第八章代谢总论与生物能学

1、辅酶辅酶i i和辅酶和辅酶的递能作用的递能作用吡啶ah2 + nad(p)+ a + nad(p)h + h+nad(p)+可接受多种代谢产物脱下来的氢生成还原型的可接受多种代谢产物脱下来的氢生成还原型的nad(p)h44第八章第八章 代谢总论与生物能学代谢总论与生物能学教学目标要求教学目标要求理解新陈代谢的基本概念理解新陈代谢的基本概念了解代谢中常见的有机反应机制。了解代谢中常见的有机反应机制。熟悉新陈代谢的研究方法。熟悉新陈代谢的研究方法。熟悉生物体内能量代谢的基本规律熟悉生物体内能量代谢的基本规律理解高能化合物的概念，熟悉理解高能化合物的概念，熟悉atpatp的一般性质的一般性质掌握掌握

2、gg0 0 及及keq keq 的计算的计算1新陈代谢新陈代谢1.1新陈代谢基本概念新陈代谢基本概念1)1)新陈代谢新陈代谢metabolismmetabolism定义定义生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。合成代谢合成代谢(anabolism)分解代谢分解代谢(catabolism)小分子小分子大分子大分子需能需能放能放能大分子大分子小分子小分子能量代谢能量代谢物质代谢物质代谢生物体的分解代谢与合成代谢采取不同的途径，生物体的分解代谢与合成代谢采取不同的途径，且一般在不同的部位进行。且一般在不同的部位进行。代谢途径的区域化代谢途径的区域

3、化如：糖酵解在细胞质中进行，三羧酸循环在线粒如：糖酵解在细胞质中进行，三羧酸循环在线粒体基质中进行，氧化磷酸化在线粒体内膜进行。体基质中进行，氧化磷酸化在线粒体内膜进行。代谢反应是在温和的条件下进行的，由不同的代谢反应是在温和的条件下进行的，由不同的酶酶催化。催化。代谢过程由一系列的连续的化学反应构成，却有严格顺代谢过程由一系列的连续的化学反应构成，却有严格顺序。序。生物体内的代谢反应有灵活的自我调控步骤。生物体内的代谢反应有灵活的自我调控步骤。生物的代谢体系是长期进化中逐步形成，逐步完善的。生物的代谢体系是长期进化中逐步形成，逐步完善的。2 2）新陈代谢的特点）新陈代谢的特点代谢途径（代谢途

4、径（metabolic pathwaymetabolic pathway）体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连体内的化学反应通常由酶催化，一系列的连续的有严格顺序的反应构成续的有严格顺序的反应构成代谢途径代谢途径。代谢途径的个别步骤称作代谢途径的个别步骤称作中间代谢中间代谢，个别步，个别步骤的产物称作骤的产物称作中间产物中间产物。代谢途径的一览图代谢途径的一览图1 1点点1 1线在线在1 1个途径的末端个途径的末端; ; 1 1点点2 2线在线在1 1个途径的中间个途径的中间; ; 1 1点点3 3线参与线参与2 2个途径；个途径；其余类推。其余类推。代谢途径的区域化代谢途径的区域化1.2新

5、陈代谢的生物功能新陈代谢的生物功能获得营养物质获得营养物质营养物质转变为结构元件，组装成生物大分子营养物质转变为结构元件，组装成生物大分子形成或分解特殊功能所需的生物分子形成或分解特殊功能所需的生物分子提供能量提供能量 有机化学反应常涉及共价键的断裂。有机化学反应常涉及共价键的断裂。 共价键断裂时，若两个电子分开，称作共价键断裂时，若两个电子分开，称作均裂断裂均裂断裂，产生，产生不稳定基团，常见于氧化还原反应。不稳定基团，常见于氧化还原反应。 1.3新陈代谢中常见有机反应机制新陈代谢中常见有机反应机制 若两个电子不分开，称作若两个电子不分开，称作异裂断裂异裂断裂，如，如c-h键断裂，电子键断裂

