代谢概论和生物能学课件

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1、机体内上千种生化反应的图谱机体内上千种生化反应的图谱（一）代谢的概念（一）代谢的概念 1.1.定义定义经典定义经典定义:发生在生命有机体中化学变化和物理发生在生命有机体中化学变化和物理变化的总和。即合成代谢和分解代谢。变化的总和。即合成代谢和分解代谢。现代定义现代定义:生命有机体从它们生活的环境中生命有机体从它们生活的环境中汲取能汲取能量和还原力量和还原力形成高度整合形成高度整合(协调协调,统一统一)的的化学反应网络；并化学反应网络；并合成合成生物大分子的生物大分子的构构建元件建元件。三大要素三大要素:能量能量 energy 还原力还原力 reducing power 构建元件构建元件 bui

2、lding block2.2.代谢的类型代谢的类型分解代谢（分解代谢（catabolismcatabolism）：）：将生物大分子分解成小分子的过程；将生物大分子分解成小分子的过程；反应本质是反应本质是氧化性氧化性的；的；放能放能。分为三个阶段：分为三个阶段：1)蛋白质、多糖、脂类等先降解成蛋白质、多糖、脂类等先降解成构件分子构件分子2)构件分子降解成更简单的少数几种构件分子降解成更简单的少数几种共同中间物。共同中间物。3)中间物最终降解成中间物最终降解成CO2、H2O、NH3等等小分子小分子。合成代谢（合成代谢（anabolismanabolism）由小分子合成生物大分子的过程；由小分子合成

3、生物大分子的过程；反应本质是反应本质是还原性还原性的；的；耗能耗能。合成代谢不是分解代谢的逆反应（部位、途径）合成代谢不是分解代谢的逆反应（部位、途径）分为三个阶段：分为三个阶段：1)以分解代谢的终产物（小分子）为合成的以分解代谢的终产物（小分子）为合成的前体前体。2)由前体分子由前体分子合成各种生物大分子的合成各种生物大分子的构件分子构件分子。3)从构件分子合成生物从构件分子合成生物大分子大分子。不定向代谢（不定向代谢（amphibolicamphibolic metabolismmetabolism）细胞内某些具有双重功能的代谢途径，既可细胞内某些具有双重功能的代谢途径，既可用用 于分解代

4、谢，也可用于合成代谢，如于分解代谢，也可用于合成代谢，如TCA。三种类型的代谢中都同时进行三种类型的代谢中都同时进行能量代谢能量代谢：即代谢过程中能量转化、释放和利用的化学反即代谢过程中能量转化、释放和利用的化学反应的总称。应的总称。分解代谢与合成代谢之间的能量关系分解代谢与合成代谢之间的能量关系分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢化学能化学能能量释放以能量释放以后的终产物后的终产物前体分子前体分子细胞内的细胞内的大分子大分子富含能量的富含能量的营养物质营养物质(二二)代谢途径代谢途径(metabolism pathway)1、概念、概念 完成某一代谢过程的一组彼此关联、相完成某一代谢过程的一组彼

5、此关联、相互衔接的酶促反应。特例是循环反应：互衔接的酶促反应。特例是循环反应：由首尾相连的一序列化学反应所组成。由首尾相连的一序列化学反应所组成。2、代谢物、代谢物 统指代谢反应中任一物、中间产物或产统指代谢反应中任一物、中间产物或产物。物。3、代谢途径的形式、代谢途径的形式n直线途径：直线途径：n 分支途径：分支途径：n循环途径：循环途径：聚集的聚集的分解分解代谢代谢发散的发散的合成合成代谢代谢循环途径循环途径代谢途径的总括代谢途径的总括化学反应化学反应代谢途经代谢途经代谢网络代谢网络“点点”“线线”“面面”一条代谢途径中的酶可以通过四种方式组织在一起一条代谢途径中的酶可以通过四种方式组织在

6、一起a.分散存在分散存在 效率最低，酶易被环境稀释。效率最低，酶易被环境稀释。b.多酶复合体形式多酶复合体形式 较普遍，反应效率提高；利于调控。较普遍，反应效率提高；利于调控。c.与膜结合的多酶复合体形式与膜结合的多酶复合体形式 按一定的方向和次序整合在膜上，如呼吸链。按一定的方向和次序整合在膜上，如呼吸链。d.多功能酶多功能酶 一条途径上的几个或所有酶由一条肽链承担，一条途径上的几个或所有酶由一条肽链承担，则效率提高；利于调控；方便基因表达调控。则效率提高；利于调控；方便基因表达调控。酶的三种组织方式酶的三种组织方式a.分散存在分散存在b.多酶复多酶复合体形式合体形式c.与膜结合的与膜结合的

