脱脱氢氢反反应应形形成成的的。脱脱氢氢反反应应产产生生的的氢氢原原子子和和电电子子可可由由辅辅酶酶或或辅辅酶酶接接受受。当当这这些些辅辅酶酶被被氧氧化化时时，能能量量又又被被释释放出来。放出来。 四、FMN和FAD的递能作用 （略）五、辅酶A
8、在能量代谢中的作用 酯酯酰酰CoA中中有有一一个个高高能能的的硫硫酯酯键键，这这也也可可以以看看成成是是酰酰基基的的一一种种活活化化形形式式。ATP的的磷磷酸酸酐酐键键水水解解时时释释放放出出30.54 kJ/mol的的自自由由能能，而而乙乙酰酰CoA的的硫酯键水解时释放出硫酯键水解时释放出31.38 kJ/mol的自由能。的自由能。 六、新陈代谢的调节 新新陈陈代代谢谢的的调调节节主主要要是是靠靠酶酶数数量量和和活活性性的的调调节节，细细胞胞中中有有许许多多由由膜膜分分割割的的部部位位，特特定定的的代代谢谢途途径径在在特特定定的的细细胞胞部部位位进进行行。物物质质需需要要在在细细胞胞不不同同
9、的的部部位位间间运运输输，有有时时还还需需要要在在细细胞胞间间或或整整个个机机体体内内运运输输。物质运输的方向、量及速度也影响代谢。物质运输的方向、量及速度也影响代谢。 七、代谢中常见的有机反应机制（略）八、新陈代谢的研究方法 （一）使用酶的抑制剂（一）使用酶的抑制剂 酶酶的的抑抑制制剂剂可可使使代代谢谢途途径径受受到到阻阻断断，结结果果造造成成其其底底物物积积累累，为为测测定定该该代代谢谢物物提提供供条条件件。利利用用酶酶的的抑抑制制剂剂可可以以研研究究代代谢谢途途径径，从从最最初初的的反反应应物物经过哪些中间代谢产物，最终形成产物的。经过哪些中间代谢产物，最终形成产物的。 （二）利用遗传缺
10、陷症研究代谢途径（二）利用遗传缺陷症研究代谢途径 某某些些个个体体由由于于遗遗传传缺缺陷陷，先先天天就就缺缺少少某某种种酶酶。余同前。余同前。（三）气体测量法 用用瓦瓦氏氏呼呼吸吸计计测测定定反反应应过过程程中中吸吸收收的的气气体体量量或或释释放放的的气气体体量量。这这不不是是一一种种研研究究方法，而是一种实验技术。方法，而是一种实验技术。 （四）同位素示踪法 用用放放射射性性同同位位素素示示踪踪，可可以以跟跟踪踪某某一一原子的去向，从而得知代谢途径。原子的去向，从而得知代谢途径。 放射性强度测定放射性强度测定 放射自显影放射自显影 常用放射性同位素表同位素名称同位素名称符号符号放射线类型放射
11、线类型半衰期半衰期氢氢3（氚）（氚）3H,T12.26年年碳碳1414C 5730年年磷磷3232P 14.3天天碘碘131131I8.070天天硫硫3535S87.1天天（五）核磁共振波谱法 这也是一种实验技术。这也是一种实验技术。 第20章 生物能学（Bioenergetics）一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念二、化学反应中自由能的变化和意义二、化学反应中自由能的变化和意义三、高能化合物三、高能化合物一、有关热力学的一些基本概念（自由能的概念自由能的概念) )凡是能够用于做功的能量称为自由能。凡是能够用于做功的能量称为自由能。 二、化学反应中自由能的变化和意义（二）
12、标准自由能变化和化学平衡的关系（二）标准自由能变化和化学平衡的关系 化学反应中的标准自由能变化 在在化化学学反反应应中中，反反应应物物和和产产物物各各自自都都有有特特定定的的自自由由能能。产产物物自自由由能能的的总总和和与与反反应应物物自自由由能能的的总总和和之之差差，就就是是该该反反应应的的自自由由能能变变化化。为为了了计计算算的的方方便便，人人们们总总是是规规定定一一些些条条件件作作为为标标准准条条件件，并并将将在在此此条条件件下下所所发发生生的的化化学学反反应应的的自自由由能能变变化化称称为为标标准准自自由由能变化。能变化。 计算标准自由能变化时的标准条件 标标准准条条件件指指的的是是，
13、反反应应的的温温度度为为25，即即298K，大大气气压压为为101,325 Pa（1atm），反反应应物物和和产产物物的的浓浓度度都都是是1mol/L。标标准准自自由由能能变变化化的的符符号号用用Go 表表示示。对对于于生生物物化化学学反反应应，标标准准状状况况还还规规定定反反应应进进行行的的环环境境为为pH=7，这这时时的的标标准准自自由由能能变变化化用用G o表表示。示。 G0 和G Go 是是在在标标准准条条件件下下，一一个个化化学学反反应应的的自自由由能能变变化化，它它是是一一个个常常数数，而而G 是是一一个个化化学学反反应应在在某某一一实实际际条条件件下下的的自自由由能能变变化化，G