6、，电子对通常留在碳原子一侧（碳原子的电负性大于氢原子），形对通常留在碳原子一侧（碳原子的电负性大于氢原子），形成碳负离子和成碳负离子和氢离子氢离子。富电子的富电子的碳负离子碳负离子为亲为亲核基团，容易与缺电子核基团，容易与缺电子的的亲电基团亲电基团发生反应。发生反应。 若有氢负离子的受若有氢负离子的受体存在，体存在，c-hc-h键断裂时电键断裂时电子有可能留在氢原子一子有可能留在氢原子一侧形成侧形成碳正离子碳正离子和和氢负氢负离子离子。 在生物化学反应中，通常为亲电基团从一个亲核体在生物化学反应中，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转移到另一个亲核体常见的转移基团有酰

7、基、磷酰基和酰基、磷酰基和葡萄糖基葡萄糖基等。等。1）基团转移反应）基团转移反应(grouptransferreaction)酰基化合物酰基化合物-x（1） 酰基转移酰基转移酰基化合物酰基化合物-y（2）磷酰基转移）磷酰基转移己糖激酶己糖激酶（3）葡糖基转移）葡糖基转移双取代：双取代：葡萄糖基上的的亲核体葡萄糖基上的的亲核体x先脱下，形成共振稳先脱下，形成共振稳定的碳正离子，其后亲核体定的碳正离子，其后亲核体y-：进攻葡萄糖环上：进攻葡萄糖环上c1。单取代：单取代：y直接取代直接取代x。 葡萄糖基的葡萄糖基的c1也相当于半缩醛分子的中心碳原子，也相当于半缩醛分子的中心碳原子，形成共振稳定的碳正

8、离子形成共振稳定的碳正离子。酮在酸性条件下形成碳正离子酮在酸性条件下形成碳正离子 实质是电子的得失，在生物化学反应中十分普遍，从实质是电子的得失，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，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。并伴随能量的释放。2）氧化反应和还原反应）氧化反应和还原反应 (oxidation and reduction)乳乳 酸酸 消除反应伴随碳消除反应伴随碳-碳双键的生成，可通过协同机碳双键的生成，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。反式

9、消除产物。 在生物化学中，常见的异构化反应是双键移位。在生物化学中，常见的异构化反应是双键移位。如酮糖如酮糖-醛糖互变。醛糖互变。 重排反应伴随碳重排反应伴随碳-碳键的断裂和重生成，使碳骨碳键的断裂和重生成，使碳骨架发生变化。架发生变化。3）消除、异构化及重排反应）消除、异构化及重排反应（1） 消除反应消除反应消除反应的立体化学消除反应的立体化学（2）异构化反应）异构化反应1212双键移位，即分子内氢原子的迁移双键移位，即分子内氢原子的迁移 酮糖酮糖-醛糖互变醛糖互变 碱碱 分解代谢和合成代谢以碳分解代谢和合成代谢以碳-碳键的形成与断裂为碳键的形成与断裂为基础，常见的有：基础，常见的有： 4）

10、碳）碳-碳键的形成与断裂反应碳键的形成与断裂反应（1） 羟醛缩合反应和羟醛裂解反应羟醛缩合反应和羟醛裂解反应： 如果糖如果糖-1,6-二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛二磷酸裂解为二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸。磷酸。 醛缩酶醛缩酶（2）克莱森酯缩合反应）克莱森酯缩合反应：如柠檬酸合酶催化的：如柠檬酸合酶催化的反应。反应。 （3） -酮酸的氧化脱羧反应酮酸的氧化脱羧反应：如异柠檬酸的氧化脱羧。：如异柠檬酸的氧化脱羧。1.4.11.4.1一般方法一般方法 1） in vivo（体内）（体内） （1）利用异常代谢物的研究方法）利用异常代谢物的研究方法 提出了提出了-氧化氧化假说假说1904年年 kn

