第15章代谢(刘建华)

1、BiochemistrySixth EditionChapter 15:Metabolism:Basic Concepts and DesignCopyright 2007 by W. H. Freeman and Company Berg Tymoczko Stryer 蜂鸟(hummingbirds)有惊人的耐力。例如，脖子处像红宝石的蜂鸟所储存的燃料能连续地飞过距离达500公里的墨西哥湾。原因在于蜂鸟能够将燃料转化成细胞可使用的ATP能源（结构如右图），使之能够飞跃如此距离。生物化学的基本问题：生物化学的基本问题：1. 细胞如何从环境获取能量？2. 细胞如何制造生物大分子的合成原料，并用

2、这些原料合成自身的生物大分子？ 细胞将很多化学反应整合在一起构成化学反细胞将很多化学反应整合在一起构成化学反应网络来执行这些生物过程，这种反应网络称之应网络来执行这些生物过程，这种反应网络称之为代谢（为代谢（metabolism）或中间代谢）或中间代谢(intermediary metabolism)。 每种生物的细胞体内有1000多种化学反应。数量虽大，但有很多共同的特征。能源分子共同、活化中间体数量有限、化学反应的种类不多、反应机制也相当简单、调节模式相同。15.1 代谢由很多偶联的、相互关联的化学代谢由很多偶联的、相互关联的化学反应构成反应构成生物需要连续输入能量的目的是：（1）机械做功

3、（肌肉收缩和细胞运动）（2）分子和离子的主动运输（3）利用简单前体合成生物大分子和其 他生物分子。能量来源于环境能量来源于环境。光养生物(phototrophs)，摄取太阳能量获得自由能；化学能养生物(chemotrphs)氧化光养合成的食物获取自由能。图15.1 葡萄糖代谢。经过10步反应葡萄糖代谢成丙酮酸。后者代谢成乳酸(厌氧条件)或乙酰-CoA （有氧条件）。随后乙酰-CoA分子乙酰基碳原子被氧化成CO2。代谢途径有产能反应和耗能反应代谢途径有产能反应和耗能反应 代谢是从特定分子起始的一串相互关联的化学反应，这串化学反应以特定方式将起始分子转化成其他分子（图15.1）。细胞有很多代谢途径

4、（图15.2）。这些代谢途径相互依存，其中多数以别构酶调节的方式相互协调。图15.2 代谢途径。代谢途径分为两大类：代谢途径分为两大类：（1）分解代谢(catabolism, catabolic reactions) ：将燃料分子的能量转化成生物体可以利用的能量形式； 燃料 分解代谢 CO2 + H2O + 可用能量（2）合成代谢(anabolism, anabolic reactions) ：需要输入能量才能进行的代谢途径。 可用能量+简单前体 合成代谢 复杂分子 有些反应既在分解代谢又在合成代谢出现，属于兼性代谢反应(amphibolic pathways)。具体出现于那种代谢途径取决于细

5、胞的能量状态。 代谢途径一个重要的原则是合成途径和降解途径几乎是完全不同的。从能源角度看，这种不同是必然的，也有助于代谢控制。利用有利反应驱动热力学不利反应的进行利用有利反应驱动热力学不利反应的进行 一个代谢途径至少要满足两个标准：(1) 各个反应必须特异，和(2)构成一个代谢途径的整套反应在热力学上有利(即自由能变化量小于零)。 在A和B反应生成C和D的反应中，自由能的改变(G)可以用下列方程式计算： G = Go + RT ln CD/AB因此，自由能改变G取决于反应物合生成物的本质（即Go，是标准自由能的变化）以及它们的浓度。驱动热力学不利反应进行的方法驱动热力学不利反应进行的方法： 将

6、一个热力学不利反应与一个热力学有利反映偶联，使整套反应的自由能变化总量低于零。实际上，整套反应的总自由能变化量是偶联反应的各反应步骤自由能变化量的总和。例如 A B + C Go = + 21 kJ mol-1 B D Go = - 34 kJ mol-1 A C + D Go = -13 kJ mol-1 在标准状态下，A不能自发地生成B。但是B能自发地生成D。由于自由能变化值能加合，A转化成C + D的自由能变化值Go是负值，说明此反应在标准状态下可以发生。因此，与一个热力学有利反应偶联能够驱动热力学不利反应的进行。 ATP是生物系统通用的能源分子ATP的三磷酸含有两个高能磷酸酐键，所以当

