5新陈代谢与生物能学

1、chapter 7 metabolism and oxidative phosphorylation5.1 metabolism and bioenergetics5.2 oxidative phosphorylation 5.1 metabolism and bioenergeticsn新陈代谢新陈代谢：是生物体内进行的所有：是生物体内进行的所有化学变化化学变化的总称，是的总称，是生物体表现其生命活动的重要特征之一，是生命存在的生物体表现其生命活动的重要特征之一，是生命存在的前提，是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。前提，是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。物质物质代谢代谢大

2、分子分解为小分子大分子分解为小分子释放能量释放能量需要能量需要能量小分子合成为大分子小分子合成为大分子分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢能量能量代谢代谢1,metabolismliving things exhibit metabolic diversity异养生物异养生物太阳能太阳能 葡萄糖葡萄糖 释放能量以释放能量以atp形式存放形式存放光合作用光合作用自养生物自养生物高等植物高等植物光合细菌光合细菌蓝、绿藻蓝、绿藻高等动物高等动物多数微生物多数微生物 the flow of energy in biosphere and the carbon and oxygen cycles are i

3、ntimately related新陈代谢的两个目的：产生维持生命活动的动力新陈代谢的两个目的：产生维持生命活动的动力 合成生物分子合成生物分子*分解代谢（分解代谢（catabolism ）：不同的底物分子通过不同的分解途径转变成：不同的底物分子通过不同的分解途径转变成少少数共同的中间代谢物数共同的中间代谢物，而进入共同的代谢途径，在这一氧化过程中，释放的，而进入共同的代谢途径，在这一氧化过程中，释放的化学能部分以化学能部分以 atp 形式捕获，部分化学能形式捕获，部分化学能以富含能量的电子形式转移至以富含能量的电子形式转移至 nad+ 或或 nadp+ 上，少部分传至上，少部分传至fad上上

4、。 nad+的还原是分解代谢的一部分，的还原是分解代谢的一部分，nadh的再氧化将伴随着的再氧化将伴随着adp的磷的磷酸化过程。酸化过程。 nadph为合成代谢中的生物合成提供为合成代谢中的生物合成提供还原力还原力。*合成代谢（合成代谢（anabolism）：由小分子前体合成生物大分子的过程。需要的：由小分子前体合成生物大分子的过程。需要的能量由分解代谢产生的能量由分解代谢产生的 atp 和和 nadph 提供。提供。nad+ nadh + h+nadp+ nadph + h+nad+/nadh : 氧化途径（分解代谢）中电子受体氧化途径（分解代谢）中电子受体nadp+/nadph :还原途径

5、（合成代谢）电子供体还原途径（合成代谢）电子供体分解代谢分解代谢氧化氧化放能放能合成代谢合成代谢 还原还原 吸能吸能合成代谢与分解代谢之间的关系合成代谢与分解代谢之间的关系:二者互为对立，互相交叉二者互为对立，互相交叉新陈代谢过程总描述：新陈代谢过程总描述：n分解代谢总是会分解代谢总是会聚集聚集到少数几个终产物；合成代谢总是到少数几个终产物；合成代谢总是分分叉叉产生出许多不同产物。产生出许多不同产物。n分解代谢与合成代谢虽均分为三个阶段，但二者并不互为分解代谢与合成代谢虽均分为三个阶段，但二者并不互为可逆。可逆。ntca循环循环是分解代谢和合成代谢交汇的是分解代谢和合成代谢交汇的枢纽枢纽。既是

6、各燃料。既是各燃料分子最终氧化的共同途径，也可为合成代谢提供原料，具分子最终氧化的共同途径，也可为合成代谢提供原料，具有双重性功能。有双重性功能。阶段阶段2：构件分子降解为更小的中间代谢物。：构件分子降解为更小的中间代谢物。 -酮酸碳骨架酮酸碳骨架 直接进入直接进入tcacycle 氨基酸氨基酸 三碳三碳-酮酸（丙酮酸）酮酸（丙酮酸） 乙酰乙酰coa 葡萄糖葡萄糖 丙酮酸丙酮酸 甘甘 油油 丙酮酸丙酮酸 脂肪酸脂肪酸 乙酰乙酰coa *分解代谢三阶段分解代谢三阶段阶段阶段1：生物大分子降解为构件分子。：生物大分子降解为构件分子。 蛋白质蛋白质氨基酸，氨基酸， 多糖多糖葡萄糖，葡萄糖， 脂肪脂肪

