医学教程 第04章细胞代谢

第四章细胞代谢代谢：生物体所进行的全部物质和能的变化的总称新陈代谢是最基本的生命活动，是生物的重要特征细胞是进行新陈代谢的基本单位细胞代谢细胞通过代谢，从环境中取得能和各种必需的物质，维持自身高度复杂的有序结构，并保证细胞生长、发育和分裂等活动的正常进行重点：细胞呼吸和光合作用生物所利用的能量，都直接或间接地来自太阳光

光合作用：直接利用太阳光的过程

细胞呼吸：间接利用太阳光的过程细胞代谢能是作功的本领生物体内作的功多种多样：物质流动、肌肉收缩、生物体各部分乃至整个生物体的运动、细胞内各式各样物质的合成等作功都要消耗能量，没有能，生物就不可能存活能：动能和势能能与细胞

动能：两腿运动、鸟扇动双翅

势能：细胞中的分子，由于其中原子的排列而具有势能，称为化学能，是生物体内最重要的能量形式热力学定律能量可以从一种形式转变为另一种形式，生命活动依赖于能量的转变生物体是开放体系，不断与环境之间进行物质和能量的交换热力学定律：

宇宙中的总能量不变

能量转变导致宇宙的无序性（熵）增加能与细胞热力学定律细胞利用有序性低的原料制造高度有序的结构，一个生长中的细胞或生物体是一个熵值不断减少的独立王国，生存于熵值不断增加的宇宙之中能与细胞生物体中能的转换能与细胞能的转换发生部位化学能转换为渗透能肾化学能转换为机械能肌细胞、纤毛上皮细胞化学能转换为辐射能萤火虫发光器官化学能转换为电能神经、脑、味觉感受器光能转换为化学能叶绿体声能转换为电能内耳光能转换为电能视网膜吸能反应和放能反应化学反应可分为吸能反应和放能反应两类吸能反应：反应产物分子中的势能比反应物分子中的势能多

光合作用是生物界最重要的吸能反应放能反应：产物分子中的化学能少于反应物分子中的化学能

细胞呼吸产生能量，但大部分以ATP的形式贮藏，供细胞各种活动所需能与细胞ATP是细胞中的能量通货ATP：三磷酸腺苷能与细胞ATP戊糖含氮碱基——腺嘌呤3个磷酸根ATPADP+Pi+能ATP是细胞中的能量通货ATP循环：通过ATP的合成和水解使放能反应释放的能量用于吸能反应的过程能与细胞酶（enzyme）：生物催化剂，加速生物体内化学反应的进行在非细胞条件下酶也能发挥作用酶能降低反应所需的活化能，所以能加速化学反应的进行酶酶促反应的特点催化效率高，提高化学反应速度106-1012倍，且没有副反应高度特异性或专一性（specificity）高度不稳定性：酶的化学本质是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活；故要保持酶活性，避免能使蛋白质变性的因素酶促反应的可调节性：酶是生物催化剂，与体内其它代谢物一样，其自身也要不断进行新陈代谢，通过改变酶的合成和降解速度可调节酶含量酶酶促反应的作用机制酶-底物复合物学说：诱导契合学说：当底物与酶接近时，底物分子可以诱导酶活性中心的构象以生改变，使之成为能与底物分子密切结合的构象