7、ATP被水解成ADP（腺苷二磷酸）和Pi（磷酸）或者被水解成AMP（腺苷单磷酸）和PPi（焦磷酸）时，水解反应释放大量的自由能。 ATP是高能分子。 在ATP分子中，最靠近核糖的磷原子叫Pa，中间的磷原子叫Pb，离核糖最远的磷原子叫Pg。ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ mol-1ATP + H2O AMP + PPi Go = - 45.6 kJ mol-1 具体的Go 值受溶液的离子强度和Mg2+浓度的影响。在典型的细胞浓度下，这些水解反应的G值大约是 - 50 kJ mol-1。 ATP水解所释放的自由能被用来 (harnessed)驱动需能反应（如肌肉

8、收缩）的进行。相应地，燃料分子 氧化所释放的化学能或光养生物摄 取的光能将ADP和Pi转化成ATP。 ATP-ADP循环是生物体内能量交换的基本模式。有些合成反应的直接能源是与ATP类似的其它核苷三磷酸(GTP, UTP, 和CTP)。核苷酸激酶(包括核苷单磷酸激酶和核苷二磷酸激酶)将一个ATP末端磷酸转移到另一个核苷酸末端。这类酶的特异性比较宽泛。NMP + ATP 核苷单磷酸激酶 NDP + ADP NDP + ATP 核苷二磷酸激酶 NTP + ADP 必须注意，虽然所有的核苷三磷酸在能量水平上是等价的，但是ATP是细胞内主要的能量载体分子。此外，细胞内还有两个重要的能量载体分子也是AT

9、P的衍生物。这两个能量载体分子分别是NAD+和FAD。ATP在能量代谢转化方面的作用最大。ATP水解使偶联反应平衡转变，驱使代谢进行水解使偶联反应平衡转变，驱使代谢进行 与ATP水解反应偶联，热力学不利的化学反应也可进行。假定物质A转化成物质B的标准自由能变化是 + 16.7 kJ mol-1 （ A B Go = + 16.7 kJ mol-1）在25，反应平衡常数 Keq = Beq / A eq = 10 -Go / 5.69 = 1.15 x 10-3 如果将这个反应与ATP水解反应偶联，情况就不同。在标准条件下，ATP水解的自由能变化量Go 是 - 30 kJ mol-1，则总反应及

10、其自由能变化量是： A + ATP + H2O B + ADP + Pi Go = -13.8 kJ mol-1在pH 7，此偶联反应的平衡常数是 Keq = Beq / A eq ADPeq Pieq / ATPeq = 2.67 x 102即平衡常数从1.15 x 10-3（没有与ATP水解偶联）提高到2.67 x 102，达到105倍。在细胞内水解ATP的G是 -50.2 kJ mol-1，反应平衡常数增加的倍数达到108。 利用底物氧化产生的自由能或者光养生物摄取的光能，细胞维持高浓度ATP。在胞内，偶合一个ATP分子的水解的化学反应能够使平衡条件下产物和反应物之间的比值增加108倍。

11、如果偶合n个ATP分子的水解，则反应产物和反应物之间的比值增加108n倍。因此，偶合足量ATP水解反应，能够将热力学上不利的反应次序变成热力学有利的反应。 必须指出，偶合ATP水解才能执行的A转化成B的反应中，A和B不一定是不同的化学物质，也可能是同一物质不同的构型或不同的修饰状态。也可以是细胞内外离子或分子的两种浓度状态。跨膜Na+-K+泵被ATP磷酸化后，能够跨膜主动运输Na+和K+。随后去磷酸化。ATP具有很高的磷酸化能力的基础在于其分子结构具有很高的磷酸化能力的基础在于其分子结构ATP + H2O ADP + Pi Go = - 30.5 kJ mol-1甘油甘油3-磷酸磷酸 + H2