7、甘油和脂肪酸甘油和脂肪酸阶段阶段3：中间代谢物通过：中间代谢物通过tca循环最终分解为循环最终分解为 co2、h2o。*合成代谢三阶段合成代谢三阶段阶段阶段3：从构件分子合成大分子化合物，从构件分子合成大分子化合物， 如脂肪的合成原料是小分子乙如脂肪的合成原料是小分子乙 酰辅酶酰辅酶a，先合成出脂肪酸，再合成各种脂类。先合成出脂肪酸，再合成各种脂类。 阶段阶段1：利用分解代谢阶段之：利用分解代谢阶段之2、3产生的产生的 小分子作为合成原料前体。小分子作为合成原料前体。阶段阶段2：先合成各种生物大分子的构件单元。先合成各种生物大分子的构件单元。注：注：*各类生物代谢的起点和进行方向不同，各类生物

8、代谢的起点和进行方向不同，但都遵循许多中心转化过程。但都遵循许多中心转化过程。 *生物可直接利用分解代谢产生的构件分生物可直接利用分解代谢产生的构件分子作为前体装配成生物大分子。子作为前体装配成生物大分子。 合成代谢与分解代谢途径通常不重合合成代谢与分解代谢途径通常不重合（1）二者部分代谢过程相同，个别或少数过程不同，由不同的酶催化。）二者部分代谢过程相同，个别或少数过程不同，由不同的酶催化。例：糖酵解与糖异生例：糖酵解与糖异生（2）二者）二者途径完全不同，催化的酶系不同。途径完全不同，催化的酶系不同。例：脂肪酸的氧化与合成例：脂肪酸的氧化与合成酶是推动全部代谢活动的工具酶是推动全部代谢活动的

9、工具任何一个代谢途径均由多个酶促反应驱动；任何一个代谢途径均由多个酶促反应驱动；一系列连续的化学反应构成化学反应链；一系列连续的化学反应构成化学反应链；多酶系统：多酶系统：a.分散的多酶体系分散的多酶体系(separate, soluble entities)b.多酶复合物多酶复合物(multienzyme complex)c.膜结合酶系膜结合酶系(membrane bound system)*各代谢途径的细胞定位各代谢途径的细胞定位区域部位区域部位1、线粒体、线粒体2、胞液、胞液3、内质网、内质网4、细胞核、细胞核5、糖颗粒、糖颗粒6、溶酶体、溶酶体代谢分工代谢分工三羧酸循环（线粒体膜）；电

10、子传递和氧化磷酸化三羧酸循环（线粒体膜）；电子传递和氧化磷酸化脂肪酸氧化；氨基酸分解代谢脂肪酸氧化；氨基酸分解代谢酵解；脂肪酸合成；糖异生的部分途径；尿素合成酵解；脂肪酸合成；糖异生的部分途径；尿素合成脂类合成；类固醇合成；蛋白质合成脂类合成；类固醇合成；蛋白质合成dna的复制；的复制；rna的合成的合成糖原的合成与降解糖原的合成与降解蛋白质降解蛋白质降解新陈代谢特点：新陈代谢特点：n在温和条件下进行，由酶催化；在温和条件下进行，由酶催化；n各反应有严格的顺序性；各反应有严格的顺序性；n代谢途径的单向性代谢途径的单向性 ( 代谢中的限速酶代谢中的限速酶 )n生物体对内外环境条件有高度的适应性和

11、灵敏的自动调节。生物体对内外环境条件有高度的适应性和灵敏的自动调节。 调控机制：调控机制：（1）细胞内酶调控：酶活性、酶含量）细胞内酶调控：酶活性、酶含量（2）激素水平调控：激素）激素水平调控：激素靶细胞靶细胞camp 酶活酶活代谢途径代谢途径（3）神经系统调控：）神经系统调控：新陈代谢的研究方法新陈代谢的研究方法nin vivo/ in vitro experiment：脂肪酸的脂肪酸的氧化；琥珀酸脱氢氧化；琥珀酸脱氢n同位素示踪法：同位素示踪法：尿素循环（尿素循环（15n）；胆固醇的）；胆固醇的c来源于乙酰来源于乙酰coan遗传欠缺症：遗传欠缺症：苯丙酮尿症；苯丙酮尿症；n突变体研究法：突

