普通生物学：第4章 细胞代谢

第四章细胞代谢一、生命和能1.生物体的能量生命活动需要能量

生命的存在需能量，生物本身不能创造新的能量。几乎所有地球生命所需要的能力都来自太阳。

自养生物、异养生物

生态系统中能量的流动是由多样化的生命活动完成的

代谢是化学物质和能量的转化过程。2.热力学定律

热力学第一定律

能量守恒定律。

宇宙的能量是一个常数，能量可以不断被转化和转移，但不可能被创造，也不可能被消灭。3.热力学第二定律万物皆走向衰退。热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示。宇宙或系统的各种过程总是向着熵增大的方向进行。3.热力学第二定律生命与第二定律的矛盾

空间结构＋物质代谢＋生物进化代谢导致的熵增加

孤立的系统

在孤立的系统中，自发过程才导致熵的增加，使系统从有序到无序。4.生物体是一个开放而有序的系统生物体是一个开放的系统代谢产生无用的能，导致熵增加：dis(≥0)

物质和能的交流，熵值减小：des(≤0)生物体是一个耗散结构细胞和生物体是通过从环境中吸收负熵，来抵消体内熵的增长，这种依靠不断供应自由能来维持其有序性的结构称为耗散结构（dissipativestructure）。ds=dis+des细胞和生物体的熵值变化IdesI=IdisIIdesI>IdisIIdesI<IdisI有序结构不变，生存有序性发展，生长、进化有序性降低，死亡5.细胞能量通货----ATP在活细胞中，能量贮存在腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）中ATP水解时，一个高能磷酸键断裂同时释放出能量。二、生物的代谢类型光能自养型光能异养型化能自养型化能异养型能源碳源供氢体公式光光化学能化学能H2A有机物有机物CO2CO2有机物NH3H2S等CH3COOH→C4H6O22NH3+2O2+CO2→(CH2O)+HNO2+H2O

CO2+H2A→(CH2O)+2A+H2O有机物营养条件各异，同化，能源与碳源不同三、酶（Enzymes）

酶是活细胞内产生的具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。酶是高效、特异的生物催化剂酶是特殊的蛋白质1、酶促反应的特点A、具有一般催化剂的性质B、具极高的催化效率C、高度的专一性：一定的底物

D、酶活性的可调节性E、酶活性的不稳定性：变性绝对专一性一种底物相对专一性一类化合物或一种化学键立体异构专一性立体构型在空间结构上彼此靠近，组成具有特定空间结构的区域，能与底物特异结合。2、酶的活性中心（activecenter）底物

活性中心以外的必需基团结合基团催化基团活性中心3、酶活性中心和底物结合的机理1958年，D.E.Koshland的诱导—楔合模型(inducedfitmodel)1890年，E.Fischer钥匙-锁模型（lock-key）。4、影响酶作用的因素温度的影响4、影响酶作用的因素pH的影响反馈抑制调节酶酶反应受底物浓度的影响酶反应受产物浓度的影响5、影响酶作用的因素Cl-Mg2+Fe2+Cu2+唾液淀粉酶葡萄糖激酶等过氧化物酶等细胞色素氧化酶等A、激活剂(activator)使酶活性增加金属离子激活剂B、抑制剂(inhibitor)使酶的催化活性下降抑制类型不可逆抑制可逆抑制竞争性抑制非竞争反竞争抑制6、影响酶作用的因素四、细胞呼吸（cellrespiration）

概念：细胞氧化分解葡萄糖、脂肪酸或其它有机物以获取能量并产生CO2的过程。1、细胞呼吸与能量细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径细胞呼吸是一种氧化反应。

有机化合物+O2=CO2+E燃料：糖类、脂肪、蛋白质等

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O＋E1、细胞呼吸与能量体重70kg男子不同活动所需能量kj/h1、细胞呼吸与能量某些事物所含的热量1、细胞呼吸与能量氧化还原反应获得电子----还原反应；失去电子----氧化反应氧化还原反应是细胞中的氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移的过程。氧化还原反应是呼吸作用和光合作用等代谢中的最基本反应。2.呼吸作用类型

