生物代谢专题知识专家讲座

第七章生物代谢

生物代谢是指生物活体与外界环境不停进行物质（包含气体、液体和固体）交换过程。本章讨论生物代谢主要是包括有机物质在细胞内合成和分解过程。合成代谢普通是指将简单小分子物质转变成复杂大分子物质过程。分解代谢则是将复杂大分子物质转变成小分子物质过程。生物代谢专题知识专家讲座第1页糖、脂和蛋白质合成代谢路径各不相同，不过它们分解代谢路径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最终被氧化成CO2和H2O。生物代谢专题知识专家讲座第2页第一节,糖代谢糖代谢包含分解代谢和合成代谢。动物和大多数微生物所需能量，主要是由糖分解代谢提供。另方面，糖分解中间产物，又为生物体合成其它类型生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。植物和一些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大一个能量转换过程。生物代谢专题知识专家讲座第3页一、葡萄糖分解代谢葡萄糖进入细胞后，在一系列酶催化下，发生分解代谢过程。葡萄糖分解代谢分两步进行：（1）糖酵解：葡萄糖

丙酮酸。此反应过程普通在无氧条件下进行，又称为无氧分解。（2）三羧酸循环：丙酮酸

CO2+H2O。因为此氧化过程是经过柠檬酸等几个三元羧酸循环反应来完成，通常称为三羧酸循环或柠檬酸循环。因为分子氧是此系列反应最终受氢体，所以又称为有氧分解。生物代谢专题知识专家讲座第4页三羧酸循环在线粒体中进行（有氧条件）。所以，糖酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化前奏。假如供氧不足，NADH不进入呼吸链，而是把丙酮酸还原成乳酸。生物代谢专题知识专家讲座第5页1．糖酵解糖酵解在细胞胞液中进行（无氧条件），是葡萄糖经过酶催化作用降解成丙酮酸，并伴随生成ATP过程。它是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解共同代谢路径。生物代谢专题知识专家讲座第6页糖原磷酸化

细胞内糖原在磷酸化酶和脱枝酶催化下形成1-磷酸葡萄糖生物代谢专题知识专家讲座第7页生物代谢专题知识专家讲座第8页反应（1）催化该反应酶为磷酸己糖激酶。凡是能够催化ATP磷酰化反应酶称为激酶。激酶普通需要Mg2+或其它二价金属离子激活。

生物代谢专题知识专家讲座第9页反应（2）6-磷酸葡萄糖异构化，转变成6-磷酸果糖生物代谢专题知识专家讲座第10页反应（3）6-磷酸果糖磷与ATP反应，生成1,6-二磷酸果糖。生物代谢专题知识专家讲座第11页反应（4）在醛缩酶催化下，1,6-二磷酸果糖分解为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。

生物代谢专题知识专家讲座第12页反应（5）两个磷酸丙糖在磷酸丙糖异构酶催化下能够互变。到达平衡时，磷酸二羟丙酮占96%，3-磷酸甘油醛占4%。因为3-磷酸甘油醛能够进入第三阶段继续分解，浓度不停降低，所以磷酸二羟丙酮能够不停转变成3-磷酸甘油醛，并驱动1,6-二磷酸果糖向裂解方向进行。生物代谢专题知识专家讲座第13页反应（6）3-磷酸甘油醛在磷酸甘油醛脱氢酶催化下脱氢氧化生成1,3-二磷酸甘油酸。此反应是在NAD+和磷酸存在下进行，NAD+是脱氢反应氢受体，磷酸起分解硫酯键和形成新高能磷酸酯键作用。

