第19章代谢总论

1、第第19章章 代谢总论代谢总论一、有关概念一、有关概念二、新陈代谢的特点与调节二、新陈代谢的特点与调节三、新陈代谢的研究方法三、新陈代谢的研究方法四、生物体内能量代谢四、生物体内能量代谢一、有关概念一、有关概念1.新陈代谢新陈代谢(代谢代谢 metabolism ) 营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。营养物质在生物体内所经历的一切化学变化的总称。 实质是：实质是：错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围环境高度适应的一个有规律的总过程。围环境高度适应的一个有规律的总过程。生物大分子生物大分子 蛋白质蛋白质 多糖多糖 脂类脂类结构元件分子

2、结构元件分子 氨基羧葡萄糖氨基羧葡萄糖 甘油甘油 + + 脂肪酸脂肪酸共同降解产物共同降解产物 乙酰辅酶乙酰辅酶a终产物简单小分子终产物简单小分子 nh3 h2o co2 分解代谢与合成代谢分解代谢与合成代谢新陈代谢新陈代谢 合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用） 分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）生物小分子合成为生生物小分子合成为生物大分子物大分子需要能量需要能量释放能量释放能量生物大分子分解为生物大分子分解为生物小分子生物小分子能量能量代谢代谢物质代谢物质代谢能量代谢在新陈代谢中的重要地位能量代谢在新陈代谢中的重要地位 生物能流：化学能化学能呼吸呼吸作用作用能量通货能量通货损损 失

3、：失：热、熵热、熵光合光合作用作用太阳太阳 光能光能化学能化学能渗透能渗透能电能电能机械能机械能热能热能co2+h2o 有机物有机物atp 同一种物质，分解代谢和合成代谢途径一般是不同。同一种物质，分解代谢和合成代谢途径一般是不同。使代谢增加了灵活性和应变能力。使代谢增加了灵活性和应变能力。 其过程是高度协调、高度整合。其过程是高度协调、高度整合。2.2.代谢过程代谢过程：消化吸收、中间代谢及代谢产物的排泄。：消化吸收、中间代谢及代谢产物的排泄。 ( (底物、中间产物底物、中间产物( (代谢物代谢物 ) )和最终产物和最终产物) )3.3.主要代谢途径主要代谢途径 具有共同规律的途径，在生物界

4、具有相当普遍性。具有共同规律的途径，在生物界具有相当普遍性。4.4.新陈代谢的功能：新陈代谢的功能：获得营养；转变为元件；组成大分获得营养；转变为元件；组成大分子；形成或分解生物分子；提供所需能量。子；形成或分解生物分子；提供所需能量。1.特点特点 在温和条件下进行在温和条件下进行( (由酶催化由酶催化) )； 步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性；步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性； 各代谢途径相互交接，形成物质与能量的网络化交流系统。各代谢途径相互交接，形成物质与能量的网络化交流系统。 精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和能量。精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和能量

5、。 各代谢途径之间存在许多重复出现的基元各代谢途径之间存在许多重复出现的基元( (通用活化载体通用活化载体) )2.新陈代谢的调节新陈代谢的调节分子水平、细胞水平和整体水平。基因表达的调控。分子水平、细胞水平和整体水平。基因表达的调控。 主要有三个环节主要有三个环节： 酶含量的调节（转录水平）酶含量的调节（转录水平） 酶活性的调节（变构、共价）酶活性的调节（变构、共价） 反应底物的调节反应底物的调节二、新陈代谢的特点与调节二、新陈代谢的特点与调节a b c d e f thr ile enzyme1代谢途径的区域分隔代谢途径的区域分隔三、新陈代谢的研究方法三、新陈代谢的研究方法( (在体内或体

6、外在体内或体外) )1.研究对象研究对象:大肠杆菌、大肠杆菌噬菌体、四膜虫、小球藻、大肠杆菌、大肠杆菌噬菌体、四膜虫、小球藻、果蝇、鸽、兔、小鼠、大鼠果蝇、鸽、兔、小鼠、大鼠2.研究方法：研究方法：v使用酶的抑制剂：使用酶的抑制剂：a b c dv利用遗传缺陷症：利用遗传缺陷症：先天性基因的突变，缺乏某一种酶先天性基因的突变，缺乏某一种酶.v同位素示踪法：常用稳定同位素：同位素示踪法：常用稳定同位素：2h,15n,13c,18o (例：例： dna半保留复制半保留复制)常用放射性同位素：常用放射性同位素：3h,32p,14c (例三羧酸循环例三羧酸循环)v苯环化合物示踪法：苯甲酸和苯乙酸苯环化