11、oop (ch2)ncoohcooh ，ch2cooh狗狗1.4中间代谢的研究方法中间代谢的研究方法 微生物的营养缺陷型可以分为若干种亚型微生物的营养缺陷型可以分为若干种亚型,每种亚型由一种每种亚型由一种酶的缺陷造成，对比研究可以搞清代谢途径。如途径酶的缺陷造成，对比研究可以搞清代谢途径。如途径a b c d中中b c 的酶缺失的酶缺失,则则a和和b会堆积会堆积, c d的酶缺失的酶缺失,则则a，b和和c会堆积。会堆积。（2）利用患代谢障碍病的病人或生物进行代谢研究）利用患代谢障碍病的病人或生物进行代谢研究 排出体外排出体外停止停止a b c d e f利用遗传缺欠症利用遗传缺欠症研究代谢途径

12、研究代谢途径（3）使用酶的抑制剂）使用酶的抑制剂 用酶的专一抑制剂阻断酶作用的某个特定环节，用酶的专一抑制剂阻断酶作用的某个特定环节，造成相关的中间代谢物积累，从而探明酶的作用。造成相关的中间代谢物积累，从而探明酶的作用。2） in vitro（体外）（体外） （1）组织切片法）组织切片法 （2）组织匀浆法）组织匀浆法 （3）组织抽提液）组织抽提液 细胞提取液细胞提取液的离心分离的离心分离梯度离心对细胞成份进行分离梯度离心对细胞成份进行分离 fractionation of a cell extract by differential centrifugation. 1.4.21.4.2同位素

13、示踪法同位素示踪法 3h， 14c， 32p， 35s， 125i （12.1年）（年）（5568年）（年）（14天）（天）（87天）（天）（60天）天） 用同位素可标记任何一种化合物的任何一个原用同位素可标记任何一种化合物的任何一个原子，也能探察同位素在某种代谢物中所处的位置。子，也能探察同位素在某种代谢物中所处的位置。同位素示踪法同位素示踪法 :用用14c标记标记co2，培养绿藻，提取液进行双向纸层，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析，放射自显影，发现放射性最早出现在3-磷酸磷酸甘油酸甘油酸(pga),随后出现在其他中间物。随后出现在其他中间物。 1.4.3

14、1.4.3核磁共振波谱技术核磁共振波谱技术：分子内处于不同环境中的分子内处于不同环境中的 原子核的化学位移原理。原子核的化学位移原理。 磷酸肌酸磷酸肌酸运动运动19分钟前后分钟前后atp和磷酸肌酸的变化情况和磷酸肌酸的变化情况磷酸肌酸磷酸肌酸 是通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、是通过正确测定蛋白质分子的质量而进行蛋白质分子鉴定、蛋白质分子的修饰和蛋白质分子相互作用的研究。质谱仪通蛋白质分子的修饰和蛋白质分子相互作用的研究。质谱仪通过测定离子化生物分子的过测定离子化生物分子的质荷比质荷比便可得到相关分子的质量。便可得到相关分子的质量。 （四）质谱技术（四）质谱技术(mass s

15、pectroscope, ms) ： 普适性普适性 高灵敏度高灵敏度 专一性专一性特点特点：局限局限：需要已知化学结构的标准化合物作为参需要已知化学结构的标准化合物作为参照，难以确定化学结构未知的全新代谢照，难以确定化学结构未知的全新代谢产物。产物。2生物体内能量代谢的基本规律（生物能学）生物体内能量代谢的基本规律（生物能学）生物能学完全建立在热力学上。生物能学完全建立在热力学上。2.1热力学概念热力学概念1)热力学第一定律热力学第一定律2)热力学第二定律热力学第二定律任何一种物理或化学过程都任何一种物理或化学过程都自发地趋向于增加自发地趋向于增加体系与环境体系与环境的的总熵总熵。能量守恒定律