酶的活性部位（activesite）：酶分子表面的小凹或沟状部分，它的精确结构决定酶的特异性酶多种因素影响酶的活性酶的活性受多种环境因素的影响

温度：最适温度下（35-40ºC）酶的活性最高

pH和盐的浓度影响酶活性：最适pH

6-8

许多种酶的正常活动需非蛋白辅因子（cofactor）的参与

无机物：金属离子Zn2+，K+，Mg2+

有机物（辅酶coenzyme）：维生素酶VitaminB6——转氨酶的辅酶多种因素影响酶的活性酶的活性受多种环境因素的影响

酶的抑制剂（inhibitor）影响酶活性

抑制剂的作用是停止酶的作用或使之减慢

竞争性抑制剂（competitiveinhibitor）

与底物的分子构象相似

与底物竞争酶的活性部位，使酶不能与底物结合，降低酶活性

酶多种因素影响酶的活性酶的活性受多种环境因素的影响

酶的抑制剂（inhibitor）影响酶活性

抑制剂的作用是停止酶的作用或使之减慢

非竞争性抑制剂（noncompetitiveinhibitor）

结构与底物不同

与酶的其它部位结合，引起酶分子构象变化，从而使活性部位不再与底物结合，抑制酶活性

酶多种因素影响酶的活性抑制剂的作用可能是可逆的，也可能是不可逆的

竞争性抑制剂的作用都是可逆的

不可逆抑制剂：与酶分子结合，使之永久失活，甚至使酶分子受到破坏

酶抑制剂的应用：

杀虫剂：有机磷杀虫剂抑制乙酰胆碱脂酶

抗生素：青霉素抑制细菌细胞壁合成的转肽酶、羧肽酶、内肽酶酶核酶（ribozyme）RNA也是生物催化剂

1967，C.Woese、F.Crick和L.Orgel根据RNA能够形成复杂的二级结构推测RNA可能具有催化活性

1980s，ThomasCech发现四膜虫的RNA剪接且剪接时并无蛋白质参与，而SidneyAltman发现了细菌的RNaseP复合体（一种剪接RNA的核酶），二人因此获得1989NobelPrizeinChemistry

酶锤头状核酶RNasePThomasCechSidneyAltman核酶（ribozyme）核酶的功能

催化分子内反应：

RNA的一段在分子内变换位置，RNA既是底物又是催化剂

催化分子间反应：

RNA分子本身在反应前后没有变化核酸和蛋白质在进化上谁先出现？酶细胞这一开放系统必须与周围环境发生信息、物质、能量交换，才能完成特定的生理功能，保证其高度有序性然而，细胞膜的选择透性防止了细胞内外物质自由进出细胞，保证了细胞内环境相对稳定，使各种生化反应能有序运行

膜的选择透性决定于脂双层的亲脂性和膜转运蛋白的专一性物质出入细胞穿过细胞膜的方式主要有：

被动转运（单纯扩散和易化扩散）、主动转运、

胞吞作用和胞吐作用物质的跨膜转运被动转运：单纯扩散和易化扩散被动转运是物质的跨膜扩散（diffusion，物质分子从相对高浓度的区域移动到低浓度的区域）分子的跨膜扩散速度不仅取决于分子的浓度梯度，还与分子的大小、疏水性和电性有关分类：

单纯扩散和易化扩散物质的跨膜转运被动转运：单纯扩散和易化扩散单纯扩散（simplediffusion）：即自由扩散特点：沿浓度梯度扩散、不需要提供能量、没有膜蛋白的协助

扩散速率随浓度梯度的增加而等比提高以单纯扩散透过的物质：

非极性的小分子，如O2、CO2、N2；

不带电荷的极性小分子，如尿素、甘油等物质的跨膜转运被动转运：单纯扩散和易化扩散易化扩散（facilitateddiffusion）：也称协助扩散

特点：沿浓度梯度扩散、不需要提供能量

但需特异性转运膜蛋白协助

比自由扩散转运速率高、存在最大转运速率物质的跨膜转运被动转运：单纯扩散和易化扩散易化扩散（facilitateddiffusion）

转运膜蛋白：分为载体蛋白（通透酶）和通道蛋白两类

物质的跨膜转运水的被动转运——渗透（osmosis）溶液有一个重要性质：凡是溶液都有渗透势渗透势即溶液中水的化学势（水势）渗透势取决于溶质颗粒数目的多少，而与溶质的特性无关水会从低渗溶液进入高渗溶液，直至渗透势平衡人的体液的渗透势与0.9%的生理盐水相当水的渗透是通过水通道蛋白（aquaporin）进行跨膜易化扩散（2003NobelPrizeinChemistry）物质的跨膜转运水的被动转运——渗透（osmosis）在低渗、等渗和高渗溶液中的细胞生活在高渗或低渗环境的生物有渗透调节机制物质的跨膜转运主动转运（activetransport）细胞逆浓度梯度或电化学梯度运输物质