7、多酶复合体多酶复合体(三三)代谢的基本特征代谢的基本特征1.反应条件温和反应条件温和2.高度调控高度调控3.每一个代谢途径都是不可逆的每一个代谢途径都是不可逆的4.一个代谢途径至少存在一个限速步骤一个代谢途径至少存在一个限速步骤5.各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的6.代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化7.不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源(四四)代谢反应的分类代谢反应的分类n氧化还原反应氧化还原反应n水解反应水解反应n基团转移反应基团转移反应n裂合反应裂合反应

8、n异构反应异构反应n合成反应合成反应 1.1.反应类型反应类型乳酸乳酸丙酮酸丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶一个典型的氧化还原反应一个典型的氧化还原反应u生物分子中碳的氧化模式生物分子中碳的氧化模式烷烃烷烃醇醇醛（酮）醛（酮）羧酸羧酸二氧化碳二氧化碳2.2.代谢反应的几种机制代谢反应的几种机制共价键是两个原子共价键是两个原子间共享的一对电子。间共享的一对电子。键断裂时电子对分键断裂时电子对分开，每个电子留在开，每个电子留在一个原子的一侧。一个原子的一侧。不稳定基不稳定基(团团)u切断切断C-C和和C-H的的均裂断键均裂断键机制机制:切断切断C-C和和C-H的的异裂断键异裂断键机制机制:负碳离子负碳离

9、子正碳离子正碳离子质子质子氢化离子氢化离子(氢负离子氢负离子)键断裂时电子键断裂时电子对留在一个原对留在一个原子的一侧。子的一侧。正碳离子正碳离子负碳离子负碳离子u 氧化还原反应能促使氧化还原反应能促使C-C键重新生成或断裂键重新生成或断裂羟醛缩合羟醛缩合酯缩合酯缩合-酮酸的氧化脱羧酮酸的氧化脱羧亲核的负碳离子亲核的负碳离子亲电的正碳原子亲电的正碳原子亲核的负碳离子亲核的负碳离子u分子内的重排、异构和消除反应分子内的重排、异构和消除反应 重排反应重排反应-碳碳-碳键断裂又重新形成，碳骨架碳键断裂又重新形成，碳骨架发生了变化发生了变化CCCCCCCC 异构反应异构反应-双键位置改变双键位置改变醛

10、醛酮酮磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶 消除反应消除反应-碳碳-碳双键的形成碳双键的形成中间四面体中间四面体u基团的转移反应基团的转移反应酰基化合物酰基化合物X酰基化合物酰基化合物Y(五五)研究代谢反应的方法研究代谢反应的方法1、活体内与活体外实验活体内与活体外实验1）在活体内（在活体内（in vivo）：）：生物体内生物体内:动物实验、组织细胞培养等。动物实验、组织细胞培养等。2）在在活体外（活体外（in vitro)：试管内进行试管内进行:细胞切片、匀浆液、提取液等。细胞切片、匀浆液、提取液等。2、同位素示踪法同位素示踪法 常用常用：3H(氚氚)、14C、32P、35S、131I、125I等等

11、3、代谢抑制剂的使用代谢抑制剂的使用4、代谢遗传缺陷突变体的使用代谢遗传缺陷突变体的使用酶基因的缺陷将会导致其活性的抑制和丧失，酶基因的缺陷将会导致其活性的抑制和丧失，与使用抑制剂的效果一致。与使用抑制剂的效果一致。5、基因操作基因操作使用转基因技术使用转基因技术(transgen)、基因敲除、基因敲除(knockout)技术和基因在某些组织中的表达技术和基因在某些组织中的表达等手段来确定某一个酶在细胞中的功能及它等手段来确定某一个酶在细胞中的功能及它在代谢中所发挥的作用。在代谢中所发挥的作用。凡尔赛宫大门上路易十四的太阳象征。太阳是生凡尔赛宫大门上路易十四的太阳象征。太阳是生命的基本能源，生