14、 随随着着反反应应的的温温度度、反反应应物物及及产产物物的的浓浓度度、反反应应介介质质的的pH等等的变化而变化。的变化而变化。 标准自由能变化的计算公式 假设有如下的一个化学反应式：假设有如下的一个化学反应式： aA + bB cC + dD在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是：在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是： 式式中中Go 是是该该反反应应的的标标准准自自由由能能变变化化，R是是气气体体常常数数，T是是绝绝对对温温度度，A、B、C、D代表代表4种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。 从从以以上上的的公公式式可可以以看看出出，一一个个化化学学反反
15、应应自自由由能能的的变变化化值值G，由由两两部部分分决决定定，一一部部分分是是不不变变因因素素，即即由由反反应应本本身身的的性性质质所所决决定定；另另一一部部分分是是可可变变因因素素，即即各各物物质质的的浓浓度度、反应的化学当量以及反应的温度。反应的化学当量以及反应的温度。 反应的平衡常数与G0 当反应达到平衡时，自由能变化为零，即当反应达到平衡时，自由能变化为零，即G = 0，而反应的平衡常数，而反应的平衡常数 代入上式得代入上式得 当当pH为为7时时 根根据据测测得得的的反反应应达达到到平平衡衡时时各各物物质质的的浓浓度度，可可以以计计算算出出反反应应的的平平衡衡常常数数，代代入入上上式式
16、可可以以计计算算出出反反应的标准自由能变化值。应的标准自由能变化值。 注注意意，生生化化反反应应很很多多都都是是可可逆逆反反应应，正正反反两两个个方方向向反应的反应的G0 的绝对值相同，符号相反。的绝对值相同，符号相反。 G是反应能否进行的判据 G可可用用来来判判断断一一个个反反应应是是否否能能够够自自发发进进行行，当当G0时时（反反应应放放出出能能量量），反反应应可可以以自自发发进进行行，G负负值值的的绝绝对对值值越越大大，反反应应自自发发进进行行的的趋趋势势越越大大，随随着着反反应应的的进进行行，G负负值值的的绝绝对对值值越越来来越越小小，当当G = 0时时，反反应应达达到到平平衡衡；当当
17、G0时，反应不能自发进行。时，反应不能自发进行。标准生成自由能的概念 每每一一种种有有机机化化合合物物都都有有自自己己的的标标准准生生成成自自由由能能，用用符符号号Gof 表表示示。标标准准生生成成自自由由能能Gof 的的定定义义是是，由由处处在在标标准准状状态态下下的的最最稳稳定定单单质质合合成成1mol标标准准状状态态的的化化合合物物时时，其其标标准准自自由由能能的的变变化化值值。由由于于各各种种物物质质的的标标准准自自由由能能都都无无法法测测得得，人人们们规规定定，在在1个个大大气气压压下下，一一定定温温度度时时，最最稳稳定定的的单单质质的的标标准准自自由由能能为为零零。这这样样，由由最
18、最稳稳定定的的单单质质反反应应生生成成某某一一种种物物质质的的反反应应的的标标准准自自由由能能变变化化值值就就是是这种物质的标准生成自由能。这种物质的标准生成自由能。 标准生成自由能的应用 利利用用各各种种物物质质的的标标准准生生成成自自由由能能，也也能能计计算算出一个反应的标准自由能变化量出一个反应的标准自由能变化量Go ，即，即Go =产物的标准生成自由能产物的标准生成自由能 反应物的标准生成自由能反应物的标准生成自由能 进一步还可以计算出反应的平衡常数。进一步还可以计算出反应的平衡常数。偶联化学反应标准自由能变化的可加性及其意义 在在互互相相联联系系或或称称为为偶偶联联的的化化学学反反应
