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1、第十九章第十九章 代谢总论代谢总论A metabolic map,By D.E. Nicholson, University of Leeds, U.K. 新陈代谢图示新陈代谢图示主要内容分解代谢与合成代谢分解代谢与合成代谢高能化合物在新陈代谢中的重要作用高能化合物在新陈代谢中的重要作用新陈代谢的调节新陈代谢的调节代谢中常见的有机反应机制代谢中常见的有机反应机制代谢的研究方法代谢的研究方法几个概念新陈代谢新陈代谢 营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总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称为新陈代谢代谢中间产物代谢中间产物 代谢过程中连续转变的酶促产物代谢过程中连续转变的酶促
2、产物中间代谢中间代谢 新陈代谢途径中的个别环节、个别步骤新陈代谢途径中的个别环节、个别步骤主要代谢途径主要代谢途径 代谢网络中一些具有共同规律的途径代谢网络中一些具有共同规律的途径The metabolic map as a set of dots and lines,By B. Alberts1. 分解代谢与合成代谢分解代谢分解代谢 catabolism 有机营养物通过一系列反应步骤转变成小的，简单的物质的过程，总体来看，分解代谢的终产物是CO2、NH3、和水，同时伴随着大量化学能被释放出来，所以分解代谢又叫产能代谢。合成代谢合成代谢 anabolism or biosynthesis 是生
3、物体利用小分子或大分子的结构元件建是生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程，属于造成自身大分子的过程，属于 耗能代谢耗能代谢Parallel pathways of catabolism and anabolism must differ in at least one metabolic step in order that they can be regulated independently.同一种物质其分解代谢与合成代谢的途径一同一种物质其分解代谢与合成代谢的途径一般是不相同的般是不相同的，这使得生物机体增加了体内化学反应的数，这使得生物机体增加了体内化学反应的数量并
4、使代谢调控具有更大的灵活性与应变性。量并使代谢调控具有更大的灵活性与应变性。分解代谢与合成代谢生物机体的分解生物机体的分解代谢与合成代谢是代谢与合成代谢是同时发生的，但在同时发生的，但在细胞的不同部位进细胞的不同部位进行。这称为区室化行。这称为区室化-compartmentation区区室室化化通通过过几几种种方方式式影影响响代代谢谢反反应应。在在真真核核生生物物中中，区区室室化化将将整整个个代代谢谢途途径径完完全全分分隔隔在在特特定定的的亚亚细细胞胞区区域域。将将降降解解和和合合成成途途径径分分开开有有许许多多优优越越性性，最最主主要要的的是是可可以以避避免免两两个个方方向向相相反反的的反反
5、应应彼彼此此会会部分或完全抵消。部分或完全抵消。 区区室室化化通通过过区区室室的的通通透透特特性性也也可可以以调调节节酶酶促促反反应应，通通过过区区室室膜膜有有选选择择的的通通透透（或或转转运运）可可以以调调控控底底物物进进入入区区室室和和从从区区室室输输出出产产物物，因因为为区区室室内内底底物物和产物的相对浓度转而影响酶促反应。和产物的相对浓度转而影响酶促反应。另另外外区区室室化化与与影影响响代代谢谢物物跨跨细细胞胞膜膜或或亚亚细细胞胞膜膜转转运运的的激激素素的的作作用用紧紧密密相相连连。在在哺哺乳乳动动物物中中，不不同同的区室之间都是通过复杂的方式联系在一起的。的区室之间都是通过复杂的方式
6、联系在一起的。分解代谢与合成代谢分解代谢与合成代谢区室化的实验验证区室化的实验验证分解代谢与合成代谢Compartmentalization of glycolysis, the citric acid cycle, and oxidative phosphorylation2. 高能化合物在新陈代谢中的重要作用热力学原理是代谢研究的基础，吉布斯热力学原理是代谢研究的基础，吉布斯自由能是生物化学中的主要热力学函数自由能是生物化学中的主要热力学函数偶联化学反应标准自由能变化是可加和偶联化学反应标准自由能变化是可加和的。其意义在于一个热力学上不利的反的。其意义在于一个热力学上不利的反应可以被热力学