12、物能学是理解代谢的通路。命的基本能源，生物能学是理解代谢的通路。1.氧化还原电位氧化还原电位(oxidation-reduction potentials)在生物氧化反应中，各种化合物对电子的亲和力，用在生物氧化反应中，各种化合物对电子的亲和力，用 氧化氧化-还原电位还原电位相对地表示。相对地表示。电子供体电子供体-被被氧化氧化 电子受体电子受体-被被还原还原 生物体内任何氧化还原物质连在一起，都可以有氧化生物体内任何氧化还原物质连在一起，都可以有氧化 -还原电位产生。还原电位产生。氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强氧化还原电位较高的体系，其氧化能力较强(氧化剂氧化剂)氧化还原电位较低的体

13、系，其还原能力较强氧化还原电位较低的体系，其还原能力较强(还原剂还原剂)二、氧化还原电位及自由能二、氧化还原电位及自由能2.自由能的概念和自由能的概念和自由能的变化自由能的变化（G）物理化学物理化学:自由能自由能指体系在恒温、恒压下所做指体系在恒温、恒压下所做最大最大 有用功的那部分能量。有用功的那部分能量。生物化学生物化学:自由能自由能为凡是能够用于做功的能量。为凡是能够用于做功的能量。生物氧化反应在生物氧化反应在恒温、恒压恒温、恒压状态下进行，过程中状态下进行，过程中发生的能量变化为发生的能量变化为自由能的变化（自由能的变化（G）。G 表示从某个反应可以得到多少可利用的能量，表示从某个反应

14、可以得到多少可利用的能量，也是也是衡量化学反应的自发性的标准。衡量化学反应的自发性的标准。例如，物质例如，物质A 转变为物质转变为物质B 的反应：的反应：A B 则则G=GBGA当当G0时时 吸能反应吸能反应，不能自发不能自发进行，必须获得能量。进行，必须获得能量。当当G0时时 放能反应放能反应，能自发进行。，能自发进行。当当G=0时时 平衡状态平衡状态，反应向任一方向都缺乏推动力。，反应向任一方向都缺乏推动力。一个物质所含的自由能越少就越稳定。故一个物质所含的自由能越少就越稳定。故 G的正负的正负：反应发生的：反应发生的方向方向 G的数值的数值：自由能变化量的：自由能变化量的大小大小 一一个

15、反应个反应：aA+bB cC+dD 压力为压力为101.325 kPa，温度，温度250C，反应物和产，反应物和产物的起始浓度为物的起始浓度为1mol/L,pH=0时所测得的值称时所测得的值称为为标准自由能变化（标准自由能变化（G0）。）。G03.3.标准自由能变化与氧化还原电位标准自由能变化与氧化还原电位G 和和G0的区别的区别 G:可观察到的实际表现出的数值，其数值是可观察到的实际表现出的数值，其数值是变量变量，随反应物和产物浓度的变化而变化。，随反应物和产物浓度的变化而变化。G0:对一个特定的反应，在标准温度下其数值对一个特定的反应，在标准温度下其数值恒定恒定。G=G0:所有反应的反应物

16、和产物浓度都为所有反应的反应物和产物浓度都为1mol/L时。时。G 和和G0的联系的联系一一个反应个反应：aA+bB cC+dDG=G0+RT ln 平衡时平衡时:0=G0+RT lnKeq（热力学平衡常数）（热力学平衡常数）所以：所以：G0=-RT lnKeq Cc DdAa Bb恒定恒定可变可变气体常数气体常数R=1.98x103kcal/mol =8.3x10-3 kJ/mol绝对温度绝对温度T=298K=25oC生化反应包括生化反应包括H离子的变化离子的变化，把，把pH7.0作为标准状态，作为标准状态，该条件下自由能变化为该条件下自由能变化为G0称生化标准自由能变化称生化标准自由能变化

17、。G0 =RT lnK eq =-2.303 RT lgK eq（生化平衡常数）（生化平衡常数）G0或或G0CcDdAaBbG与标准自由能变化与标准自由能变化G0之间的关系：之间的关系：G=G0 RT lnG0或或G0的计算的计算:平衡常数平衡常数 氧化还原电位氧化还原电位E0生物体内任何的氧化生物体内任何的氧化-还原物质连在一起，都还原物质连在一起，都会产生会产生氧化氧化-还原电位还原电位/电势差（电势差（E0）。）。任何的氧化任何的氧化-还原对都有其特定的标准电势，还原对都有其特定的标准电势，称称标准氧化标准氧化-还原电位还原电位/电势差（电势差（E0）。）。生物体内所需的能量来源于体内所