19、应中中，这这些些相相互互联联系系的的化化学学反反应应的的总总的的自自由由能能变变化化等等于于各各步步反反应应自自由由能能变变化化的的总总和和。当当其其中中一一个个反反应应的的自自由由能能变变化化为为正正值值时时，只只要要总总反反应应的的自自由由能能变变化化为为负负值值，这这个个反反应应也也是是能能够够进进行行的的。在在生生化化反反应应中中，常常有有自自由由能能变变化化为为正正值值的的反反应应与与ATP的的水水解解反反应应相相偶偶联联，也也就就是说，是说，ATP水解释放出的能量驱动了某一需能反应。水解释放出的能量驱动了某一需能反应。 偶联化学反应的表示方式C+ATPD+ADP+Pi化学反应和自由
20、能关系的进一步说明1G 0是是反反应应能能够够自自发发进进行行的的判判据据，随随着着反反应应的的进进行行，G逐逐渐渐趋趋向向于于零零，其其反反应应的的限限度度是是G = 0，这时反应达到平衡。，这时反应达到平衡。2G只只提提示示化化学学反反应应的的方方向向和和限限度度，不不预预示示反反应应过过程程的的速速率率，实实际际上上许许多多G 0的的反反应应，即使有催化剂也不能进行。即使有催化剂也不能进行。3不稳定的基团自由能高，容易发生反应。不稳定的基团自由能高，容易发生反应。能量学用于生物化学反应中的一些规定1一一个个稀稀的的水水溶溶液液系系统统，如如果果有有水水作作为为反反应应物物或产物时，水的浓
21、度规定为或产物时，水的浓度规定为1.0。2在在生生物物化化学学能能量量学学中中，通通常常把把标标准准状状况况的的pH规规定定为为7.0。而而在在物物理理化化学学中中，标标准准状状况况规规定定为为pH0.0（即即H+浓浓度度为为1.0mmol/L）。不不同同pH下下Go不同。不同。3标准自由能的单位为标准自由能的单位为 kJ/mol 或或 kcal/mol。三、高能化合物( (高能化合物的概念高能化合物的概念) ) 机机体体内内有有许许多多含含磷磷酸酸的的化化合合物物，当当其其磷磷酰酰基基水水解解时时，释释放放出出大大量量的的自自由由能能，这这类类含含磷磷酸酸的的化化合合物物称称为为高高能能磷磷
22、酸酸化化合合物物。当当这这些些磷磷酰酰基基水水解解时时，能能释释放放出出20.92kJ/mol（5 kcal/mol）以以上上的的能能量量，因因此此将将这这些些磷磷酸酸基基团团与与其其它它基基团团之之间间的的键键称称为为“高高能能键键”（high-energy bond），并并用用符符号号 表表示示。注注意意生生物物化化学学中中的的“高高能能键键”的的含含义义与与化化学学中中使使用用的的“键能键能”含义是完全不同的。含义是完全不同的。 高能磷酸化合物及其它高能化合物的类型 高高能能磷磷酸酸化化合合物物中中的的磷磷酸酸大大多多数数是是与与另另一一个个酸酸形形成成酸酸酐酐，与与之之形形成成酸酸酐酐
23、的的酸酸有有羧羧酸酸、磷磷酸酸、硫硫酸酸等等。还还有有磷磷酸酸与与胍胍基基、烯烯醇醇式式羟羟基基之之间间结结合合的的化化合合物物也也是是高高能能磷磷酸酸化化合合物物。除除了了含含磷磷酸酸的的高高能能化化合合物物外外，还还有有不不含含磷磷酸酸的的高高能能化化合合物物，如如酰酰基基CoA中中的的硫硫酯酯键键、S-腺腺苷苷甲甲硫硫氨氨酸酸中中甲甲基基与与S之之间间的的硫硫醚醚键键也是高能键。也是高能键。 磷氧键型高能磷酸化合物乙酰磷酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷氧键型高能磷酸化合物焦磷酸焦磷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸酰基腺苷酸酰基腺苷酸磷氧键型高能磷酸化合物AT
24、P磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸氮磷键型高能磷酸化合物磷酸精氨酸磷酸精氨酸磷酸肌酸磷酸肌酸硫酯键型高能化合物3-腺苷磷酸腺苷磷酸5-磷酰硫酸磷酰硫酸酰基酰基CoA甲硫键型高能化合物S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸与核糖的与核糖的55碳相碳相连连一些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物化合物Go磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.9 kJ/mol61.9 kJ/mol氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸-51.46 kJ/mol51.46 kJ/mol磷酸肌酸磷酸肌酸-49.3 kJ/mol49.3 kJ/molATP+H2O AMP+PPi -32.2 kJ/mol32.2
