第三章 代谢作用与发酵课件

第三章代谢作用与发酵第三章代谢作用与发酵

第一节概述

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。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，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份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，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行第三章代谢作用与发酵第三章代谢作用与发酵新陈代谢的概念及内涵

小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量

释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子物质代谢能量代谢新陈代谢信息交换第三章代谢作用与发酵代谢过程包括物质的吸收、消化、中间代谢和排泄等过程。中间代谢一般是指在细胞中的合成与分解过程，是代谢活动的主体，在生物工业中，许多有价值的化工产品就来自中间代谢的代谢产物。如：木糖醇、乳酸等等第三章代谢作用与发酵

生物体内各种复杂的合成与分解作用，对外体现为各种生理现象：呼吸作用主要是糖类物质在氧参与下进行分解并释放能量生长主要是核酸、蛋白质等物质合成的结果运动时肌肉收缩使得化学能（ATP）转变为动能；而肌肉酸痛则是乳酸作用的结果光合作用则使光能转变为化学能第三章代谢作用与发酵生物体内的物质代谢与能量代谢是密不可分的：细胞从环境中获得小分子氨基酸，在体内合成大分子蛋白质———吸收能量的物质代谢。大分子糖原在体内分解成小分子葡萄糖，最后分解成二氧化碳和水——释放能量的物质代谢。第三章代谢作用与发酵生物界能量传递及转化总过程太阳电子传递合成分解电子传递光合作用呼吸作用生命现象自养细胞异养细胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（电能）（化学能）（化学能）（电能）（化学能）生物合成机械功主动运输生物发光生物发电生物发热第三章代谢作用与发酵在新陈代谢的过程中，发生大量的化学反应，而所有的这些代谢反应都是在酶的催化作用下进行的。酶的高度专一性和强大的催化功能保证了新陈代谢能够高速度、有条不紊的进行。参与新陈代谢的各种化学反应之间是互相依赖、协同作用并互相制约的组成一条条代谢途径，再组合成庞大复杂的代谢网络。第三章代谢作用与发酵新陈代谢的调节

分子水平

细胞水平

整体水平

生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。代谢调节可分为三个不同水平：第三章代谢作用与发酵第二节生物的能量代谢自然界能量代谢的方式：自养型生物利用太阳光，以简单成分合成糖等有机物质，而后自养型生物和异养型生物分解有机物质，从中摄取能量以从事各种生命活动第三章代谢作用与发酵一、能量代谢的热力学原理1、自由能（freeenergy）：化学反应将会沿着从反应能力高的物质向反应能力低的方向进行。物质的这种反应能力称为自由能，用G表示。与温度差ΔT，压力差Δp类似，自由能差ΔG则是化学反应的推动力，是产物的总自由能与反应物总自由能的差。第三章代谢作用与发酵ΔG=∑G产物-∑G反应物化学反应总是向着自由能降低的方向进行的第三章代谢作用与发酵化学反应的自由能变化的基本公式ΔＧ=ΔH-TΔSΔH——体系焓的变化KJ/molΔS——体系熵的变化KJ/mol

自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：

ΔG<0，反应能自发进行

ΔG>0，反应不能自发进行，必须从外界输入能量

ΔG=0，反应处于平衡状态第三章代谢作用与发酵讨论：A、自由能G是状态函数，ΔＧ取决于体系的始态与终态，与反应途径无关。如葡萄糖，无论是通过生化途径还是被燃烧氧化为二氧化碳和水，只要始态与终态相同，ΔＧ值就相同。B、ΔＧ是热力学函数，与反应速度无关，负的ΔＧ值只表明某一转变可以自发进行，即在热力学上是可行的，反应速度的快慢与此无关。第三章代谢作用与发酵自由能的概念的意义自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。第三章代谢作用与发酵2、偶联化学反应ΔG变化的可加性反应体系的总自由能差等于体系中各单独反应自由能差的代数和，也就是说，一个在热力学上不能（自发）进行的反应（ΔG＞0），可以被另一个热力学上可以进行的反应（ΔG＜0）所驱动，前提是它们自由能差的代数和小于0。如葡萄糖的水解作用第三章代谢作用与发酵

即在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：

A=B+CΔG°′=+20.92KJ/mol

B=DΔG°′=-33.47KJ/mol

则A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol

该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。第三章代谢作用与发酵二、生物体内的能量传递媒介在细胞中，通常情况下分解代谢释放的能量并不能直接被合成代谢所利用，而是要通过一些能量传递物质来传递能量。传递物在细胞内起着能量转运站的作用，既可传递能量，又能暂时贮存能量主要物质有：腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）