16、能量守恒定律熵（熵（s）：指体系能量分散程度的状态函数。：指体系能量分散程度的状态函数。 s= s体系体系 + s环境环境 0一个体系过程发生进行时，其熵可能是降低的，但其一个体系过程发生进行时，其熵可能是降低的，但其周围环境的熵必然增加，即它们的总和必是正值。周围环境的熵必然增加，即它们的总和必是正值。3)自由能（自由能（free energy）与反应平衡常数）与反应平衡常数自由能指反应中可以被利用的能量，用自由能指反应中可以被利用的能量，用“g”表示。表示。(1) g（恒温恒压下体系自由能变化恒温恒压下体系自由能变化） 设：设：a + b c + d + h h（焓变焓变）：体系的内能与其

17、全部分子的压力和体积体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。总变化之和。 g= h - t s g 0 反应不能自发进行。反应不能自发进行。 g = 0 反应处于平衡状态。反应处于平衡状态。 g 0 反应能自发进行。反应能自发进行。(2) g0 、 g0 与与keq g0 （标准自由能变化）标准自由能变化）：相应于一系列标准条件下（相应于一系列标准条件下（t为为298k，压力，压力1atm，所有溶液的浓度为，所有溶液的浓度为1mol/l）下发生）下发生的反应的自由能变化。的反应的自由能变化。g0 ：ph=7时的标准自由能变化时的标准自由能变化对于反应对于反应 aa + bb cc + d

18、d g = g0 + rtlnccddaa bbkeq =cc ddaa bb当当 g = 0时时g0 = - rtln keq = - 2.303rtlg keq 达平衡时达平衡时 =keq=19解：解：gg= - rtlnkeq= - rtlnkeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6kj.mol-1g=gg=g+ rtlnqc (+ rtlnqc (qc-qc-浓度商浓度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6kj.

19、mol-1 =-13.6kj.mol-1未达平衡时未达平衡时 =qc=0.1反应反应g-1-pg-6-p在在380c达到平衡时，达到平衡时， g-1-p占占5%，g-6-p占占95%，求，求g0 。如果反应未达到平衡，设。如果反应未达到平衡，设g-1- p=0.01mol.l， g-6-p=0.001mol.l，求反应的求反应的 g 是是多少？多少？例题：例题：(3) g0 与与keq 计算计算 (4)偶联化学反应标准自由能变化具可加性偶联化学反应标准自由能变化具可加性glc + piglc-6-p + h2o atp + h2o adp + pi求求 glc + atp glc-6-p +

20、adp 的标准自由能变化？的标准自由能变化？g0 =+13.8kj/molg0 = -30.5kj/mol解：解：反应反应3为反应为反应1与与2之和，其标准自由能变化是反之和，其标准自由能变化是反应应1与与2之和：之和： 13.8kj/mol + （-30.5kj/mol）3高能化合物高能化合物随水解或基团转移反应可放出大量自由能（随水解或基团转移反应可放出大量自由能（20.92kj以上）以上）的化合物。的化合物。3.1类型类型1)磷氧键型（磷氧键型（-o-p-）酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸合物烯醇式磷酸合物cochoch2ohopoo-o-poo-o-(1)

21、酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物1,3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸ch3coopoo-o-乙酰磷酸乙酰磷酸10.1千卡千卡/摩尔摩尔11.8千卡千卡/摩尔摩尔酰基磷酸化合物酰基磷酸化合物h3n+coopoo-o-氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸r coopooo-a酰基腺苷酸酰基腺苷酸rch coopooo-an+h3氨酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物o-poo-nnnnnh2ohhohhohhoch2o-poo-o-poo-atpo-poo-o poo-o-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物opoocoohcoch2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.

22、8千卡/摩尔opoonhcnhnch3ch2coohopoonhcnhnch3ch2ch2ch2chcoohnh2磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡千卡/摩尔摩尔7.7千卡千卡/摩尔摩尔2)氮磷键型（氮磷键型（-n-p- ）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用o soo-och2ohhohhohhnnnh2nno poo-3-3-磷酸腺苷磷酸腺苷-5-5-磷酸硫酸磷酸硫酸rcoscoa酰基辅酶酰基辅酶a a3)硫酯键型（活性硫酸基）硫酯键型（活性硫酸基）coo-chnh3+ch2ch2s+h3cas-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸4)甲硫键型（