第17章 代谢总论

null《生物化学II》《生物化学II》 ————动态部分 第十七章 代谢总论第十七章 代谢总论null 什么是新陈代谢？（metabolism） 新的来，旧的去 花开花落The word metabolism derives from the Greek word for “change.” null1. 新陈代谢的基本概念 新陈代谢是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连续反应构成代谢途径，代谢途径的个别步骤称作中间代谢，个别步骤的产物称作中间产物。2. 新陈代谢的功能 1. 从周围环境获得营养物质 2. 将营养物质转变成自身需要的结构元件 3. 将结构元件装配成自身的大分子 4. 形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子 5. 提供生命活动所需的一切能量。一、新陈代谢简介null（1） 不同生物的代谢大同小异 大同 各类生物的物质的代谢途径十分相似小异 也有偏向 低等的厌氧生物尚没有发展出好氧代谢途径，而高等生物包括好氧细菌都发展出了更为高效的好氧代谢，但同时保存了厌氧代谢途径。 为什么具有许多相同之处呢？ 共同的祖先！ 3.新陈代谢的特点null（2） 反应步骤繁多，具有严格的顺序性； （3） 与环境相适应，自动调节； 1. 生物被分为自养生物和异养生物1. 生物被分为自养生物和异养生物 根据生物由环境中获得碳的化学形式，生物可分为两大类型： 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，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。二、整个生物圈新陈代谢的物质与能量变化2. 生物圈自养生物和异养生物间氧和二氧化碳的循环2. 生物圈自养生物和异养生物间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，自养生物利用空气中的CO2建造自己的有机生物分子，有些还分解水产生O2；反过来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C、O2和H2O在自养和异养间不断循环，太阳能是其中的驱动力。 光合自养生物和异养生物二氧化碳和氧的循环光合自养生物和异养生物二氧化碳和氧的循环 在整个生物圈中，物质循环的量非常巨大，每年大约有4 × 1011 吨的碳参与循环。3. 生物圈中氮的循环3. 生物圈中氮的循环 所有生命体都需要氮源，为合成氨基酸、核苷酸及其他化合物所必需。植物可利用铵或可溶性硝酸盐作为唯一氮源；但脊椎动物的氮源必须是氨基酸或其他有机化合物；只有少量的生物—蓝细菌(Cyanobacteria)和与部分植物根部共生的土壤细菌可以转变（固定）大气氮为氨；其他细菌（硝化细菌）氧化氨生成硝酸盐和亚硝酸盐；而另一些细菌把硝酸盐转化为N2，在生物圈形成了氮的循环生物圈的氮循环生物圈的氮循环4. 物质循环需要大量的能量4. 物质循环需要大量的能量 前面所涉及的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。 null生物圈中能量的转化null新陈代谢包含的是物质合成和分解两个方面。 获取营养物质，并将其转化为自身所需的物质，称作合成代谢； 分解营养物质提供生命活动所需的能量，称作分解代谢； 合成代谢和分解代谢的调控步骤通常由不同的酶催化，分解代谢中大量释放能量的反应通常是不可逆的，在合成代谢中，这样的步骤需要输入能量来完成。 有时，合成代谢和分解代谢可以在不同的细胞器中进行。 有些代谢环节是合成代谢和分解代谢共同利用的，称作两用代谢途径，如柠檬酸循环就是两用代谢途径。三、分解代谢与合成代谢null 代谢途径的一览图 1点1线或1点2线:410个； 1点3线:71个；1点4线:20个；1点5线:11个；1点6线或6线以上:8个；1点1线在1个途径的末端；1点2线在1个途径的中间；1点3线参与2个途径； 其余类推。（点为反应物和产物，线为催化的酶）null 代谢途径中酶的组织方式： （a）多种游离酶构成的代谢途径； （b）多酶复合体构成的代谢途径； （c）膜结合酶构成的代谢途径。null分解代谢的三个阶段分解代谢的3个阶段. 阶段 I: 蛋白,多糖和脂类分解成组成它们的结构元件. 阶段 II: 不同的组成元件降解成共同的产物，乙酰辅酶A. 阶段 III: 分解代谢产生3个主要的终产物：水，二氧化碳和氨.null三类非线性的代谢途径. (a)分解代谢的集中途径 (b)合成代谢的分散途径 (c) 循环途径。四、能量代谢在新陈代谢中的作用四、能量代谢在新陈代谢中的作用二者相辅相成，研究物质代谢就是研究能量代谢维持生命活动的能量来源维持生命活动的能量来源 光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。 化学能：动物和多数微生物，通过生物氧化作用将有机物质存储的化学能释放出来，并转变成生物能。null分解代谢与合成代谢过程的能量代谢关系nullATP是生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物非储存能量的形式,是传递能量的形式ATP的性质ATP的性质ATP 分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时, 可以释放出大量自由能。 