简明生物化学原理 课件 第8章 代谢总论与生物氧化1

MetabolismOverviewandBiologicalOxidation简明生物化学原理第8章代谢总论与生物氧化一、新陈代谢总论二、生物能学三、生物氧化四、氧化磷酸化本章内容一、什么是生物代谢？

新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。

同化作用（assimilation）；生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分。

异化作用（dissimilation）：将体内组成物质经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外。

特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行。通过上述过程不断地进行自我更新。第一节新陈代谢总论新陈代谢

合成代谢（同化作用）

分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢能量代谢物质代谢二、物质代谢和能量代谢分解代谢和合成代谢分解代谢的3个阶段（1）大分子→构件分子（2）构件分子→丙酮酸、乙酰CoA（3）丙酮酸、乙酰CoA——→CO2+H2O分解代谢的终产物：CO2、H2O、NH3能源形式：ATP、NADH

三羧酸循环合成代谢（1）简单的前体→生物大分子例如，CO2+H2O+NH3→氨基酸→蛋白质（2）合成代谢是分解代谢的逆过程？？二者涉及众多反应都有联系，但不是简单的逆过程！三、代谢途径的区室化生物机体的分解代谢与合成代谢是同时发生的，但在细胞的不同部位进行。这称为区室化。代谢途径的分室化代谢途径发生区域三羧酸循环、氧化磷酸化，脂肪酸氧化，氨基酸分解线粒体糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊糖途径、细胞液DNA复制、转录、转录后加工细胞核、线粒体、叶绿体膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面内质网脂和胆固醇的合成光面内质网翻译后加工（糖基化）高尔基体尿素循环肝细胞线粒体和细胞液避免两个方向相反的反应抵消区室化将整个代谢途径完全分隔在特定的亚细胞区域，将降解和合成途径分开，可以避免两个方向相反的反应彼此会部分或完全抵消。通过区室的通透性可以调节酶促反应通过区室膜有选择的通透（或转运）可以调控底物进入区室和从区室输出产物，因为区室内底物和产物的相对浓度转而影响酶促反应。区室化与激素的作用紧密相连在哺乳动物中，不同的区室之间都是通过复杂的方式联系在一起的。生物代谢区室化的优越性四、代谢调控整体水平调节多细胞生物的调节。主要有激素调节、神经调节。细胞水平调节细胞的分隔作用分子水平调节反应物和产物的调节反应物/产物浓度酶的调节酶浓度（慢）酶合成的速率酶降解的速率酶活性调节（快）变构调节共价修饰调节基因表达调控五、物质代谢的特点1.整体性：体内各种物质代谢彼此不孤立，同时进行，彼此互相联系，相互转变，相互依存，构成统一的整体。2.代谢调节：正常情况下各种物质代谢存在精细的调节机制，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度，以适应内外环境的变化。3.各组织、器官物质代谢各具特色：各组织、器官的结构不同，所含有的酶系的种类和含量各不相同，代谢途径及功能各异，各具特色。4.各种代谢物均具有各自共同的代谢池。5.ATP是机体能量利用的共同形式。6.NADPH是合成代谢所需的还原当量。六、代谢的研究方法1.活体内与活体外实验活体内（invivo）：生物整体，整体器官，微生物细胞群活体外(invitro)：生物体分离出来的组织切片、组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物等2.苯环化合物示踪法3.同位素示踪法稳定同位素：2H、15N、13C、18O；放射性同位素：3H、32P、14C4.代谢途径阻断法(利用酶的抑制剂研究代谢途径)5.核磁共振波谱法6.色谱—质谱联用法7.利用遗传缺陷症研究代谢途径一、有关热力学和能的基本概念（一）体系的概念、性质和状态

开放体系、封闭体系、隔离体系

一个体系的性质：压力、体积、温度、比热、表面张力等（二）能的两种形式——热（能量转移）与功（能量转化）（三）内能（U）和焓（H）的概念：H=U+PV第二节生物能学生物体系是一个开放体系：与周围环境既有物质交换，又有能量转换。生物化学过程发生在常温常压下：ΔP≈0生物化学反应发生在固相或液相：ΔV≈0∴ΔH≈ΔU（焓变近似于内能变化）自由能：生物体（或恒温恒压）用以作功的能量。在没有作功条件时，自由能转变为热能丧失。ΔG=ΔH-TΔS△G－－－在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化△H－－体系总热能的变化；T－－体系的绝对温度；△S-----体系的熵变。二、化学反应中自由能的变化和意义A+B==C+D+⊿H（一）化学反应的自由能变化公式标准自由能变化与平衡常数反应：aA+bB←→cC+dD自由能变化：△G＝G产物－G底物