18、进行的氧化生物体内所需的能量来源于体内所进行的氧化还原反应。还原反应。自由能变化与氧化还原电位差自由能变化与氧化还原电位差关系：关系：G=nFE 若为标准态，则表示为若为标准态，则表示为 G0=nFE0 式中式中 n-迁移的电子数迁移的电子数 F-法拉第常数法拉第常数(23.063kcal/V.mol)E-发生反应的两个氧化发生反应的两个氧化-还原体系的电位差还原体系的电位差E0与与G0实验测得的自由能降低的化学反应并不等于这个实验测得的自由能降低的化学反应并不等于这个反应实际上已经自发进行，还必须供给反应分子反应实际上已经自发进行，还必须供给反应分子的的活化能活化能或用或用催化剂催化剂来降低

19、活化能，才能反应。来降低活化能，才能反应。酶就起着这种催化作用。酶就起着这种催化作用。C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O G0=2870.2 kJ/mol例例:当二羟丙酮磷酸当二羟丙酮磷酸(DHAP)与甘油醛与甘油醛-3-磷酸（磷酸（G-3-P）互）互 变达到平衡时，变达到平衡时，G-3-P与与DHAP浓度的比值是浓度的比值是0.0475,其其 反应条件是反应条件是250C和和pH=7，求该反应的，求该反应的G0。若。若G-3-P 的浓度为的浓度为3x10-6mol/L，DHAP的浓度为的浓度为2x10-4mol/L，求，求该反应的该反应的G值。值。解解:G0=-RTlnKeq =-2

20、.303x1.987x10-3x298xlg(0.0475)=-1.36xlg(0.0475)=1.81 kcal/mol=7.57 kJ/mol说明此反应在标准条件下不能自发进行。但是，在细胞内说明此反应在标准条件下不能自发进行。但是，在细胞内G=G0+RTln(G-3-P/DHAP)=1.81+2.303 x 1.987 x 10-3 x 298 x lg(3x10-6/2x10-4)=-0.677 kcal/mol =-0.677x4.184 kJ/mol =-2.83 kJ/mol（DHAP G-3-P,该反应在上述浓度下可自发进行该反应在上述浓度下可自发进行）G0 为正值的反应，细胞

21、内仍可进行，只要反应物浓度足够大，为正值的反应，细胞内仍可进行，只要反应物浓度足够大，或者，产物浓度被降得很低。或者，产物浓度被降得很低。例例:NADH传递链中传递链中NAD+/(NADHH+)的氧化还原标的氧化还原标 准电位为准电位为-0.32V，而，而1/2O2(H2O)的氧化还原标准电的氧化还原标准电 位为位为+0.816V，因此一对电子自，因此一对电子自NADH+H+传递到氧传递到氧 原子的反应中，则标准自由能变化：原子的反应中，则标准自由能变化：E0=E0氧化剂氧化剂-E0还原剂还原剂 =0.816(0.32)=1.136 VG0=-nFE0 =-223.0631.136 =-52.

22、6 kcal/mol -220 kJ/mol 即呼吸链的范围是即呼吸链的范围是1.14 V,相当于相当于220 kJ/mol。书写格式：书写格式：氧化态氧化态+e-还原态还原态E0 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 一般将含有一般将含有20.9 kJ/mol 以上以上能量的磷酸化能量的磷酸化合物称为合物称为高能磷酸化合物高能磷酸化合物。许多分解代谢伴随着高能磷酸化合物的形成，许多分解代谢伴随着高能磷酸化合物的形成，并将驱使下一步的反应。并将驱使下一步的反应。1.高能磷酸化合物的类型高能磷酸化合物的类型(1)磷氧键型磷氧键型(OP)，又可分为：，又可分为：焦磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸酸焦磷

23、酸酸*烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物*烯醇酶烯醇酶*2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸丙酮酸 酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物*1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸*乙酰磷酸乙酰磷酸(2)(2)氮磷键型氮磷键型 胍基磷酸化物属于此类。胍基磷酸化物属于此类。磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸(3).(3).硫酯键型硫酯键型3-腺苷磷酸腺苷磷酸-5-磷酰硫酸磷酰硫酸酰基酰基CoA(4).(4).甲硫键型甲硫键型S-S-腺苷蛋氨酸（活性蛋氨酸）腺苷蛋氨酸（活性蛋氨酸）2.ATP在能量转换中的作用在能量转换中的作用 活化形式活化形式通常为通常为ATP与与Mg2+（或（或