电化学梯度：浓度梯度和电位梯度的总称特点：逆浓度梯度运输、需要能量、需要载体蛋白物质的跨膜转运主动转运（activetransport）钠钾泵：Na+-K+ATP酶

动物细胞内的Na+浓度低而K+浓度高

钠钾泵是由2个大亚基和2个小亚基组成的4聚体物质的跨膜转运钠钾泵通过磷酸化和去磷酸化作用发生构象的变化，导致与Na+、K+的亲和力发生变化，从而泵出Na+、泵入K+主动转运（activetransport）质子泵、Ca2+泵

钠钾泵、质子泵、Ca2+泵又都是生电泵物质的跨膜转运主动转运（activetransport）协同运输（继发性主动转运）

靠间接提供能量完成的主动运输

物质运输的能量来自膜两侧离子的电化学浓度梯度，而维持这种电化学势的是钠钾泵或质子泵

根据物质运输方向与离子沿浓度梯度的转移方向，可分为：同向协同（symport）与反向协同（antiport）物质的跨膜转运主动转运（activetransport）协同运输（继发性主动转运）

同向协同：植物的H+-蔗糖和小肠上皮细胞的Na+-葡萄糖转运

反向协同：动物的Na+-H+运输调节细胞pH值物质的跨膜转运总结物质的跨膜转运离子载体：非自然状态下存在的运输蛋白，大多是抗生素，通过提高膜的通透性而杀死细胞单纯扩散：非极性分子，顺浓度梯度易化扩散：顺电化学梯度离子通道：顺电化学梯度，可能是配体门控或离子门控原发性主动转运：逆电化学梯度继发性主动转运：逆电化学梯度，由离子的顺电化学梯度的转运驱动胞吞作用与胞吐作用真核细胞通过胞吞作用（endocytosis）和胞吐作用（exocytosis）完成大分子、颗粒性物质等的跨膜运输在转运过程中，质膜内陷，形成包围细胞外物质的囊泡，因此又称膜泡运输胞吐时，膜并不被排出，而是