12、O 甘油甘油 + Pi Go = - 9.2 kJ mol-1 ATP分子的这种特性与分子自身结构密切相关。“共振稳定”、“静电斥力”、和“水合稳定”对这种特性有重大贡献。1 共振作用2 静电斥力。在pH 7，ATP携带的三个磷酸带有4个负电荷。这些电荷位置靠近相互排斥。当ATP水解，这些相互排斥力降低。3 水合稳定。ADP和Pi结合的水分子比ATP的磷酸酐结合的水分子多，因此ADP和Pi比ATP稳定。磷酸基团转移是细胞能量转化的一种重要形式磷酸基团转移是细胞能量转化的一种重要形式 水解磷酸基团所释放的标准自由能常用来衡量磷酸化合物转移磷酸基团的能力。这种比较显示ATP不是唯一的具有高能力转移

13、磷酸基团的化合物。实际上，生物体内还有比ATP转移磷酸能力还要高的化合物。这些化合物包括磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），1,3-二磷酸甘油酸酐(1,3-BPG)，肌酸磷酸酐（图15.6）。PEP能够将磷酸基团转移给ADP形成ATP。实际上这种转移就是分解过程中形成ATP的方式之一。ATP转移磷酸基团的能力居中有特别意义（表15.1）。ATP转移磷酸能力的居中性使之能够充当磷酸基团的有效载体。图15.6 磷酸基团转移能力很高的化合物。这些化合物转移磷酸基团的能力比ATP还高，因此能被用来将ADP转化成ATP。 肌肉的ATP量可维持1秒的肌肉收缩。脊椎动物肌肉的肌酸磷酸酐是高能磷酸库，能够将磷酸及时供

14、给ADP。在剧烈运动时，肌酸磷酸酐将ADP转化ATP。该反应的催化剂是肌酸激酶。 creatine phosphate +ADP 肌酸激酶 ATP +creatine在pH 7，肌醇磷酸酐水解所释放的自由能是 - 43.1 kJ mol-1，而ATP水解所释放的自由能是 - 30.5 kJ mol-1。因此利用肌酸磷酸酐将ADP转化成ATP反应的自由能变化量是 - 12.6 kJ mol-1，相应的反应平衡常数是162。 在休息状态，肌肉内这些代谢物的典型浓度是ATP = 4 mM, ADP = 0.013 mM, creatine phsphate = 25 mM, creatine = 1

15、3 mM。由于肌酸磷酸酐转移磷酸的能力比ATP还高，肌酸磷酸酐是磷酸基团的有效供给者。实际上，100米短跑（sprint）的前4秒时间内，ATP再生的磷酸来源主要是肌酸磷酸酐。肌酸磷酸能够将ATP库重新充满，这就是运动员食品添加肌酸磷酸酐的基础。食品添加肌酸磷酸酐有助于运动员短期剧烈运动的能量需要。当肌酸磷酸酐库消耗完后，只有分解代谢制造ATP（图15.7）。图15.7 运动过程中ATP的来源。在运动过程中，最初的几秒钟使用机体现成的高能磷酸化合物ATP和肌酸磷酸酐。随后需要经过代谢途径补充ATP.燃料氧化是重要的细胞能源燃料氧化是重要的细胞能源 ATP是生物系统自由能的主要的即时供应者，但是

16、自由能的长期储存不能以ATP形式。在细胞中，ATP形成不久就被消耗。虽然机体总ATP量限定在大约100g，但是ATP的转化速度很快。例如，处于休息状态的人24小时消耗的ATP约40 kg。剧烈运动着ATP的消耗速度可达0.5 kg /min，两小时跑步要耗去60 kg ATP。很明显，迅速再生ATP非常重要。运动、主动运输、信号放大、和生物合成都需要将ATP持续不断地转化成ADP(图15.8）。制造ATP是分解代谢的主要作用之一。燃料分子（如葡萄糖和脂肪）被氧化成CO2，所释放的能量将ADP和Pi再生成ATP。图15.8 ATP-ADP循环。该循环构成生物体内能量交换的基本模式。 有氧生物碳氧