7、有利的反应所驱动。应可以被热力学有利的反应所驱动。A B + C G = +5 Kcal/molB D G = -8 Kcal/molA C + D G = -3 Kcal/mol高能化合物：水解后可释放出大量能量高能化合物：水解后可释放出大量能量的化合物，的化合物，G -5 Kcal/molG -5 Kcal/mol。 1 1、高能磷酸化合物：将高能量储存在磷、高能磷酸化合物：将高能量储存在磷酯键中的化合物，其磷酯键用酯键中的化合物，其磷酯键用“”表表示，区别于示，区别于 “ “”。 2 2、其它高能化合物：、其它高能化合物：乙酰乙酰CoACoA、NADHNADH、NADPHNADPH、FA
8、DHFADH2 2高能化合物在新陈代谢中的重要作用高能化合物在新陈代谢中的重要作用在分解代谢中在分解代谢中起捕获和贮藏起捕获和贮藏能量的是能量的是ATP （腺嘌呤核苷（腺嘌呤核苷三磷酸或腺苷三磷酸或腺苷三磷酸）三磷酸）ATP中有二个中有二个高能磷酸键高能磷酸键高能化合物在新陈代谢中的重要作用由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺的反应是由谷氨酸和氨合成谷氨酰胺的反应是ATPATP的自由能驱动的的自由能驱动的能够直接供能的核苷酸类分子除能够直接供能的核苷酸类分子除ATP外还外还有有GTP（鸟苷三磷酸）（鸟苷三磷酸）UTP（尿苷三磷酸）（尿苷三磷酸）和和CTP（胞苷三磷酸）（胞苷三磷酸）高能化合物在新陈代谢中的
9、重要作用高能化合物在新陈代谢中的重要作用储备高能磷酸的分子称之磷酸原储备高能磷酸的分子称之磷酸原( (phosphagensphosphagens) )，例如在动物肌肉细胞中发现的磷酸肌酸和磷酸例如在动物肌肉细胞中发现的磷酸肌酸和磷酸精氨酸，在脊椎动物的肌肉中，大量的磷酸肌酸精氨酸，在脊椎动物的肌肉中，大量的磷酸肌酸是在是在ATPATP供应充足时生成的。在静止的肌肉中，供应充足时生成的。在静止的肌肉中，磷酸肌酸的浓度大约是磷酸肌酸的浓度大约是ATPATP的的5 5倍。当需要倍。当需要ATPATP时，时，肌酸激酶催化激活的磷酰基团从磷酸肌酸转移给肌酸激酶催化激活的磷酰基团从磷酸肌酸转移给ADPA
10、DP，快速地补充快速地补充ATPATP。在许多无脊椎动物（例如软体动物和节肢动物）在许多无脊椎动物（例如软体动物和节肢动物）中，磷酸精氨酸是激活的磷酰基团的来源。中，磷酸精氨酸是激活的磷酰基团的来源。辅酶辅酶I（NAD）和辅酶）和辅酶II（NADP）以氢原子和电）以氢原子和电子的形式将自由能转移给生子的形式将自由能转移给生物合成需能反应。物合成需能反应。在标准条件下，在标准条件下，NADHNADH氧化氧化所释放出的能量是所释放出的能量是-220 KJ/mol-220 KJ/mol，足可以驱，足可以驱动几个动几个ATPATP分子的形成。分子的形成。尼克酰胺腺嘌呤核苷高能化合物在新陈代谢中的重要作
11、用高能化合物在新陈代谢中的重要作用FMN（黄素腺嘌呤单（黄素腺嘌呤单核苷酸）和核苷酸）和FAD（黄素腺（黄素腺嘌呤二核苷酸）在呼吸链嘌呤二核苷酸）在呼吸链中起传递中起传递H和电子的作用。和电子的作用。FAD高能化合物在新陈代谢中的重要作用FAD + -CH2-CH2- FADH2 + -CH=CH-高能化合物在新陈代谢中的重要作用辅酶辅酶A（coenzyme A）它由腺嘌呤、它由腺嘌呤、D-核糖、核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和磷酸、焦磷酸、泛酸和巯基乙胺组成。巯基是巯基乙胺组成。巯基是CoA的活性基团。它在的活性基团。它在酶促反应中主要起接受酶促反应中主要起接受乙酰基的作用，生成乙乙酰基的作用，生