与质膜融合，因此质膜是循环

使用的细胞的内吞和外排活动总称为吞排作用（cytosis）物质的跨膜转运胞吞作用与胞吐作用胞吞作用：分为吞噬、胞饮和受体介导的胞吞

吞噬（phagocytosis）：细胞吞噬固体颗粒的作用，如巨噬细胞

胞饮（pinocytosis）：细胞吞入液体的过程，没有专一性

受体介导的胞吞：非常专一

受体蛋白包埋在膜中的有被小窝处，其专一部位与胞外配体结合

能够使细胞获得大量专一的物质，即使其胞外浓度不高物质的跨膜转运胞吞作用与胞吐作用胞吞作用：分为吞噬、胞饮和受体介导的胞吞

受体介导的胞吞：非常专一

如：人细胞对胆固醇的吸收（高胆固醇血症：LDL受体蛋白缺陷）物质的跨膜转运胞吞作用与胞吐作用胞吐作用：细胞从细胞表面排出渣滓和细胞分泌物的过程

如：神经递质的释放、胰岛素的分泌、植物细胞壁的制造物质的跨膜转运引论细胞呼吸：细胞在有氧条件下从食物分子（主要是葡萄糖）中取得能量的过程

细胞呼吸在常温下进行，产生的能量相当一部分贮存在ATP中

细胞呼吸与气体交换密切相关

细胞总在不停地呼吸，这是一种有控制的氧化还原作用

细胞呼吸总反应式：C6H12O6

＋6O2

→6CO2＋6H2O＋能量被氧化被还原引论细胞呼吸可以利用葡萄糖中约35%的能量

每个ATP分子中约含一个葡萄糖分子中全部能量的1%

细胞呼吸的能量转化效率很高

细胞呼吸细胞内呼吸作用分为3（或4）个阶段

糖酵解

（产生乙酰辅酶A）

柠檬酸循环

电子传递链

细胞呼吸细胞内呼吸作用分为3（或4）个阶段糖酵解

（产生乙酰辅酶A）

柠檬酸循环

电子传递链

细胞呼吸糖酵解糖酵解（glycolysis）就是葡萄糖的分解

糖酵解包括了一系列反应，都在细胞质中发生，而且不需氧

1分子葡萄糖经糖酵解的总结果是产生：

2分子丙酮酸 2分子ATP 2分子NADH

（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+的还原型，NAD+许多脱氢酶的辅酶）

细胞呼吸糖酵解糖酵解（glycolysis）就是葡萄糖的分解

糖酵解反应可分为两个部分

第一部分是由已糖转变为丙糖

包括4个反应

产生2分子丙糖

消耗2分子ATP

细胞呼吸甘油醛-3-磷酸磷酸二羟丙酮糖酵解糖酵解（glycolysis）就是葡萄糖的分解

糖酵解反应可分为两个部分

第二部分是由丙糖转变为丙酮酸

产生4分子ATP、2分子NADH

底物水平磷酸化：底物上的高能磷酸键转移到ADP，从而生成ATP的磷酸化反应

细胞呼吸细胞内呼吸作用分为3（或4）个阶段

糖酵解（产生乙酰辅酶A）

柠檬酸循环

电子传递链

细胞呼吸2ATP2NADH产生乙酰辅酶A糖酵解产生的2分子丙酮酸经扩散作用进入线粒体在丙酮酸脱氢酶作用下氧化脱羧生成2分子乙酰辅酶A

同时产生2分子NADH和2分子CO2

细胞呼吸细胞内呼吸作用分为3（或4）个阶段

糖酵解

（产生乙酰辅酶A）柠檬酸循环

电子传递链

细胞呼吸柠檬酸循环又称三羧酸循环（几个主要的中间代谢物是含有三个羧基的有机酸）或Krebs循环柠檬酸循环中的酶，除琥珀酸脱氢酶位于线粒体内膜上外，其余均在线粒体基质中各种细胞的呼吸作用都有柠檬酸循环是最经济和最有效率的氧化系统

细胞呼吸HansAdolfKrebs1953NobelPrizeLaureate柠檬酸循环1轮柠檬酸循环中共产生1个ATP分子、3个NADH分子、1个FADH2分子（黄素腺嘌呤二核苷酸FAD的还原型）和2个CO2分子

2分子丙酮酸

细胞呼吸ATP柠檬酸草酰乙酸黄素腺嘌呤二核苷酸FAD的还原型细胞内呼吸作用分为3（或4）个阶段

糖酵解

（产生乙酰辅酶A）

柠檬酸循环电子传递链

细胞呼吸电子传递链和氧化磷酸化电子传递链（electrontransportchain）

存在于线粒体内膜上的一系列电子传递体

葡萄糖经糖酵解和柠檬酸循环后保留在NADH、FADH2中的能将通过电子传递系统释放并转移到ATP中

细胞呼吸电子传递链和氧化磷酸化电子传递链（electrontransportchain） NADH和FADH2中的高能电子，沿着呼吸链上各电子传递体的氧化还原反应而从高能水平向低能水平顺序传递，最后到达分子氧

细胞呼吸电子传递链和氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

电子传递中高能电子所释放的能，通过磷酸化而被储存到ATP中；这里的磷酸化作用和氧化过程的电子传递紧密相关，与底物水平的磷酸化不同，称为氧化磷酸化

1分子NADH可产生2.5分子ATP

1分子FADH2可产生1.5分子ATP

细胞呼吸电子传递链和氧化磷酸化氧化磷酸化（oxidativephosphorylation）

化学渗透（chemiosmotic）假说——1961年，Mitchell【英】提出细胞呼吸

呼吸链各组分在线粒体内膜呈不对称分布，当电子在膜中迂回传递时，所释放的能量将质子从内膜基质侧泵至膜间隙，使膜间隙的质子浓度高于基质，从而在内膜两侧形成pH梯度和电位梯度。在梯度驱动下，质子穿过内膜上ATP合酶流回基质，促使ADP和Pi合成ATP1978NobelPrizeinChemistry呼吸作用产生的ATP统计