17、化的最终电子受体是氧气，氧化产物是CO2。因此，C的还原状态愈高，在氧化过程中所释放的自由能越多。下图指出了一些一碳化合物有氧氧化所释放的标准自由能Go。图15.9 一碳化合物氧化所释放的自由能。尽管有些燃料分子比一碳化合物复杂（图15.10），但是在氧化过程中也会经过一碳化合物的氧化阶段。碳氧化所释放的自由能一部分用来制造高能磷酸转移化合物，一部分用来制造离子通道。无论哪种情况，最后的落脚点是形成ATP。图15.10 著名的燃料分子。脂肪比糖所的能量多，因为脂肪的碳原子还原程度比葡萄糖高。具有高能磷酸基团的化合物与碳氧化形成具有高能磷酸基团的化合物与碳氧化形成ATP的反的反应偶联，应偶联，

18、碳氧化所释放的能量如何驱使ATP生成？如甘油醛3-磷酸（葡萄糖氧化的一个中间物质）的C-1是醛（红色）。醛不是碳原子的最高氧化状态，可以被进一步氧化成酸，同时释放自由能。 但是，这种氧化不是直接发生，而是与磷酸反应产生1,3-二磷酸甘油酸、丢失的电子为NAD+捕获。甘油醛3-磷酸氧化不是直接发生，而是与磷酸反应产生1,3-二磷酸甘油酸、丢失的电子为NAD+捕获。1,3-二磷酸甘油酸有一个高能磷酸基团。这个基团转移给ADP能合成ATP。跨膜离子梯度是能与跨膜离子梯度是能与ATP合成偶联的一种重要的形合成偶联的一种重要的形式细胞能量，式细胞能量， 电化学势能是储存自由能的有效方式。实际上，燃料分子

19、氧化或光合成摄取的能量产生的跨膜离子梯度是电化学势能，能驱使细胞内大多数ATP的合成。通常跨膜离子梯度与热力学不利反应偶联并驱使这种反应进行的方式多种多样。动物氧化燃料产生跨膜质子梯度合成了细胞内90%以上的ATP（图15.11）。这个过程叫氧化磷酸化氧化磷酸化（18章）。 ATP水解能用来形成不同类型的跨膜离子浓度梯度，有不同的功能。例如Na+跨膜梯度开孔（使之顺梯度移动）以便细胞将Ca2+泵出细胞或者将营养物质（如葡萄糖和氨基酸）泵入细胞。图15.11 质子梯度。经过特定的质子泵作用，将燃料氧化产生的能量转化成跨膜质子梯度。这些质子梯度在质子回流经过生物膜的ATP合成酶时驱动ATP合成。经

20、过三个阶段获取食物的能量经过三个阶段获取食物的能量Hans Krebs将食物氧化产生能量的过程分成三个阶段（右图）。Stage 1，消化。将食物大分子断裂成较小的分子。属于能量抽取的准备阶段，没有捕获有用的能量。Stage 2，将各种较小分子进一步降解成少数几种在代谢中起中心作用的简单单元(simple units)。如糖、脂肪酸、和一些氨基酸被转化成乙酰辅酶A。同时产生一些ATP，但合成量比后续的第三阶段少得多。Stage 3，柠檬酸循环和氧化磷酸化。属于燃料分子氧化的最后阶段，产生大量ATP。15.4 代谢途径有很多反复出现的模式1 活化载体是代谢途径经常使用的一种模式活化载体是代谢途径经

21、常使用的一种模式（1）磷酸基团转移反应能够改变蛋白构型的能量、驱动需能反应(endergonic reactions)、作为信号改变一个蛋白的活性等。在这些反应中，磷酸基团来源于ATP。换句话，ATP是磷酸基团的活化载体(因为ATP进行磷酸基团转移是放能反应)。采用活化载体是生化中反复使用的一种模式。这类活化载体的很多成分起辅酶作用。（2） 燃料氧化的电子载体。在有氧生物，燃料氧化的最终电子受体是O2。但是，电子不能直接从燃料传递给氧气，而是经过电子载体传递的。这类电子载体要么是吡啶类核苷酸（pyridine nucleotides)，要么是吡啶类黄素(pyridine flavins)。这些