乙酰辅酶A、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）NAD、NADP

等第三章代谢作用与发酵1、腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）：

生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（>21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。ATP是最重要的高能化合物。每个高能磷酸键水解可以产生30.5千焦/摩尔的能量。第三章代谢作用与发酵腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）是生命体系中重要的能量储存物质，被称为能量货币单位，ATP是由腺嘌呤、核糖和三个磷酸基构成，其中第二个和第三个磷酸基上的磷酸键时高能键（~），不稳定易被水解，从ATP上水解下来的磷酸基是一种能量穿梭基团，对驱动吸能反应起决定作用。第三章代谢作用与发酵第三章代谢作用与发酵生命体内的能量存储在化学键中，如糖类、脂肪和蛋白质中，但在生命活动过程中直接使用的能量是ATP，它通过磷酸化作用将储存在高能磷酸键中的能量释放出来，驱动相应的化学反应，产生各种生命活动，如肌肉的收缩，DNA的复制等。ATP的产生在细胞内主要通过细胞呼吸实现。第三章代谢作用与发酵ATP在能量转运中地位和作用

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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-磷酸甘油第三章代谢作用与发酵人体内ATP的简述：

10g葡萄糖（一小汤匙）含有40千卡,可以完成15分钟的快速跑步。一个ATP分子所含有的化学能大约只有一个葡萄糖分子的1%。葡萄糖中大约40-50%的能量被转化储存在ATP中。一个人每天大约需要消耗45KgATP，但每一时刻贮存在人体里的ATP不到1g。即每个细胞每秒钟大约可形成一千万个ATP，同时有同样量的ATP被水解，每摩尔ATP水解形成ADP，可产生30.5KJ/mol的能量。一个成年人每天摄入的食物分子经过细胞呼吸形成的ATP可提供大约9200KJ的能量。第三章代谢作用与发酵①每克碳水化合物（即糖）：能提供能量16.7千焦。

②每克脂肪：能提供能量37千焦。

③每克蛋白质：能提供能量16.7千焦。

成年男子（体重60公斤计）：每天需要10000~16700千焦。

成年女子（体重53公斤计）：每天需要9200~13380千焦。

第三章代谢作用与发酵2、能量的转移效率生物体内能量转移的效率不是100%，方能反应放出的能量，一部分暂时贮存在ATP中，备用；另一部分则以热能的形式散失，而热能除了维持体温外不能用来做任何生物功。葡萄糖在细胞内彻底氧化后，热能散失的能量约为60%，只有约40%的能量贮存在ATP中。第三章代谢作用与发酵生物系统中的能流第三章代谢作用与发酵3、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）：氢载体是一种辅酶，叫还原型辅酶，学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸），亦写作[H]。在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用，具有重要的意义。

NAD+和NADP+：即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，辅酶Ⅰ）和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP+，辅酶Ⅱ，是NADPH的氧化形式）。

NAD+和NADP+主要作为脱氢酶的辅酶，在酶促反应中起递氢体的作用，为单递氢体。

第三章代谢作用与发酵NADPH通常作为生物合成的还原剂，并不能直接进入呼吸链接受氧化。只是在特殊的酶的作用下，NADPH上的H被转移到NAD+上，然后由NADH进入呼吸链。

NAD++H++2e-=NADH

NADP++H++2e-=NADPH

第三章代谢作用与发酵从能量角度来说，一个NAD或NADP分子相当于三个ATP分子，因为它们所接受的电子和质子再经呼吸链传递给氧生成水时，可以产生3个ATP分子。第三章代谢作用与发酵糖类是生物界最重要的化合物之一，为生物体提供碳源和能源。糖类化合物由C（碳），H（氢），O（氧）三种元素组成，分子中H和O的比例通常为2：1，与水分子中的比例一样，故称为碳水化合物。可用通式Cm（H2O）n表示。因此，曾把这类化合物称为碳水化合物。第三节糖类化学第三章代谢作用与发酵但是后来发现有些化合物按其构造和性质应属于糖类化合物，可是它们的组成并不符合Cm（H2O）n通式，如鼠李糖（C6H12O5）、脱氧核糖（C5H10O4）等；而有些化合物如乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3）等，其组成虽符合通式Cm（H2O）n，但结构与性质却与糖类化合物完全不同。所以，碳水化合物这个名称并不确切，但因使用已久，迄今仍在沿用