生物代谢专题知识专家讲座第14页反应（7）1,3-二磷酸甘油酸与ADP作用生成3-磷酸甘油酸和ATP

生物代谢专题知识专家讲座第15页反应（8）3-磷酸甘油酸变位反应，催化这一反应酶是磷酸甘油酸变位酶，变位产物为2-磷酸甘油酸。

生物代谢专题知识专家讲座第16页反应（9）2-磷酸甘油酸烯醇化反应，此反应是烯醇化酶催化脱水反应，得到另一个高能磷酸酯类化合物，即磷酸烯醇式丙酮酸。生物代谢专题知识专家讲座第17页反应（10）在丙酮酸激酶催化下，将磷酸烯醇式丙酮酸上高能磷酰键转移到ADP上，形成ATP和烯醇式丙酮酸。此反应基本上是一个不可逆反应过程。烯醇式丙酮酸在pH7.0条件下，快速重排成丙酮酸（非酶促反应过程）。生物代谢专题知识专家讲座第18页乙醇发酵在酵母或其它微生物作用下，丙酮酸可转变成各种有机化合物，是发酵法产生乙醇、乙酸、丙酮和丁酸基本机制。称为生醇发酵。酵母中含有各种酶系，能够催化不一样反应过程。生醇发酵化学反应中，从葡萄糖到丙酮酸这一段反应与葡萄糖酵解完全相同。生成丙酮酸在酵母催化下，脱羧产生乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原成乙醇。乙醇在人体及动物体中能够氧化成乙醛，再转变成乙酰CoA进入三羧酸循环氧化。

生物代谢专题知识专家讲座第19页乳酸发酵在无氧条件下，糖酵解产生丙酮酸能够被NADH还原成乳酸。催化此反应酶为乳酸脱氢酶。在供氧不足时，人体大多数组织都能经过糖酵解路径生成乳酸

生物代谢专题知识专家讲座第20页2．三羧酸循环葡萄糖经过糖酵解产生丙酮酸，在有氧条件下，将进入三羧酸循环进行完全氧化，生成H2O和CO2，并释放出大量能量。丙酮酸有氧氧化包含两个阶段：第一阶段：丙酮酸氧化脱羧（丙酮酸

乙酰辅酶A，简写为乙酰CoA）第二阶段：三羧酸循环（乙酰CoA

H2O和CO2，释放出能量）生物代谢专题知识专家讲座第21页（1）丙酮酸氧化脱羧丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环中间步骤。此反应在真核细胞线粒体基质中进行。生物代谢专题知识专家讲座第22页丙酮酸脱氢酶系丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下，脱羧形成乙酰CoA。丙酮酸脱氢酶系是一个非常复杂多酶体系，主要包含：三种不一样酶（丙酮酸脱羧酶E1、二氢硫辛酸乙酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3），和6种辅因子（TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+）。生物代谢专题知识专家讲座第23页生物代谢专题知识专家讲座第24页（2）三羧酸循环丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoA与草酰乙酸（三羧酸循环中与乙酰CoA结合点）结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程中，乙酰CoA被氧化成H2O和CO2，并释放出大量能量。生物代谢专题知识专家讲座第25页

-酮戊二酸脱氢酶系

-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相同,即由

-酮戊二酸脱氢酶E1、琥珀酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3，以及6种辅因子,TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+组成，不过在酶结构和功效上则有些差异。生物代谢专题知识专家讲座第26页（1）柠檬酸合成酶（2）顺乌头酸酶（3）异柠檬酸脱氢酶（4）

-酮戊二酸脱氢酶系（5）琥珀酰CoA合成酶（6）琥珀酸脱氢酶（7）延胡索酸酶（8）L-苹果酸脱氢酶生物代谢专题知识专家讲座第27页3．葡萄糖分解代谢过程中能量产生葡萄糖在分解代谢过程中产生能量有两种形式：直接产生ATP；生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。糖酵解：1分子葡萄糖

2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。（2）有氧分解（丙酮酸生成乙酰CoA及三羧酸循环）产生ATP、NADH和FADH2丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸

乙酰CoA，生成1个NADH。三羧酸循环：乙酰CoA

CO2和H2O，产生一个GTP（即ATP）、3个NADH和1个FADH2。生物代谢专题知识专家讲座第28页（3）葡萄糖分解代谢过程中产生总能量糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成NADH和FADH2，进入线粒体呼吸链氧化并生成ATP。线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATP最主要路径。葡萄糖分解代谢总反应式C6H6O6+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Pi

6CO2+10NADH+10H++2FADH2+4ATP按照一个NADH能够产生3个ATP，1个FADH2能够产生2个ATP计算，1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生38个ATP：4ATP+（10