22、化合物的还原形式能够将高能电子传递给氧气。图15.13 氧化型烟酰胺类电子载体的结构。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）是著名的高能电子载体。NAD+分子中，R是H；NADP+分子中，R是PO32-。图15.14 氧化型黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的结构。电子载体有一个黄素单核苷酸（FMN）单位（蓝色）和一个AMP单位（黑色）。活化的电子载体用于生物合成的还原反应活化的电子载体用于生物合成的还原反应。 由于前体的氧化程度比产物高，因此大多数氧化反应需要高能电子。除了需要ATP外，合成反应还需要还原。例如，在脂肪酸合成过程中，加入的二碳单位的酮基需要几步还原

23、反应产生次甲基。此反应需要输入4个电子。 大多数还原性合成的电子供体是NADPH 。NADPH的腺嘌呤核苷酸2-OH被磷酸化，而NADH的腺嘌呤核苷酸该位点是2-OH。NADPH携带电子的方式与NADH相同。但是NADPH几乎只用于还原性只用于还原性生物合成反应，而NADH主要用于生产ATP。NADPH多余的磷酸基团(与NADH相比)是区分合成代谢用高能电子和分解代谢用高能电子的标签。（3） 二碳单位的活化载体 辅酶A(简称CoA)是代谢途径的另一个中心分子。辅酶A是乙酰基载体（图15.16）。乙酰基是分解代谢(如脂肪酸氧化）和合成代谢(如脂质合成）的重要组分。CoA末端巯基是反应位点。乙酰基

24、与CoA末端巯基结合形成硫脂。与CoA连接的乙酰基称为乙酰单位，产物是乙酰-CoA。泛酸 乙酰-CoA水解反应释放大量自由能，其Go是 -31.4kJ mol-1。 Acetyl-CoA + H2O = Acetate + CoA + H+硫脂易于水解，是热力学有利的化学反应。原因在于硫脂分子中，羰基的氧原子与硫原子不能形成共振结构，因此硫脂没有含氧脂稳定（后者能形成共轭结构）。结果，乙酰辅酶A是高能乙酰基携带者，易于将乙酰基转移给其他分子（这点与ATP是高能磷酸携带者转移磷酸类似）。代谢途径利用活化载体的优势：代谢途径利用活化载体的优势：（1）没有催化剂，NADH、NADPH、和FADH2与

25、氧气反应非常慢；ATP和乙酰-CoA水解速度也非常缓慢(几小时甚至几天)。动力学很稳定。因此，利用活化载体能够控制能量和还原能力的流动。（2）代谢过程中活化基团的大多数交换是用很少的几种载体完成的（表15.2）。所用生物反复使用这几种载体使生物化学采用统一的模式。进而能够用这些模式来阐明代谢过程。少数几种载体分子执行不同的任务。这种设计模式和经营方式使我们易于理解掌握代谢的各种途径。很多活化载体是维生素衍生物很多活化载体是维生素衍生物 几乎所用起辅酶作用的活化载体都是维生素衍生物。维生素是高等动物饮食中需要的、含量很少的有机物。表15.3列出了起辅酶作用（图15.17）的维生素。这类维生素属于

26、B类维生素。注意这些维生素必需经过修饰才能执行相应的辅酶功能。我们已经谈到烟酸、核黄素、和泛酸（pantothenate）的作用。在生物化学中我们还会多次遇到这三种维生素和其他B类维生素。图15.17 一些维生素B的结构。 几乎所有生物中，维生素所起的作用都是相同的。但是高等动物在进化过程中丢失了自主合成维生素的能力。例如大肠杆菌能够用葡萄糖和无机盐就能存活，但是人类饮食中至少要添加12种维生素。维生素的生物合成途径很复杂。因此，生物直接从事物摄取维生素比合成相应的酶来自己制造维生素更有效。这种有效的代价是对其他生物合成维生素的依赖性。实际上，缺乏维生素会导致疾病（表15.3和表15.4）。

