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1、第八章第八章新陈代谢总论新陈代谢总论1一、新陈代谢的概念和特点一、新陈代谢的概念和特点 体内试验（体内试验（in vivo）和体外试验（）和体外试验（no vivo） 示踪法（化合物示踪、同位素示踪）示踪法（化合物示踪、同位素示踪） 抗代谢物和酶抑制剂的利用抗代谢物和酶抑制剂的利用生生物物一一方方面面不不断断地地从从周周围围环环境境中中摄摄取取能能量量和和物物质质，通通过过一一系系列列生生物物反反应应转转变成自身组织成分，即所谓变成自身组织成分，即所谓同化作用同化作用（assimilation）；）；另另一一方方面面，将将原原有有的的组组成成成成份份经经过过一一系系列列的的生生化化反反应应，分
2、分解解为为简简单单成成分分重重新新利利用用或或排排出出体体外外，即即所所谓谓异异化化作作用用（dissimilation ），通通过过上上述述过过程程不不断断地进行自我更新。地进行自我更新。新陈代谢新陈代谢（metabolism）的概念）的概念:新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法:是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换物质交换和和能量交换能量交换的过程。的过程。新陈代谢的特点：新陈代谢的特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行21.活体内实验（整体实验） 用整体生物材料
3、或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验。（一）活体内实验和活体外实验 实验结果代表生物体在正常生理条件下整体代谢情况，比较接近生物体的实际。 典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸-氧化学说。32.活体外实验 用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物进行中间代谢实验研究称为活体外实验表示。 典型例子：糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等。4 探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、代谢物质标记追踪实验、特征性酶鉴定实验、核磁共振波实验等。其中最有效的是代谢物质标记追踪实验和核磁共振实验。（二）代谢途径
4、的探讨方法51.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验） 正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析研究；若用适当方法造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于进行分析研究。 阻断代谢途径的方法有：造成微生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专一性抑制剂等。62.代谢物标记追踪实验 将代谢底物分子适当“标记”，然后追踪“标记”在细胞中的去向，就可以了解底物分子在中间代谢中经过什么中间产物，生成了什么终产物。这是探索代谢途径最有效的方法。 标记方法有：化学标记法、同位素标记法。7(1)化学标记法 1904年，德国F.Knoop首次用苯环标记脂肪酸探讨中间代谢途径，提出著名的脂肪酸-
5、氧化学说。 缺点：化学标记法使天然代谢物分子结构和理化性质发生了改变，这可能给正常代谢途径造成某些影响。8(2)同位素标记法 1941年，Rudolf Schoenheimer首次采用同位素标记法进行实验。同位素种类：稳定同位素放射性同位素。二者区别：是否衰变、是否有射线。9常用的稳定同位素有：重氢（2H或D）、15N、13C、18O等。用“稳定性同位素”标记的化合物可用质谱仪定量测定，也可用超离心法分离鉴定。 根据放射线同位素衰变时放出的射线性质，可以用专门仪器或专用方法测定。常用的放射性同位素有氘（T或3H）、14C、32P、34S、131I。优点：1）同位素标记法特异性强，灵敏度高，测定
6、方法简便。2）放射性同位素分析方法比稳定同位素更方便、灵敏，应用更普遍。缺点：放射性同位素对人体有毒害，某些同位素的半衰期长，容易造成环境污染，所以需要在专门的同位素实验时进行。10新陈代谢图解新陈代谢图解 小分子小分子 大分子大分子合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢11二、新陈代谢的内容二、新陈代谢的内容（1）物质代谢：）物质代谢：重点讨论各种生理活性物质（如糖、重点讨论各种生理活性物质（如糖、重点讨论各种生理活性物质（如糖、重点讨论各
7、种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生酶促反应的途酶促反应的途酶促反应的途酶促反应的途径及调控机理径及调控机理径及调控机理径及调控机理，包含旧分子的分解和新分子的合成；，包含旧分子的分解和新分子的合成；，包含旧分子的分解和新分子的合成；，包含旧分子的分解和新分子的合成；（2）能量代谢：）能量代谢：重点讨论光能或化学能在细胞内向重点讨论光能或化学能在细胞内向重点讨论光能或化学能在细胞内向重点讨论光能或化学能在细胞内向生物能（生物能（生物能（生物能（ATPATP）转化的原理和过程
8、，以及生命活动对）转化的原理和过程，以及生命活动对）转化的原理和过程，以及生命活动对）转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。能量的利用。能量的利用。能量的利用。能量代谢和物质代谢是同一过程的两个方面，能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。有能量转化。1.1.物质代谢和能量代谢物质代谢和能量代谢12（1 1）合成代谢）合成代谢活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮活细胞从外环境中取得原料合成