3）ATP+（2

2）ATP=38ATP生物代谢专题知识专家讲座第29页糖代谢路径生物代谢专题知识专家讲座第30页第二节、光合作用光合作用是糖合成代谢主要路径。绿色植物、光合细菌或藻类等将光能转变成化学能过程，即利用光能，由CO2和H2O合成糖类化合物并释放出氧气过程，称为光合作用。光合作用总反应式可表示以下：生物代谢专题知识专家讲座第31页一、叶绿体及光合色素叶绿体由外膜和内膜组成，内外膜之间有间隙。膜内为基质，包含有许多可溶性酶，是进行暗反应场所。基质内还分布着含有膜结构特点片层状类囊体。类囊体含有大量可进行光反应光合色素。1．叶绿体生物代谢专题知识专家讲座第32页2．叶绿素绿色植物叶绿体中接收光能主要组分是叶绿素，包含叶绿素a和叶绿素b。其它光合色素是类胡萝卜素等。光合细菌和藻类中还含有叶绿素c和藻胆色素等。叶绿素是一类含镁卟啉衍生物，带羧基侧链与一个含有20个碳植醇形成酯。叶绿素a与b之间差异在于吡咯环上一个基团不一样。生物代谢专题知识专家讲座第33页光吸收叶绿素不溶于水，能溶于有机溶剂。叶绿素分子是一个大共轭体系，在可见光区有很强吸收。不一样叶绿素分子，它们特征吸收也不相同：叶绿素a为680nm,叶绿素b为460nm。生物代谢专题知识专家讲座第34页3．类胡萝卜素类胡萝卜素包含胡萝卜素和叶黄素等。胡萝卜素是一个含有11个共轭双键化合物，有多个异构体，常见是

-胡萝卜素。叶黄素是

-胡萝卜素衍生二元醇。生物代谢专题知识专家讲座第35页藻胆色素在藻青蛋白和藻红蛋白分子中含有藻胆色素。生物代谢专题知识专家讲座第36页二,光合作用机制绿色植物光合作用由光反应和暗反应组成。光反应是光能转变成化学能反应,即植物叶绿素吸收光能进行光化学反应，使水分子活化分裂出O2、H+和释放出电子，并产生NADPH和ATP。即光合磷酸化反应和水光氧化反应。暗反应为酶促反应，由光反应产生NADPH在ATP供给能量情况下，使CO2还原成简单糖类反应。即二氧化碳固定和还原反应。生物代谢专题知识专家讲座第37页1．光反应光反应过程使由叶绿素两种光合系统，即光系统I(PSI)和光系统II(PSII)共同完成。PSI和PSII又被称为光反应中心。全部放氧光合细胞中，叶绿体类囊体膜中都包含有PSI和PSII。（1）光反应系统生物代谢专题知识专家讲座第38页光反应中心生物代谢专题知识专家讲座第39页生物代谢专题知识专家讲座第40页生物代谢专题知识专家讲座第41页

光系统II(PSII)PSII有一个能够捕捉光能复合体,是由大约200个叶绿素分子、50个类胡萝卜素分子以及12条多肽链等组成跨膜复合物。光能首先被该系统色素分子所吸收，所以常称为天线色素。生物代谢专题知识专家讲座第42页反应中心含有50个叶绿素a，以及质体醌等电子供体和受体。由天线色素吸收光能以激发能形式转移入反应中心，并产生一个强氧化剂和一个弱还原剂。因为反应中心在波长680nm处有最大吸收，又称为P680(P指色素，680是最大吸收波长nm)。生物代谢专题知识专家讲座第43页产生氧复合体含有能促进水裂解蛋白（含有Mn2+离子）等。反应中心产生强氧化剂在水裂解酶摧化下，将水裂解成氧和电子。这高能电子是推进暗反应动力。生物代谢专题知识专家讲座第44页生物代谢专题知识专家讲座第45页