12、变体研究法：微生物突变（研究代谢、表达菌）微生物突变（研究代谢、表达菌）n代谢途径阻断法代谢途径阻断法：抗代谢物或酶抑制剂（酵母酒精发酵）；基：抗代谢物或酶抑制剂（酵母酒精发酵）；基因突变。因突变。n核磁共振波谱法核磁共振波谱法：磷酸肌酸：磷酸肌酸n生物系统做功：运动、心脏收缩、细胞主动运输、神经信生物系统做功：运动、心脏收缩、细胞主动运输、神经信号的传递、生物繁殖、生长和发育等均需要消耗能量来做号的传递、生物繁殖、生长和发育等均需要消耗能量来做功。生物体获得能量后通过做功维持正常的生命活动。功。生物体获得能量后通过做功维持正常的生命活动。n生物体内的能量转换关系服从热力学定律。生物体内的能量

13、转换关系服从热力学定律。n热力学是研究热和其他形式能量之间相互转换的科学。把热力学是研究热和其他形式能量之间相互转换的科学。把热力学某些规律应用于生物系统，热力学某些规律应用于生物系统，阐明生物机体内化学能阐明生物机体内化学能的释放、留存和利用的能量转换关系，的释放、留存和利用的能量转换关系，称之为称之为生物能学生物能学。定量研究生物体内能量代谢的基本规律定量研究生物体内能量代谢的基本规律2,bioenergetics热力学第一定律热力学第一定律（能量守恒定律）：自然界一切物质都具有能量，能量（能量守恒定律）：自然界一切物质都具有能量，能量代谢有各种不同的形式，并能够从一种形式转变为另一种形式

14、，在转代谢有各种不同的形式，并能够从一种形式转变为另一种形式，在转变过程中，能量的总值不变。变过程中，能量的总值不变。不能预测某一反应能否自发进行。不能预测某一反应能否自发进行。 体系体系 + 环境环境 = 恒定值恒定值热力学第二定律热力学第二定律：热自发地由高温物体流向低温物体，直至二者温度相：热自发地由高温物体流向低温物体，直至二者温度相等，热的逆向传导是不可能自发进行的。等，热的逆向传导是不可能自发进行的。 熵熵代表代表一个体系能量分散程度一个体系能量分散程度的状态函数。在一个孤立体系内发生的任的状态函数。在一个孤立体系内发生的任何自发过程，都是向着熵增加的方向进行。何自发过程，都是向着

15、熵增加的方向进行。 s= s体系体系+ s环境环境0 生物化学反应与普通的化学反应一样，也服从热力学的规律。生物化学反应与普通的化学反应一样，也服从热力学的规律。但化学反应的熵变是不容易测得的。但化学反应的熵变是不容易测得的。热力学第一和第二定律热力学第一和第二定律2.1 2.1 化学反应中的自由能化学反应中的自由能 2.1.1 自由能与化学反应自由能与化学反应a k1k2bga代表代表a的自由能的自由能, gb代表代表b的自由能的自由能.g = gb-gag0，反应不能自发进行，吸能；，反应不能自发进行，吸能；g=0，平衡，平衡 不同的有机化合物，含有不同的化学能，在化学反应中，常伴有能量不

16、同的有机化合物，含有不同的化学能，在化学反应中，常伴有能量的释放和吸收，所释放或吸收的能量可用来做功，这种可利用的能量称为的释放和吸收，所释放或吸收的能量可用来做功，这种可利用的能量称为自由能（自由能（g）。）。 gog = + rt lncdab2.1.2 自由能与平衡常数自由能与平衡常数ngo为标准自由能变化为标准自由能变化，指在，指在25，ph=0.0，各反应物浓度为，各反应物浓度为1mol/l时，时，反应体系自由能变化，单位反应体系自由能变化，单位 cal/mol 或或 j/mol 、kj/mol。a+bc+dr 气体常数气体常数t 绝对温度绝对温度当反应达到平衡时当反应达到平衡时，

17、g = 0，keq 1，go 0keq=1， go = 0keq 0设设cdab= keq ，则则go = -rt ln k= - 2.303 rt lg keq（k为平衡常数）为平衡常数）g：是某一化学反应随参加反应物质的浓度、：是某一化学反应随参加反应物质的浓度、ph值、温度而改变的自值、温度而改变的自由能变化，由能变化，（1cal=4.184j）go =- rt lncdabn生物体内生物体内ph7.0，在此环境下测得的标准自由能变化用，在此环境下测得的标准自由能变化用go 表示。表示。 go= - 2.303 rt lg keqn偶联化学反应标准自由能变化的可加性：偶联化学反应标准自由