24、Mn2+）的复合物）的复合物v能量的能量的暂时暂时储存形式：储存形式：ATP承上启下承上启下 ATP 充当充当“能量的流通货币能量的流通货币”，作为能量的，作为能量的携带者携带者或或传递者传递者。而不是化学能量的贮存库而不是化学能量的贮存库。起着转运站的作用。它既接受代谢反应释放起着转运站的作用。它既接受代谢反应释放的能量，又可供给代谢反应所需要的能量。的能量，又可供给代谢反应所需要的能量。ATP处于中间位置，它在细胞的酶促磷酸基团转移中起着处于中间位置，它在细胞的酶促磷酸基团转移中起着“共同中共同中间体间体”的作用。它倾向将其磷酸基团转移给的作用。它倾向将其磷酸基团转移给ATP以下的受体，而

25、以下的受体，而ADP则能接受表中在则能接受表中在ADP以上的高能化合物中的磷酸基团。以上的高能化合物中的磷酸基团。0ATP+H2O ADP+Pi G0=-30.51 kJ/molATP+H2O AMP+PPi G0=-32.19 kJ/molPPi+H2O 2Pi+2H+G0=-28.84 kJ/molPPi的水解驱动着许多生物合的水解驱动着许多生物合成反应，这是生化反应中的一成反应，这是生化反应中的一种常见模式。种常见模式。ATP+2H2O AMP+2Pi G0=-61.03 kJ/molATP降解为降解为AMP和和PPi不经济，但具有特殊意义。不经济，但具有特殊意义。荧光素酰腺苷酸荧光素酰

26、腺苷酸氧合荧光素氧合荧光素荧光素荧光素再生反应再生反应荧光素酶荧光素酶v能量的能量的永久永久储存形式：储存形式：磷酸肌酸磷酸肌酸/磷酸精氨酸磷酸精氨酸 当肌肉当肌肉ATP浓度高时，末端磷酸基团即转移浓度高时，末端磷酸基团即转移到肌酸上产生磷酸肌酸。到肌酸上产生磷酸肌酸。肌酸肌酸+ATP 磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP 当肌肉消耗当肌肉消耗ATP时，时，ADP浓度增高，促进磷浓度增高，促进磷酸基团向相反方向转移，即生成酸基团向相反方向转移，即生成ATP。在一些无脊椎动物如虾蟹的肌肉中则以在一些无脊椎动物如虾蟹的肌肉中则以磷酸磷酸精氨酸精氨酸作为能量的储藏形式。作为能量的储藏形式。vATP还是机体其它能

27、量形式的来源还是机体其它能量形式的来源 ATP-ADP循环是生物系统中能量交换的基本形式循环是生物系统中能量交换的基本形式+UDP体内能量的转移、贮存和利用体内能量的转移、贮存和利用v ATP可生成可生成cAMP参与激素作用参与激素作用 ATP在细胞膜上的腺苷酸环化酶催化下，可生成在细胞膜上的腺苷酸环化酶催化下，可生成cAMP，作为许多肽类激素在细胞内体现生理效应的作为许多肽类激素在细胞内体现生理效应的第二信使第二信使。3，5-环化腺苷酸环化腺苷酸3.ATP系统的动态平衡系统的动态平衡能荷能荷=ATP+ADPATP+ADP+AMP 能荷能荷是细胞所处能量状态的一个指标是细胞所处能量状态的一个指

28、标。当当ATP全部转化为全部转化为AMP时，能荷为时，能荷为0;当当AMP全部转化为全部转化为ATP时，能荷为时，能荷为1;故能荷在故能荷在0-1之间变动之间变动,细胞的能荷在细胞的能荷在0.80-0.95之间。之间。细胞所处能量状态还可用磷酸化势能表示：细胞所处能量状态还可用磷酸化势能表示：磷酸化势能磷酸化势能=ATPADPPi能荷能荷高高时能时能抑制抑制生物体内生物体内ATP的生成的生成，但却，但却促进促进ATP的利用的利用，即促进合成代谢而抑制分解代谢。，即促进合成代谢而抑制分解代谢。相对速率相对速率一、熟悉代谢的定义、类型、途径、特一、熟悉代谢的定义、类型、途径、特 征、分类和研究方法征、分类和研究方法三、掌握三、掌握G、G、G、E0及及它们之间的联系公式它们之间的联系公式二、掌握高能磷酸化合物的种类二、掌握高能磷酸化合物的种类 四大类四大类