光系统I(PSI)PSI是一个跨膜复合物，由13条多肽链及200个叶绿素、50个类胡萝卜素以及细胞色素f、质体蓝素（简写为PC）和铁氧还蛋白（简写为FD）等组成。PSI反应中心含有130个叶绿素a，它最大吸收波长为700nm，所以又称为P700。生物代谢专题知识专家讲座第46页PSI在波长为700nm光照下被激活，产生一个强还原剂和一个弱氧化剂。强还原剂在铁氧还蛋白作用下，生成NADPH，是暗反应主要还原剂。PSI产生弱氧化剂和PSII产生弱还原剂作用与合成ATP。生物代谢专题知识专家讲座第47页生物代谢专题知识专家讲座第48页（2）光合链光反应中心色素分子P吸收一个光子，即形成激发态P*。激发态P*电子含有很高能量，是良好电子供体，所以P*是一个强还原剂。而失去了电子P+，则是一个好电子受体，是一个强氧化剂。从P*释放出来高能电子将沿着类囊体膜中电子传递链传递。这一个过程相当复杂，包括两个光反应系统。光合链反应过程可分为两个阶段。生物代谢专题知识专家讲座第49页生物代谢专题知识专家讲座第50页(3)光合磷酸化经过光激发造成电子传递与磷酸化作用相偶联合成ATP过程，称为光合磷酸化。按照光合链电子传递方式，光合磷酸化能够分为两种形式。生物代谢专题知识专家讲座第51页非环式光合磷酸化在光照条件下，水分子光裂解产生电子，经P680将电子传递到NADP+，电子流动经过两个光系统，两次被激发成高能电子。电子传递过程中产生质子梯度，驱动ATP合成，并生成NADPH。生物代谢专题知识专家讲座第52页环式光合磷酸化PSI作用中心P700受光激发释放出高能电子,在传递到铁氧还蛋白后，不再继续向NADP+传递，而是将电子传回给细胞色素bf复合物。然后细胞色素bf又将电子经过质体蓝素传递给P700。电子在此循环流动过程中，产生质子梯度，从而驱动ATP合成。所以这种形式光合磷酸化称为环式光合磷酸化。环式光合磷酸化只包括PSI，而且只生成ATP而无NADPH生成。这是当植物体内需要ATP时选择电子传递形式。生物代谢专题知识专家讲座第53页2．暗反应

暗反应是指由光反应产生NADPH在ATP供给能量情况下，将CO2还原成糖反应过程。这是一个酶催化反应过程，不需要光参加，所以称为暗反应。大多数植物暗反应中，还原CO2第一个产物是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），所以这种路径称为C3路径。有些植物，如甘蔗和玉米等高产作物，其暗反应还原CO2产物是四碳化合物（草酰乙酸等），所以称为C4路径。生物代谢专题知识专家讲座第54页C3路径C3路径反应以循环形式进行，又称为三碳循环。以三碳循环进行合成代谢植物被称为三碳植物。因为三碳循环是M.Calvin首先提出来，所以也称为Calvin循环。C3路径可分为以下几个阶段生物代谢专题知识专家讲座第55页生物代谢专题知识专家讲座第56页生物代谢专题知识专家讲座第57页能量消耗上述全部反应组成了一个循环.每一个循环，1分子二磷酸核酮糖固定1分子CO2，生成1/6分子6-磷酸果糖，其中5/6分子6-磷酸果糖参加再循环，1/6分子6-磷酸果糖则转变成葡萄糖。从CO2固定到生成一分子葡萄糖共需6个循环，总反应式是：6CO2+12H++18ATP+12NADPH+12H2O