12、成乙酰辅酶酰辅酶A（CH3COSCoA）CH3COSCoA是一高能化合物高能化合物在新陈代谢中的重要作用新陈代谢的调节分子水平调节分子水平调节 包括反应物和产物的调节，主要是浓度和酶的包括反应物和产物的调节，主要是浓度和酶的调节，酶的调节主要是酶浓度和酶活性调节调节，酶的调节主要是酶浓度和酶活性调节（变构调节、共价修饰调节）。（变构调节、共价修饰调节）。细胞水平调节细胞水平调节 细胞的分隔作用细胞的分隔作用( Compartmentation)。整体水平调节整体水平调节 多细胞生物的调节。主要有激素调节、神经调多细胞生物的调节。主要有激素调节、神经调节。节。除此之外还有除此之外还有基因表达调控
13、基因表达调控代谢中常见的有机反应机制基团转移反应基团转移反应氧化氧化-还原反应还原反应消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应碳碳-碳键的形成或断裂反应碳键的形成或断裂反应代谢中常见的有机反应机制代谢中常见的有机反应机制代谢中常见的有机反应机制基团转移反应基团转移反应 亲电子基团从一个亲核体转移到另一处亲电子基团从一个亲核体转移到另一处亲核体上，如酰基、磷酸基、葡糖基的亲核体上，如酰基、磷酸基、葡糖基的转移等。转移等。酰基化合物-X四面体中间产物酰基化合物-Y胰蛋白酶水解肽键就是一个典型例子代谢中常见的有机反应机制磷酰基转移反应在代谢中具有特殊意义：活化代谢中间物代谢中常见的有机反应机制氧
14、化氧化-还原反应还原反应 即电子的得失反应，在代谢中非常多，即电子的得失反应，在代谢中非常多，如如NAD+形成形成NADH，FAD形成形成FADH2。电子受体电子供体代谢中常见的有机反应机制多数生物氧化中，化合物失去2个质子和2个电子，这些反应统称为脱氢反应，对应的酶称为脱氢酶。代谢中常见的有机反应机制消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应1.消除反应如消除反应如C=C的形成；的形成；2.异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；3.分子重排反应如分子重排反应如L-甲基丙二酰单酰辅甲基丙二酰单酰辅酶酶A经甲基丙二酰单酰辅酶经甲基丙二酰单酰辅酶A变位酶变位酶作作用
15、变成琥珀酰辅酶用变成琥珀酰辅酶A。代谢中常见的有机反应机制消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应1.消除反应如消除反应如C=C的形成；的形成；2. 三种可能的机制：协同机制、正碳三种可能的机制：协同机制、正碳离子机制、负碳离子机制。离子机制、负碳离子机制。经过碳正离子的机制的醇消除反应代谢中常见的有机反应机制消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应2.异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；异构化反应如醛糖与酮糖的异构反应；代谢中常见的有机反应机制 消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应3. 分子重排反应如分子重排反应如L-甲基丙二酰单酰辅酶甲基丙二酰单酰辅酶A经甲基丙二酰单酰辅酶经
16、甲基丙二酰单酰辅酶A变位酶作用变成琥变位酶作用变成琥珀酰辅酶珀酰辅酶A。代谢中常见的有机反应机制碳碳-碳键的形成或断裂反应碳键的形成或断裂反应 这类反应主要有羟醛缩合反应（糖代这类反应主要有羟醛缩合反应（糖代谢中）、克莱森酯缩合反应（合成柠谢中）、克莱森酯缩合反应（合成柠檬酸反应）、檬酸反应）、 -酮酸的氧化脱羧（异酮酸的氧化脱羧（异柠檬酸脱氢酶催化的脱羧）反应柠檬酸脱氢酶催化的脱羧）反应代谢中常见的有机反应机制克莱森酯缩合反应克莱森酯缩合反应合成柠檬酸反应合成柠檬酸反应+ E-His烯醇式负碳离子草酰乙酸SiS-柠檬酰CoA柠檬酸代谢的研究方法一、使用酶的抑制剂一、使用酶的抑制剂代谢的研究方法二、同位素示踪法二、同位素示踪法代谢的研究方法三、利用基因突变研究代谢：三、利用基因突变研究代谢：通过研究与某个不正常通过研究与某个不正常的酶有关系的基因的突变也可以提供有价值的信息，的酶有关系的基因的突变也可以提供有价值的信息，某些突变是致死的，不能传给下一代，而有些突变是某些突变是致死的，不能传给下一代，而有些突变是后代容忍的。对这些突变的生物体的研究有助于鉴别后代容忍的。对这些突变的生物体的研究有助于鉴别出代谢途径中的酶和中间代谢物出代谢途径中的酶和中间代谢物代谢的研究方法四、四、NMRNMR法法