25、kJ/molATP+H2OADP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molADP+H2OAMP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molPPi+ H2O2Pi-28.8 kJ/mol28.8 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸-20.9 kJ/mol20.9 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸-13.8 kJ/mol13.8 kJ/mol注意注意ATP位于所列磷酸化合物的中间位置位于所列磷酸化合物的中间位置细胞内影响ATP自由能释放的因素 在在细细胞胞内内环环境境条条件件下下，在在pH7时时，ATP及及ADP的的全全部部磷磷酸酸基基团团都都处处于于解解离离状状态态。
26、细细胞胞内内有有大大量量的的Mg2+，Mg2+与与ATP4及及ADP3形形成成Mg2+ATP2及及Mg2+ADP的的形形式式，而而实实际际上上Mg2+ATP2才才是是ATP的的活活性性形形式式。所所以以Mg2+浓浓度度、pH、ATP、无无机机磷酸的浓度都能影响磷酸的浓度都能影响ATP水解时释放的自由能的量。水解时释放的自由能的量。 ATP在能量转运中的地位和作用1 1它它可可以以在在磷磷酸酸转转移移中中起起到到“共共同同中中间间传传递递体体”的作用。的作用。ATP在能量转运中的地位和作用2在偶联反应中提供能量。在偶联反应中提供能量。磷酸肌酸的作用 神神经经和和肌肌肉肉等等细细胞胞活活动动的的直
27、直接接供供能能物物质质是是ATP，但但ATP在在细细胞胞中中的的含含量量很很低低，在在哺哺乳乳动动物物的的脑脑和和肌肌肉肉中中约约38mmol/kg。这这些些ATP只只能能提提供供肌肌肉肉剧剧烈烈活活动动1s左左右右的的消消耗耗。而而肌肌肉肉和和脑脑中中磷磷酸酸肌肌酸酸的的含含量量远远远远超超过过ATP，在在脑脑中中约约为为ATP的的1.5倍倍，在在肌肌肉肉中中则则为为ATP的的4倍倍。受受过过良良好好训训练练的的运运动动员员其其肌肌肉肉中中磷磷酸酸肌肌酸酸的的含含量量可可高高达达30mmol/kg。磷磷酸酸肌肌酸酸可可以以看看成成是是ATP的的后后备备军军，磷磷酸酸肌肌酸酸中中贮贮存存的的能
28、能量量可可以以很很快快转转移移到到ATP中。中。 磷酸肌酸的作用 上上述述反反应应式式正正向向反反应应的的G 0为为-12.6kJ/mol，逆逆向向反反应应的的G 0为为+12.6kJ/mol，反反应应的的平平衡衡常数为常数为160。 磷酸肌酸磷酸肌酸 + + ADP - - 肌酸肌酸 + + ATP肌酸激酶肌酸激酶磷酸肌酸及其它贮能物质的作用 当当细细胞胞处处于于静静息息状状态态时时，ATP的的浓浓度度较较高高，反反应应向向合合成成磷磷酸酸肌肌酸酸的的方方向向进进行行。当当细细胞胞处处于于活活动动状状态态时时，ATP的的浓浓度度下下降降，反反应应即即转转向向合合成成ATP的的方方向进行，因此磷酸肌酸有向进行，因此磷酸肌酸有“ATP缓冲剂缓冲剂”之称。之称。 磷磷酸酸精精氨氨酸酸是是某某些些无无脊脊椎椎动动物物如如蟹蟹和和龙龙虾虾等等肌肌肉中的贮能物质，其作用与磷酸肌酸相似。肉中的贮能物质，其作用与磷酸肌酸相似。 有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。 聚偏磷酸的结构ATP以外的其它核苷三磷酸的递能作用 除除了了ATP外外，其其它它核核苷苷三三磷磷酸酸也也在在某某些些情情况况下为反应提供能量。下为反应提供能量。 ATP系统的动态平衡细胞内的能量状态可用能荷或磷酸化势能来表示。细胞内的能量状态可用能荷或磷酸化势能来表示。