标准自由能变化(△Gθ)：反应物与产物的浓度都是1M;反应条件：25℃(298K),1atm(101325Pa);稀水溶液系统，如水作为反应物、产物，水的反应浓度以1.0M计算;在生化反应中，[H+]为10-7（pH=7.0)自由能的变化能量单位以焦耳（J/mol)或千焦耳（kJ/mol)表示自由能的变化表示为：△G

Θ’生化反应中标准条件的修正能量学在生物化学应用中的一些规定在一生化反应中：反应达平衡时：△G’＝0∴△G：判断一个过程能否自发进行的根据△G<0：反应能自发进行，有用功△G>0：不能自发进行，供能△G=0：平衡状态总热量的变化（△H），不能作为反应能否自发进行的判据自由能的变化才是唯一准确的指标自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义在偶联的几个反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和。意义：一个热力学上不能进行的反应，可以由与它相偶联的，热力学上容易进行的反应驱动。一个放能反应可以与一个吸能反应相偶联ΔGΘ’总＝ΔG1

Θ’＋ΔG2Θ’＋………K’eq总＝Keq1•Keq2•……三、高能磷酸化合物（一）高能化合物的概念

一般将水解时释放20.92kJ/mol（5千卡/mol）以上自由能的化合物称为高能化合物，是含有通过高能键连接的转移势高的基团的化合物。如ATP、ADP、GTP等。

注意：跟键能的区别生物化学中：高能键是指该键在水解或断裂时可以放出大量的自由能，以~表示。在生物体内，最重要和最主要的高能化合物是高能磷酸化合物。按键型分四类磷氧键型氮磷键型硫酯键型甲硫键型酰基磷酸化合物焦磷酸化合物烯醇式磷酸化合物根据生物体内高能化合物键的特性可以分成以下几种类型：（1）酰基磷酸化合物3-磷酸甘油酸磷酸乙酰磷酸ΔGΘ’=-10.1

kCal/mol=-42.2kJ/molΔG

Θ’=-11.8kCal/mol

=-49.3kJ/mol1.磷氧键型（—O~P)氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（1）酰基磷酸化合物（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸ΔGΘ’=-7.3kCal/mol=-30.5kJ/mol酸酐键磷酯键（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸ΔGΘ’=-14.8kCal/mol=-61.9kJ/mol磷酸肌酸磷酸精氨酸这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。ΔG

Θ’=-10.3kCal/mol=-43.1kJ/molΔGΘ’=-7.7kCal/mol=-32.2kJ/mol2.氮磷键型H3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A3.硫酯键型S-腺苷甲硫氨酸4.甲硫键型甲基的活性供体

某些磷酸化合物水解的标准自由能变化化合物ΔG0/

千卡/摩尔千焦耳/摩尔

磷酸烯醇式丙酮酸－14.80－61.93-磷酸甘油酸磷酸－11.80－49.3

磷酸肌酸－10.30－43.1

乙酰磷酸－10.10－42.3

磷酸精氨酸－7.70－32.2ATP(→ADP+Pi)－7.30－30.5ADP(→AMP+Pi)－7.85－32.8AMP(→腺苷+Pi)－3.40－14.2

葡萄糖-1-磷酸－5.00－20.9

果糖-6-磷酸－3.80－15.9

葡萄糖-6-磷酸－3.30－13.8

甘油-1-磷酸－2.20－9.2（二）ATP是生物能量的载体ATP-ADP系统是化学能转移的媒介

ADP是接受高能磷酸键的受体

ATP是转移高能磷酸键的供体细胞内几乎所有的磷酸基转移反应的酶对ATP-ADP系统是专一性的ATP提供能量时主要是通过基团转移的形式，或转移磷酸基团，或转移AMP

ATP是细胞内的“能量通货”

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油贮能物质脊椎动物：磷酸肌酸(phosphocreatine)无脊椎动