7、合物示踪法：苯甲酸和苯乙酸(例：脂肪酸例：脂肪酸-氧化氧化)v核磁共振波谱法核磁共振波谱法3.研究水平研究水平 体内体内(in vivo)：生物整体生物整体,整体器官整体器官,微生物细胞群微生物细胞群 体外体外(in vitro)：组织切片组织切片,匀浆液匀浆液,提取液提取液四、四、atpatp是能量代谢的是能量代谢的“货币货币”o-poo-nnnnnh2ohhohhohhoch2o-poo-o-poo-三磷酸腺苷 (atp)atp adp amppi piatp在能量转运中的地位和作用，在能量转运中的地位和作用，39页页 atp水解释放的能量，可推动水解释放的能量，可推动一个在热力学上不利的

8、反应，一个在热力学上不利的反应，使之能够顺利进行。使之能够顺利进行。“共同中间体作用共同中间体作用”，传递能量，传递能量能量代谢实质：能量代谢实质：atp的形成与裂解。的形成与裂解。磷酸烯醇式丙酮酸ppppatp甘油酸1,32p18161412108642五、能量代谢中辅酶的递能作用，五、能量代谢中辅酶的递能作用，p31 1、辅酶、辅酶i i和辅酶和辅酶ii ii的递能作用的递能作用 p3 nad nad+ + ( (烟酰胺烟酰胺- -腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶腺嘌呤二核苷酸，又称为辅酶i) i) nadp nadp+ +( (烟酰胺烟酰胺- -腺嘌呤磷酸二核苷酸腺嘌呤磷酸二核苷酸, ,又称为

9、辅酶又称为辅酶ii )ii )2 2、fmnfmn和和fadfad递能作用递能作用 fad( fad(黄素黄素- -腺嘌呤二核苷酸腺嘌呤二核苷酸) )和和fmn(fmn(黄素单核苷酸黄素单核苷酸) )3 3、coacoa在能量代谢中的作用在能量代谢中的作用 辅酶辅酶a a是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前是生物体内代谢反应中乙酰化酶的辅酶，它的前体是维生素体是维生素( (b3)b3)泛酸，乙酰泛酸，乙酰- -coacoa水解可释放出大量能量。水解可释放出大量能量。六新陈的代谢的调节六新陈的代谢的调节1.分子水平：分子水平：反应物和产物的调节反应物和产物的调节（浓度的调节和酶的调节）（浓

10、度的调节和酶的调节）2.细胞水平细胞水平代谢途径分隔控制代谢途径分隔控制3.整体水平整体水平激素调节和神经调节激素调节和神经调节4.基因表达的调控基因表达的调控chapter20 生生 物物 能能 学学chapter20 一、有关热力学和能的基本概念一、有关热力学和能的基本概念（一）体系的概念、性质和状态（一）体系的概念、性质和状态 开放体系、封闭体系、隔离体系开放体系、封闭体系、隔离体系 一个体系的性质包括压力、体积、温度、比热、表一个体系的性质包括压力、体积、温度、比热、表面张力等面张力等（二）能的两种形式（二）能的两种形式热与功热与功（三）内能（三）内能（u u）和焓（和焓（h h）的概

11、念：的概念：h=u+pvh=u+pvchapter20 （四）热力学第一定律（四）热力学第一定律 在一个孤立体系中在一个孤立体系中的能量可以变换其形的能量可以变换其形式，但其总能量不变。式，但其总能量不变。一、有关热力学和能的基本概念一、有关热力学和能的基本概念chapter20 （五）化学能的转化：（五）化学能的转化：光能、化学能和热能等的转化光能、化学能和热能等的转化n维持生命活动的能量，主要有两个来源：维持生命活动的能量，主要有两个来源：n光能（太阳能）：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。将光能转变成生物能。n化学能：化学能：动物