27、维生素C，即抗坏血酸，使抗氧化剂。缺乏维生素C者患坏血病，其病症是胶原变形、皮肤有缺陷、血管易脆。维生素K是正常凝血必需的。维生素A（视黄醇，retinol）是视黄醛(retinal)的合成前体。视黄醛是视紫质和其他视觉色素的光敏基团（32.3节）。视黄酸是重要的信号分子。没有这种维生素则患夜盲症。此外，幼年动物的生长需要维生素A。缺乏维生素E（生育酚，a-tocopherol)的大鼠不能生育。维生素E与活性氧反应，使活性氧失活，从而阻止活性氧（如羟基自由基）氧化膜脂质的不饱和脂肪酸链，保护细胞结构。维生素D是调节钙磷代谢的激素。缺乏维生素D会损伤生长动物的骨骼形成。代谢过程中反复使用的关键反

28、应代谢过程中反复使用的关键反应 代谢过程的化学反应可以归为六类。如同活化载体，一些关键反应在代谢途径中反复使用。使学生需要学习的反应数量大为降低。1. 氧化-还原反应是很多代谢途径的基本成分。碳化合物氧化产生可用的能量。2. ATP裂解所提供的能量协助连接反应。反应3表示依赖于ATP水解形成C-C化学键。连接反应是小分子形成大分子必需的。丙酮酸与CO2连接形成草酰乙酸（oxaloacetate）。草酰乙酸进入三羧酸循环或转化成氨基酸（如天冬氨酸）。3. 异构化反应在分子内部重排特定原子。异构反应的作用是为后续反应（如氧化-还原反应）准备原料。 反应4也是柠檬酸循环的一个组分。这种异构化反应将第

29、3位碳原子上的羟基移至第2位碳原子上，产物是后续的氧化合脱羧反应的原料。4. 基团转移反应的作用多样。反应5是磷酸基团从ATP转移给葡萄糖分子，是糖酵解途径的第一步。此反应将葡萄糖限定在细胞内，以利于后续分解代谢。ATP合成也是磷酸转移反应。在信号传导过程中也有很多基团转移反应的实例。5. 水解反应是加入水，断裂相应化学键的化学反应。水解是断裂大分子的常用方式。这种断裂要么有助于进一步代谢，要么是为了重新利用这些物质的相应组分来进行生物合成。蛋白质用水解反应降解。反应6表示多肽术界城两个更小肽段的化学反应。6. 从单键移去化学基团形成双键，或者将化学基团加入双键位置将双键转化成单键。催化这类反

30、应的酶属于裂合酶(lyases)。反应7就是这类反应的一个例子。六碳分子的1,6-二磷酸果糖转化成两个三碳产物，即磷酸二羟基丙酮和甘油醛 3-磷酸。讲到此脱水作用（在红色化学键处）形成双键，如2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸（反应8）就属于这类反应的重要成员 此脱水反应为后续的高能磷酸基团自PEP转移给ADP，形成ATP奠定基础。代谢过程调节的三个途径代谢过程调节的三个途径 很明显，代谢过程必须受到严格调节。同时，这些调节必须灵活，使细胞的代谢活性适应经常变化的外部环境。通过控制下面三个方面实施代谢过程的调节。这三个方面分别是(1) 酶量、(2) 催化活性、和 (3)底物的可接近性。控制

31、酶量控制酶量。特定酶的数量取决于这个酶的合成速度和降解速度。很多酶的含量水平主要受这些酶的编码基因的转录速度控制转录速度控制。例如在大肠杆菌，乳糖能够在几分钟内将b-乳糖苷酶的合成速度增加50倍以上。b-乳糖苷酶是裂解乳糖必需的一种酶。控制催化活性控制催化活性。控制酶活性的方式有几种，其中特别重要的是别构调节。很多生物合成途径的第一个反应常受该途径的最终产物抑制。如天冬氨酸转氨甲酰酶受胞嘧啶核苷三磷酸抑制。另一种频繁使用的机制是可逆共价修饰。例如，在缺乏葡萄糖时，糖原磷酸化酶(催化糖原断裂的第一个酶) 的丝氨酸磷酸化(被活化)刺激糖原降解。激素常常通过关键酶的可逆修饰来协调不同组织之间的代谢关系。例如肾上腺素启动肌肉组织的信号传导级联反应，导致关键酶的磷酸化（活化）、迅速将糖原转化成葡萄糖，进一步降解制造ATP供肌肉收缩。很多激素通过细胞内的信使分子（如c