C6H12O6+18ADP+12NADP++6H+

G

’=476.8kJ/mol上式表明，在三碳循环中，每还原1分子CO2需要消耗3分子ATP和2分子NADPH。生物代谢专题知识专家讲座第58页第三节、脂类代谢脂类主要包含甘油三酯（脂肪）、磷脂和类固醇等。脂类代谢是指在生物细胞内上述各类物质生物合成和分解过程。脂类代谢对于生命活动含有主要意义。（1）脂肪在动物体内和植物种子及果实中大量存放。脂肪在氧化时能够比其它能源物质提供更多能量。每克脂肪氧化时可释放出38.9kJ能量，每克糖和蛋白质氧化时释放能量仅分别为17.2kJ和23.4kJ。（2）许多类脂及其衍生物含有主要生理作用。脂类代谢中间产物是合成激素、胆酸和维生素等基本原料，对维持机体正常活动有主要影响作用。（3）人类一些疾病如动脉粥样硬化、脂肪肝和酮尿症等都与脂类代谢紊乱相关。生物代谢专题知识专家讲座第59页一、脂肪分解代谢脂肪在脂肪酶催化下水解成甘油和脂肪酸，它们在生物体内将沿着不一样路径进行代谢。胰脂肪酶是一个非专一性水解酶，对脂肪酸碳链长短及饱和度专一性不严格。但该酶含有很好位置选择性，即易于水解甘油酯1位及3位酯键，主要产物为甘油单酯和脂肪酸。甘油单酯则被另一个甘油单酯脂肪酶水解，得到甘油脂肪酸。生物代谢专题知识专家讲座第60页1．甘油代谢甘油经血液输送到肝脏后，在ATP存在下，由甘油激酶催化，转变成

-磷酸甘油。这是一个不可逆反应过程。

-磷酸甘油在脱氢酶（含辅酶NAD+）作用下，脱氢形成磷酸二羟丙酮。磷酸二羟丙酮是糖酵解路径一个中间产物，它能够沿着糖酵解路径逆过程合成葡萄糖及糖原；也能够沿着糖酵解正常路径形成丙酮酸，再进入三羧酸循环被完全氧化。生物代谢专题知识专家讲座第61页2．脂肪酸分解代谢脂肪酸

-氧化作用是指脂肪酸在氧化分解时，碳链断裂发生在脂肪酸

-位，即脂肪酸碳链断裂方式是每次切除2个碳原子。脂肪酸

-氧化是含偶数碳原子或奇数碳原子饱和脂肪酸主要分解方式。脂肪酸

-氧化在线粒体中进行，脂肪酸

-氧化生物代谢专题知识专家讲座第62页

脂肪酸活化脂肪酸进入细胞后，首先在线粒体外或胞浆中被活化，形成脂酰CoA，然后进入线粒体进行氧化。在脂酰CoA合成酶催化下，由ATP提供能量，将脂肪酸转变成脂酰CoA：生物代谢专题知识专家讲座第63页

脂酰CoA

转运入线粒体脂酰CoA需要借助一个特殊载体肉毒碱(3-羟基-4-三甲氨基丁酸)才能转运到线粒体内。脂酰CoA在肉毒碱脂酰转移酶催化下，与肉毒碱反应，生长脂酰肉毒碱，然后经过线粒体内膜。脂酰肉毒碱在线粒体内膜移位酶帮助下穿过内膜，并与线粒体基质中CoA作用，重新生成脂酰CoA,释放出肉毒碱。肉毒碱再在移位酶帮助下，回到线粒体外细胞质中。生物代谢专题知识专家讲座第64页

-氧化反应过程脂酰CoA在线粒体基质中进行氧化分解。每进行一次

-氧化，需要经过脱氢、水化、再脱氢和硫解四步反应，同时释放出1分子乙酰CoA。反应产物是比原来脂酰CoA降低了2个碳新脂酰CoA。如此重复进行，直至脂酰CoA全部变成乙酰CoA。生物代谢专题知识专家讲座第65页生物代谢专题知识专家讲座第66页脱氢脂酰CoA在脂酰CoA脱氢酶催化下，在

-和

-碳原子上各脱去一个氢原子，生成反式

,

-烯脂酰CoA，氢受体是FAD。生物代谢专题知识专家讲座第67页水化在烯脂酰CoA水合酶催化下，

,

-烯脂酰CoA水化，生成L(+)-

-羟脂酰CoA。生物代谢专题知识专家讲座第68页再脱氢

-羟脂酰CoA在脱氢酶催化下，脱氢生成

-酮脂酰CoA。反应氢受体为NAD+。此脱氢酶含有立体专一性，只催化L(+)-

-羟