9、自身的结构物质、贮存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成代谢，也叫代谢，也叫代谢，也叫代谢，也叫生物合成生物合成生物合成生物合成。是需要供应能量的过程。是需要供应能量的过程。是需要供应能量的过程。是需要供应能量的过程。2.2.合成代谢与分解代谢合成代谢与分解代谢（2）分解代谢）分解代谢有机物质在细胞内发生分解的作用过程。分解过程中的有机物质在细胞内发生分解的作用过程。分解过程中的有机物质在细胞内发生分解的作用过程。分解过程中的有机物质在细胞内发生分解
10、的作用过程。分解过程中的许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释放出化学能并转化为细胞能够利用的生物能（放出化学能并转化为细胞能够利用的生物能（放出化学能并转化为细胞能够利用的生物能（放出化学能并转化为细胞能够利用的生物能（ATPATP）。）。）。）。 合成代谢和分解代谢相辅相成，有机地联系在合成代谢和分解代谢相辅相成，有机地联系在一起，构成中间代谢的统一整体一起，构成中间代谢的统一整体。13自由能(G G)：指一个反应体系中能够做功的那部分能
11、量。自由能的变化(GG)：产物的自由能与反应物的自由能之差，与反应转变过程无关。标准自由能的变化(GG0 0)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=0。生化反应中标准自由能的变化(GG0 0)：298K，101.3KPa，反应物浓度为1mol/L，pH=7。1.自由能三、生物体内能量代谢的基本规律三、生物体内能量代谢的基本规律14定义式：=H-TS G G：（实际）自由能变化（：（实际）自由能变化（actual free energy changeactual free energy change）；）； H H总热能变化；总热能变化； T, T, S S总体熵变化。总
12、体熵变化。物理意义：* (体系中能对环境作功的能量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，吸能，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。15 自由能的概念对于研究生物化学过程具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。16在反应ABC+D中自由能变化是标准自由能变化与平衡常数的函数：2.自由能G与平衡常数K当反应达到平衡时， G=0，那么，173.自由能与氧化还原电位的关系pHpH7 7， 101.3KPa1
13、01.3KPa，2525，反应物浓度为，反应物浓度为1mol/L1mol/L，氧化态与还原态物质与标准氢电，氧化态与还原态物质与标准氢电极组成原电池测定得到的氧化还原电位。极组成原电池测定得到的氧化还原电位。电子从E0较小的物质转移到E0较大的物质是自由能降低的结果。其关系为： n为转移电子数；F为法拉第常数，等于96.5kJ / V18总之，化学反应自由能的计算：总之，化学反应自由能的计算： a.利用利用化学反应平衡常数化学反应平衡常数计算计算 基本公式：基本公式： (Qc-浓度熵浓度熵) b.利用利用标准氧化还原电位标准氧化还原电位（E ）计算）计算（限于氧化还原反应）（限于氧化还原反应）
14、 基本公式：基本公式：G=nFE (E=E+-E-)19生物系统中的能流生物系统中的能流2021四、高能化合物与四、高能化合物与ATP的作用的作用 生生化化反反应应中中，在在水水解解反反应应或或基基团团转转移移反反应应中中可可释释放放出出大大量量自自由由能能（21千千焦焦/摩摩尔尔）的的化化合合物物称称为高能化合物。为高能化合物。高能化合物的定义：高能化合物的定义：细胞中重要的高能键：高能磷酸键和高能硫脂键。22高高能能化化合合物物类类型型23ATP的结构特点及其重要意义 ATP（三磷酸腺苷，腺苷三磷酸，adenosine triphosphate）是一种很重要的高能磷酸化合物。 生物体每天要
15、消耗大量ATP，安静状态的成年人：每天消耗40kgATP；激烈运动时：每分钟就消耗0.5kg。 ATP是一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸，其结构：24ATP是人体内能量的直接供给者是人体内能量的直接供给者25ATP的特点的特点 在在pH=7环环境境中中，ATP分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带4个个负负电电荷荷的的离离子子形形式式（ATP4-），具具有有较较大大势势能能，加加之之水水解解产产物物稳稳定定，因因而而水水解解自自由由能能很很大大（G=-30.5千焦千焦/摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-
16、O-O- + + +Mg2+ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-126ATP的特殊作用的特殊作用 ATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1,3-二磷二磷酸甘油酸酸甘油酸磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物） 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油27ATP循环循环A
17、TP ADP 肌酸肌酸 磷酸磷酸肌酸肌酸 氧化磷酸化氧化磷酸化 底物水平磷酸化底物水平磷酸化 PP PP 机械能机械能( (肌肉收缩肌肉收缩) )渗透能渗透能( (物质主动转运物质主动转运) ) 化学能化学能( (合成代谢合成代谢) )电能电能( (生物电生物电) )热能热能( (维持体温维持体温) )28v磷酸肌酸（磷酸肌酸（creatine phosphate, CP）是是骨骼骨骼肌肌和和脑组织脑组织中中能量的贮存形式能量的贮存形式。v磷酸肌酸中的高能磷酸键磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用不能被直接利用，必，必须先将其高能磷酸键转移给须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理，才能供生理活动之需。活动之需。v反应过程由反应过程由磷酸肌酸激酶（磷酸肌酸激酶（CPK）催化完成。催化完成。29磷酸肌酸激酶的作用磷酸肌酸激酶的作用30