第三章代谢作用与发酵糖类在自然界中，尤其植物中的含糖量最为丰富。按糖类的结构特点把糖分为四类：单糖、寡糖、多糖和复合糖。第三章代谢作用与发酵一、单糖单糖是构成各种糖分子的基本单位，不能再水解为更简单的糖。重要的单糖：丙糖：甘油醛，二羟丙酮戊糖：核糖，脱氧核糖己糖：葡萄糖、果糖第三章代谢作用与发酵1、几个基本概念（1）立体异构(须用立体模型、透视式或投影式区分):(具有相同的结构式,但原子在空间的分布不同)几何异构：由于分子中双键或环的存在(顺反异构)或其它因素限制原子间的自由旋转引起，一般无旋光性旋光异构：分子中存在手性而引起，常见是不对称C，一般具有旋光性第三章代谢作用与发酵（2）旋光性：能使平面偏振光的振动平面发生旋转的能力称旋光性，或叫光学活性、旋光度。使偏振光平面发生顺时针方向偏转者称右旋用(+)表示，反之称左旋用（-）表示。（3）不对称碳原子指与四个不同的原子或原子基团共价连接并失去对称性的四面体碳，也称手性碳原子、手性中心。一般这样表示：C*

分子的手性是产生旋光性的原因。旋光性与D-或L-构型没有必然联系。第三章代谢作用与发酵（4）对映异构体：

具有相同的基团，但分子中各基团在空间排列方式不同，犹如实物与镜像关系，彼此互称为对映异构体。对映异构体就是两个分子式完全相同，结构也相似的旋光异构体所有的手性碳原子的构型完全相反的一对异构体不符合上述条件的两个分子式完全相同，结构也相似的旋光异构体就称为非对映异构体

：

第三章代谢作用与发酵2、最简单的单糖——甘油醛分子式HOCH2CHOHCHO。为最简单的醛糖，分子中含有一个手性碳原子，2—碳是不对称碳原子，可以形成互为镜像的不能重叠的异构体，互为对映异构体：D-甘油醛和L-甘油醛。它是决定糖类化合物构型是D型和L型的参考标准。

书写D型结构式时把羟基放在右边，L型的羟基放在左边。第三章代谢作用与发酵第三章代谢作用与发酵结构式表示的几种方法：1棒球模型或立体模型2透视式第三章代谢作用与发酵任何一种化合物，只要分子中有不对称碳原子，它就具有旋光性（手性），也就是当平面偏振光通过手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋转了一个角度。这种能使偏振面旋转的性能称为旋光性(opticalactivity）任何一种化合物，只要能用适当的化学方法证明（这是一项相当细致的工作）它具有与L甘油醛类似的结构，那么，不管它对偏振光的作用是左旋的还是右旋的，都被认为属于L系列，并在它的名称前冠以L。第三章代谢作用与发酵所有的单糖都有不对称碳原子，因而都有旋光性说来也巧，活机体中几乎所有的化合物都含有不对称的碳原子。而且，活机体总是只利用化合物的两种镜像形态中的一种。另外，类似的化合物一般属于同一种系列。例如，在活组织中发现的所有单糖实际上都属于D系列，而所有的氨基酸（组成蛋白质的基本单位）属于L系列。

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D系醛糖的立体结构D(+)-阿洛糖D(+)-阿桌糖D(+)-葡萄糖D(+)-甘露糖D(+)-古洛糖D(-)-艾杜糖D(+)-半乳糖D(+)-塔罗糖(allose)(altrose)(glucose)(mannose)(gulose)(idose)(galactose)(talose)D(-)-赤鲜糖(erythrose)D(-)-苏糖(threose)D(+)-甘油醛(allose)D(-)-核糖(ribose)D(-)-阿拉伯糖(arabinose)D(+)-木糖(xylose)D(-)-米苏糖(lysose)第三章代谢作用与发酵3、最重要的单糖——葡萄糖葡萄糖作为最重要的单糖，是许多种多糖的组成成分。分子式为C6H12O6其结构如下：自然界的葡萄糖都是D型结构第三章代谢作用与发酵L-葡萄糖D-葡萄糖C5与D-甘油醛构型相同的为D-葡萄糖；反之为L-葡萄糖。