18、能变化的可加性： 在偶联的化学反应中，总标准自由能变化等于各步反应自由能变化的总在偶联的化学反应中，总标准自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。和。 例例（1）a b+c， go = +5 kcal/mol （2）b d， go = -8 kcal/mol 则则 a c+d， go = -3 kcal/mol 一个热力学上不利的反应，可由热力学上有利的反应所驱动。一个热力学上不利的反应，可由热力学上有利的反应所驱动。反应能否自发进行由反应能否自发进行由g决定而不是决定而不是g0 ！g 0，为放能反应，能自发进行。，为放能反应，能自发进行。 *g 0不等于这个反应实际上已经自发进行，对许多反应

19、还必须给参加反应不等于这个反应实际上已经自发进行，对许多反应还必须给参加反应的分子提供活化能，或用催化剂，如酶，来降低活化能，反应才能进行。的分子提供活化能，或用催化剂，如酶，来降低活化能，反应才能进行。n一反应系统的一反应系统的g只取决于产物与反应物的自由能之差，而与反应历程无只取决于产物与反应物的自由能之差，而与反应历程无关！关！ 化合物中某些共价键，在标准条件下化合物中某些共价键，在标准条件下水解时水解时产生大量自由产生大量自由能（能（ go ），这类共价键称为），这类共价键称为“高能键高能键”，用，用 表示。一般表示。一般水解高能键释放的能量大于或等于水解高能键释放的能量大于或等于 2

20、5 kj/mol ( 30kj/mol)。 具有高能键的化合物称为具有高能键的化合物称为高能化合物高能化合物。生物体内的高能化。生物体内的高能化合物以合物以高能磷酸化合物高能磷酸化合物为主。为主。2.2 高能化合物高能化合物高能磷酸化合物高能磷酸化合物noch2oohohpoo-pooo-o-o-oopnnnnh2adenosineriboseadenineadenosine triphosphateadenosine triphosphate (atp)mg2+“high-energy”phosphoanhydride bondsc1c5in vivo , ph=7, atp, adp的全部

21、磷酸基团都处的全部磷酸基团都处于解离状态，而成为多电荷负于解离状态，而成为多电荷负离子形式离子形式atp4- , adp3-。细胞内存在有大量的细胞内存在有大量的mg2+ ， 可与解离的可与解离的atp4- , adp3-形成形成mgatp2- 和和 mgadp- 。atp adp + pi go = - 30.5 kj/mol go values for the hydrolysis of various metabolites:compoundphosphoenolpyruvate1,3 bisphosphoglyceratephosphocreatineatpglucose-1-phos

22、phatefructose-6-phosphateglucose-6-phosphate3-phosphoglyceratego (kj/mol)-54-50-44-31-21-16-14-13phosphoenolpyruvate + h2o pyruvate + pi go= -54 kj/moladp + piatpgo= +31 kj/molphosphoenolpyruvate + adppyruvate + atp go= -23 kj/mol 磷酸肌酸磷酸肌酸pep1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸能量的共能量的共同中间传同中间传递体递体 atp在能量转运中的地位和作用在能量转运中

23、的地位和作用 生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，生物体通过生物氧化所产生的能量，除一部分用以维持体温外，大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物大部分可以通过磷酸化作用转移至高能磷酸化合物atp中。中。（1）atp是生物细胞内能量代谢的偶联剂。是生物细胞内能量代谢的偶联剂。将分解代谢的放能反应与合成将分解代谢的放能反应与合成代谢的吸能反应偶联在一起。代谢的吸能反应偶联在一起。atp水解释放的能量可以驱动各种需能的生水解释放的能量可以驱动各种需能的生命活动。命活动。 atp + h2o adp + pi go = - 30.5 kj/mol atp + h2o amp

24、+ 2pi go = - 61 kj/mol （2）atp是能够被生物细胞直接利用的能量形式。但体内有些合成反应不是能够被生物细胞直接利用的能量形式。但体内有些合成反应不一定都直接利用一定都直接利用atp供能。供能。utp多糖多糖, ctp磷脂磷脂, gtp蛋白。蛋白。(图图18-5)（3）atp是能量的携带者或传递者，不是能量的贮备库。是能量的携带者或传递者，不是能量的贮备库。在肌肉、神经组在肌肉、神经组织中织中磷酸肌酸磷酸肌酸是能量的贮存形式。是能量的贮存形式。n磷酸肌酸磷酸肌酸肌肉和脑组织能量储存形式。肌肉和脑组织能量储存形式。 nh2 hnp c=nh c=nhatp+ h3c-n h3c-n +adp ch2 ch2 cooh cooh 肌酸肌酸 磷酸肌酸磷酸肌酸肌酸磷酸激酶肌酸磷酸激酶在人类大脑中的