有氧呼吸：利用分子氧，将有机物质彻底氧化分解，形成CO2和H2O,同时释放能量的过程。

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O＋能量

无氧呼吸在无氧条件下，把有机物分解成为不彻底的氧化产物，同时释放能量的过程。

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量（1）糖酵解（glycolysis）

概念：在无氧情况下，葡萄糖生成丙酮酸的过程。

反应部位：胞浆全过程：12步骤，11酶葡萄糖C-C-C-C-C-C淀粉、糖原等葡萄糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-PATPADP

果糖-6-磷酸C-C-C-C-C-C-P果糖1,-6-二磷酸C-C-C-C-C-C-PATPADP3-磷酸甘油醛PGAL(2分子)磷酸二羟丙酮2NAD+2Pi2NADH+2H+1,3-二磷酸甘油酸(2分子)

消耗

ATP2分子3-磷酸甘油酸（2分子）2ADP2ATP2磷酸甘油酸（2分子）磷酸烯醇式丙酮酸（2分子）丙酮酸（2分子）2ADP2ATP产生

ATP4分子底物水平磷酸化1,3-二磷酸甘油酸(2分子)

小结GluG-6-PF-6-PF-1,6-2PATPADPATPADP1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸丙酮酸磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+ADPATPADPATP磷酸烯醇式丙酮酸⑴反应部位：胞浆⑵糖酵解是一个不需氧的产能过程⑶反应全过程中有三步不可逆的反应⑷产能的方式和数量方式：底物水平磷酸化净生成ATP数量：2×2-2=2ATPE1:己糖激酶

E2:6-磷酸果糖激酶-1

E3:丙酮酸激酶

（2）三羧酸循环（TricarboxylicacidCycle）*概述：一定需要氧才能进行。在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。反应部位：所有的反应均在线粒体中进行。

三羧酸循环过程

三羧酸小结

反应部位：线粒体循环要点：四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化，生成1分子FADH，3分子NADH+H+，2分子CO2，1分子GTP。关键酶：柠檬酸合酶

α-酮戊二酸脱氢酶复合体异柠檬酸脱氢酶整个循环反应为不可逆反应三羧酸循环的中间产物：催化剂。3、电子传递系统和氧化磷酸化电子传递链：线粒体内膜上的一系列电子传递体。氧化磷酸化：氧化磷酸化偶联反应。糖酵解：底物水平的磷酸化4个ATP，己糖活化消耗2个ATP，脱氢反应产生2个NADH，Krebs循环：底物水平的磷酸化2个ATP，脱氢反应产生8个NADH和2个FADH2，1分子葡萄糖彻底氧化分解共得：30或32个ATP

葡萄糖有氧氧化总结苹果酸-天冬氨酸穿梭——存在于肝脏和心肌α-磷酸甘油穿梭——存在于脑和骨骼肌4、无氧途径

C6H12O62CH3COCOOH

2CH3CHO

2CH3CH2OHCH3CHOHCOOH2ATPNADNADH2-2CO2EMP乙醇脱氢酶乳酸脱氢酶NADH2NADNADH2NAD发酵（fermentation）

一些厌氧细菌和酵母菌等在无氧条件下获取能量的过程。（1）酒精发酵（alcoholicfermentation）（2）乳酸发酵（lacticacidfermentation）其他途径

有些细菌利用硝酸盐（NO3-）等无机化合物来代替氧作为最终的电子受体，进行呼吸。5、其它营养物质的氧化

氨基酸的氧化

氨基酸——有机酸——呼吸代谢过程丙氨酸—丙酮酸、谷氨酸—-酮戊二酸、天冬氨酸—草酰乙酸

脂肪酸的氧化

脂肪酸在细胞质中活化，进入线粒体基质继续氧化，产生乙酰CoA进入TCA；甘油可转变为磷酸甘油醛进入糖酵解过程。

底物水平磷酸化