12、和大多数的微生物，通过生物氧化作动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。化学能释放出来，并转变成生物能。一、有关热力学和能的基本概念一、有关热力学和能的基本概念chapter20 （六）热力学第二定律（六）热力学第二定律（25页）和熵的概念页）和熵的概念（七）自由能的概念：（七）自由能的概念： g= ht s 热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。逆向传导是不可能的。 代表体系能量分散程度的状态函数，统称为

13、熵（代表体系能量分散程度的状态函数，统称为熵（s）。）。凡是能够用于做功的能量称之为自由能（凡是能够用于做功的能量称之为自由能（g）。）。一、有关热力学和能的基本概念一、有关热力学和能的基本概念二、生物体内能量代谢二、生物体内能量代谢1.代谢的能量来源和转化代谢的能量来源和转化2.高能化合物的概念高能化合物的概念3.高能磷酸化合物高能磷酸化合物(1)atp的结构特性的结构特性(2)atp在能量转运中的地位和作用在能量转运中的地位和作用(3) 磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用(4)分解代谢产生分解代谢产生atp(5)atp的利用的利用适用以下相关理论适用以下相关理论内

14、能内能(u或或e)、焓、焓(h)、熵、熵(s)：能的两种形式：热能与自由能能的两种形式：热能与自由能g（体内化学反应释放的能量，体内化学反应释放的能量，可可在恒温恒压下做功），在恒温恒压下做功），一反应体系的自由能变化只取决于产物一反应体系的自由能变化只取决于产物与反应物的自由能之差。与反应物的自由能之差。自由能变化自由能变化 标准自由能变化标准自由能变化 g0和和 g0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能变化的可加性反应能否进行的自发性是：当反应能否进行的自发性是：当 g 为负值时，反应才能自为负值时，反应才能自发进行。发进行。g为零时反应达到平衡点；当为零时反应达到平衡

15、点；当g为正值时，反应为正值时，反应不能自发进行，必须给参加反应分子提供活化能。不能自发进行，必须给参加反应分子提供活化能。g = h t sg = h t s1.1.自由能变化的可加性及其在生物化学反应中的意义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。一步反应自由能变化的总和。 意义：意义：一个热力学上不能进行的反应，可以由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。与它相偶联的，热力学上容易进行的反应驱动。2.2.高能化合物的概念高能化合物的概念 一

16、般将水解时能够释放一般将水解时能够释放 5千卡千卡/mol （20.92 kj/mol）以上以上自由能的化合物称为高能化合物。自由能的化合物称为高能化合物。高能键：高能键：在分子中用在分子中用“”表示。表示。34页页高能化合物高能化合物磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氧型磷氮型磷氮型硫酯键化合物硫酯键化合物甲硫键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物烯醇磷酸化合物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几种常见的高能键及高能化合物几种常见的高能键及高能化合物 磷氧键型（磷氧键型（op) 氮磷键型氮磷键型(-np) 硫酯键型硫酯键型(-cs或或-o s) 甲硫键型甲硫键

17、型(ch3 s) 这些化合物水解后形成的产物都含有很少的自由这些化合物水解后形成的产物都含有很少的自由能，所以说它们都有很高的基团转移势能。能，所以说它们都有很高的基团转移势能。3.3.高能磷酸化合物高能磷酸化合物 通过磷酸酐键水解释放出大于通过磷酸酐键水解释放出大于20.92千焦千焦/摩尔的自由能的有摩尔的自由能的有机磷酸化合物。机磷酸化合物。 磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。 atpatp是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 atp的磷酸基团转移势能的磷酸基团转移势能处于所列磷酸化合物的中间

18、部位。处于所列磷酸化合物的中间部位。36页表页表(1) atp的结构特性的结构特性atp4h2o adp3hpo2h4atpampadpo-poo-nnnnnh2ohhohhohhoch2o-poo-o-poo-水解自由能水解自由能：每个每个高能键的水解自由高能键的水解自由能为能为 30.5kj/mol或或7.3kcar/mol(3)磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用atp在传递能量方面起着转运站的作用。成人一日内需消耗在传递能量方面起着转运站的作用。成人一日内需消耗40kg的的atp，在激烈运动时，在激烈运动时，atp的利用率每分钟可达到的利用率每分钟可达到0.5kg。d f + h + 能能生物体的做功、生物体的做功、需能反应等。需能反应等。atpadp+piadp+pi + 能能adp磷酸肌酸磷酸肌