（1）以甘油醛的构型为基准，将糖链编号最大的手性碳C5的构型与其比较，确定糖的构型。L-甘油醛D-甘油醛第三章代谢作用与发酵（2）葡萄糖的环状结构许多单糖分子可以形成环状结构式，各个不对称碳原子上的-OH基，依照在链状结构式中的左右位置，分别画在环平面的上方或下方。实际上，糖环上的5个碳原子和1个氧原子并不在一个平面上。

在形成环状结构时，原来链状分子中的醛基或酮基与分子内另一个碳原子（就葡萄糖或果糖来讲，是第5碳原子）上的羟基缩合，成为半缩醛。原来不是不对称碳原子的醛基的碳原子，现在成了不对称碳原子，这样，因半缩醛羟基的空间构型不同，又可以形成两种同分异构体α和β。第三章代谢作用与发酵

D-葡萄糖由Fischer式改写为Haworth式的步骤

转折旋转成环成环-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖第三章代谢作用与发酵判断糖的构型原则

在直链中以C5的羟基为判断标准。在环状结构中，C5的羟基参与成环，此时以C5上的羟甲基为判断标准：若其在环上则为D-构型，在环下的为L-构型。判断α-或β-构象的原则D-构型糖中，半缩醛羟基在环上的为β-型，半缩醛羟基在环下的为α-型。α-D-吡喃葡萄糖(α-D-glucopyranose)123456第三章代谢作用与发酵

4、其他重要的单糖-D-吡喃木糖-D-呋喃核糖2-脱氧-D-呋喃核糖-D-芹菜糖-L-呋喃阿拉伯糖-D-呋喃阿拉伯糖D-核酮糖D-木酮糖第三章代谢作用与发酵5、单糖的性质单糖分子内的醛基或酮基易被氧化，因此单糖都具有还原性，这一性质往往被用作定性或定量测定单糖的依据。凡可以被氧化或还原，或被别的基团取代，因而生成糖的衍生物，一般仍归入为糖类物质，如，D-葡萄糖醛酸（a），N-乙酰-D-氨基半乳糖（b），唾液酸（这是一族化合物的总称，c所示为其中一个成员，N-乙酰-D-神经氨酸）第三章代谢作用与发酵第三章代谢作用与发酵二、寡糖由2~10个单糖组成的聚糖称为寡糖。

糖的半缩醛羟基被另一个基团所取代，从而生成的新的化合物，统称为糖苷。所以，一个典型的糖苷，是由糖基和糖苷配基通过糖苷键相联而组成。两个单糖通过糖苷键连接形成双糖重要的寡糖有：蔗糖（非还原糖）、麦芽糖、乳糖、纤维二糖、海藻糖、棉子糖等

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重要的二糖蔗糖D-麦芽糖（

-型）乳糖（-型）纤维二糖（

-型）第三章代谢作用与发酵糖苷的作用

天然糖苷中的糖苷配基有醇类、醛类、固醇和嘌呤等。很多糖苷来源于植物，它们大多数具有毒性，其中一部份可作为药物。例如：皂角苷能引起溶血，毛地黄苷有强心剂作用，根皮苷能使葡萄糖随尿排出，还有苦杏仁苷等。

第三章代谢作用与发酵三、多糖由多个单糖分子缩合而成的多聚糖。多糖在酸或酶的催化下，可以水解成组成它们的小分子寡糖和单糖。完全水解后，产物中只含一种单糖分子的多糖称均质多糖，产物中含多种单糖分子的多糖称非均质多糖。寡糖或多糖分子，有直链的，也有分枝的。

第三章代谢作用与发酵均质多糖：淀粉、糖原、纤维素等。非均质多糖：果胶、透明质酸、黄原胶等第三章代谢作用与发酵1、多糖的来源（1）植物多糖：自然界的糖类物质主要由绿色植物通过光合作用合成。估计地球每年由植物光合作用生成的纤维素和淀粉总数达4×1011吨

（2）动物多糖（3）微生物多糖：微生物利用现成的碳水化合物进行二次代谢，在细胞内合成，分泌到细胞外的多糖产物。第三章代谢作用与发酵2、多糖的应用

微生物多糖，以其安全、无毒、理化性质优良生产周期短等特点，越来越受到人们特别是食品家们的关注。近几年，世界上微生物多糖的产量年增长率在10%以上。近五年来结冷胶