ATP 是生物体内最重要的能量转换中间体。ATP 水解释放出来的能量用于推动生物体内各种需能的生化反应。nullATP在细胞中的循环null生物体内，除ATP外，还有其它核苷酸类分子提供能量： GTP对G蛋白的活化、蛋白质的生物合成、蛋白质的寻靶作用以及蛋白质运转等过程提供自由能； UTP在糖原合成中起活化葡萄糖分子的作用； CTP在合成磷脂酰胆碱及纤维素等方面有作用。 null能量源自能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解分解代谢 氧化产能 ADP机械能（运动） 化学能（合成反应） 渗透能（分泌、吸收） 电能（生物电） 热能（体温维持） 光能（生物发光） UTP、GTP、CTP、TTP 合成，供能ATPnull五、辅酶I和辅酶Ⅱ的递能作用分解代谢过程中释放的氢和电子被转移到NAD+的腺苷酸，从而形成 NADH + H+ 。反应式如下所示 AH2 + NAD+ →A + NADH + H+ 催化反应的酶是乙醇脱氢酶.null通过NADPH循环从分解代谢中将电子和氢原子（能量）传递到合成代谢中。null六、FMN和FAD的递能作用在氧化还原反应，特别是在氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用。null七、辅酶A在能量代谢中的作用功能——酰基转移酶辅酶，传递酰基 在脂类与糖类代谢中起重要的作用 辅酶Anull八、新陈代谢的调节代谢的调节分三个水平：分子水平，细胞水平和整体水平。1. 分子水平调节主要是酶的调节。调节机制主要为可逆的变构调节和共价修饰。null代谢途径的区域化糖酵解，柠檬酸循环和氧化磷酸化的区域2. 细胞水平的调节主要是使酶的作用具有严格的定位，从而使代谢途径得到分隔控制null3. 多细胞生物还受到整体水平的调节，主要包括激素的调节和神经的调节。null九、代谢中常见的有机反应机制 （一）基团转移反应(group—transferreaction) 在生物化学反应中，通常为亲电基团从一个亲核体转移到另一个亲核体，常见的转移基团有酰基、磷酰基和葡萄糖基等。代谢中的反应大体可归纳为四类：null1.酰基转移null2.磷酰基转移nullnull3.葡糖基转移null（二）氧化反应和还原反应 (oxidation and reduction) 实质是电子的得失，在生物化学反应中十分普遍，从代谢物转移的电子，通过一系列的传递体转移到氧，并伴随能量的释放。null（三）消除、异构化及重排反应 消除反应伴随碳-碳双键的生成，可通过协同机制、碳正离子机制或碳负离子机制完成，形成顺式或反式消除产物。 在生物化学中，常见的异构化反应是双键移位。如酮糖-醛糖互变。 重排反应伴随碳-碳键的断裂和重生成，使碳骨架发生变化。null（四）碳-碳键的形成与断裂反应 分解代谢和合成代谢以碳-碳键的形成与断裂为基础，常见的有： 1.羟醛缩合反应和羟醛裂解反应，如果糖-1,6-二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。 2.克莱森酯缩合反应如柠檬酸合酶催化的反应(在柠檬酸循环中介绍)。 3.b-酮酸的氧化脱羧反应如异柠檬酸的氧化脱羧。十、代谢的研究方法十、代谢的研究方法1.研究对象:大肠杆菌、大肠杆菌噬菌体、四膜虫、小球藻、果蝇、鸽、兔、小鼠、大鼠 2.研究方法： 使用酶的抑制剂： 利用遗传缺欠症：先天性基因的突变，缺乏某一种酶. 同位素示踪法：常用稳定同位素：2H,15N,13C,18O 　　　　　　　 (例： DNA半保留复制) 　　　　　　常用放射性同位素：3H,32P,14C (例三羧酸循环) 苯环化合物示踪法：苯甲酸和苯乙酸(例：脂肪酸β-氧化) 核磁共振波谱法 3.研究水平 体内(in vivo):生物整体,整体器官,微生物细胞群 体外(in vitro):组织切片,匀浆液,提取液null体内研究（in vivo)典型案例 脂肪酸的β氧化null体外研究(in vitro)， 典型案例 糖代谢、生物氧化等等null1、利用酶的抑制剂 代谢途径受阻导致代谢中间产物的积累 碘乙酸——3-磷酸甘油醛脱氢酶 氟化钠——烯醇化酶主要研究方法：null2. 利用遗传缺欠症研究代谢途径nullnull黑色素是吲哚醌的聚合物 白化病(albinism)缺乏酪氨酸酶null 微生物的营养缺陷型可以分为若干种亚型,每种亚型由一种酶的缺陷造成,对比研究可以揭示代谢途径。如途径A→B→C→D中B→C 的酶缺失,则A和B会堆积, C→D的酶缺失,则A,B和C会堆积。null3. 同位素示踪法 用14C标记CO2,培养绿藻，提取液进行双向纸层析，放射自显影，发现放射性最早出现在3-磷酸甘油酸(PGA)，随后出现在其他中间物。null科学家通过同位素示踪法证明，生物集体虽然从表面上看，保持着恒定状态，但是实际上并不是恒定不变的，生物有机体在不断地进行新陈代谢，体内各种物质在不断地更新。 另外，还证明，血红素分子中的全部碳原子和氮原子来源于乙酸和甘氨酸；胆固醇分子中的碳原子来源于乙酰辅酶A。null4. 核磁共振波谱法 运动19分钟前后ATP和磷酸肌酸的变化情况磷酸肌酸核磁共振可显示 ATP和磷酸肌酸的变化, null基本要求 1.掌握分解代谢与合成代谢及与能量代谢的关系。 （熟悉） 2.掌握辅酶I、辅酶Ⅱ、FMN、FAD和辅酶A在能量代谢中的作用。（熟悉） 3.掌握新陈代谢调节的一般规律。（熟悉） 4.了解代谢中常见的有机反应机制。 5.熟悉新陈代谢的研究方法。