细胞呼吸糖酵解＋2NADH－2ATP＋4ATP产生乙酰辅酶A＋2NADH柠檬酸循环＋6NADH＋2FADH2＋2ATP电子传递链10NADH2FADH2＋25ATP＋3ATP总计＋32ATP1分子葡萄糖经过呼吸作用最多产生32分子ATP呼吸作用产生的ATP统计但是：

糖酵解产生的2分子NADH不能在细胞质中进行氧化磷酸化因为：

氧化磷酸化只能在线粒体中通过电子传递链进行 NADH不能透过线粒体膜所以，实际通过磷酸甘油环路或苹果酸-天冬氨酸环路进行细胞呼吸呼吸作用产生的ATP统计磷酸甘油环路

NADH本身不进入线粒体，它的电子由3-磷酸甘油带入线粒体 3-磷酸甘油随后被氧化为二羟基丙酮，并将FAD还原成FADH2

因此，1分子NADH实际上只形成1.5分子ATP细胞呼吸呼吸作用产生的ATP统计苹果酸-天冬氨酸环路 NADH的电子由苹果酸带入线粒体，苹果酸释放电子成草酰乙酸，并将NAD+还原成NADH，形成2.5分子ATP；而草酰乙酸再被转变成天冬氨酸穿线粒体膜进入细胞质，后再经草酰乙酸转变成苹果酸，进入下一轮循环细胞呼吸发酵作用无氧呼吸：细菌等利用无机物代替氧作为最终的电子受体进行呼吸发酵：厌氧细菌在无氧条件下获取能量（2ATP）的过程

专性厌氧细菌：破伤风杆菌

兼性厌氧细菌：酵母菌、大肠杆菌细胞呼吸yeastcl.tetani发酵作用乙醇发酵（酵母菌、某些植物）

葡萄糖经糖酵解成丙酮酸，丙酮酸脱羧，放出CO2而成乙醛，乙醛接受H+还原成酒精 NAD+的循环利用细胞呼吸发酵作用乳酸发酵（乳酸菌、人体）

葡萄糖酵解产生的丙酮酸不经过脱羧，直接接受H+还原成乳酸细胞呼吸细胞呼吸发酵作用无氧呼吸的效率远比有氧呼吸低（1/20），但可作为O2供应不及的一种应急措施生产应用

乙醇发酵用于酿制酒、醋和酱油等

乳酸发酵用于制作酸菜、酸奶和奶酪等各种分子的分解和合成食物的主要成分是双糖（蔗糖）、多糖（淀粉）、脂肪和蛋白质细胞呼吸

多糖、蛋白质和脂肪先分解为单体：葡萄糖、氨基酸和脂肪酸、甘油

氨基酸、脂肪酸和甘油，都首先转化为某种中间代谢产物，再进入糖酵解或三羧酸循环 1g脂肪产生的能量约为1g淀粉的两倍各种分子的分解和合成食物中的分子还用于细胞生物大分子的合成，消耗ATP，用于细胞自身的生长和修复细胞呼吸

一般说来，多糖、蛋白质和脂肪的合成就是它们分解途径的逆转，但葡萄糖的合成不是糖酵解的简单逆转，虽然一些中间代谢产物是相同的

能的利用细胞呼吸作用释放的能量（ATP）用于细胞的各种生命活动

细胞生长、分裂时合成物质

恒温动物维持体温

细胞主动运输

动物机械活动

萤火虫发光、电鳗放电等细胞呼吸光合作用：绿色自养植物将光能转换为有机分子化学能的过程光合作用光合作用为异养生物提供食物和氧气，是地球上绝大多数生物赖以生存的基础光合作用是吸能反应，利用光能把CO2转变为糖，并将能量贮存在糖分子中光合作用的发现史17世纪中叶，J.B.vanHelmont：柳树实验，构成植物体的原料来自水而不是土壤1771年，J.Priestley：绿色植物可以“净化”空气

但不能每次重复该实验1779年，J.Ingenhousz：

植物净化空气依赖光照光合作用光合作用的发现史1782年，J.Senebier：植物照光吸收CO2，释放O21804年，N.T.deSaussure：光合作用不仅需要CO2，还需要水1864年，J.vonSachs：光合作用产生葡萄糖1880年，C.Engelmann：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是进行光合作用的场所（水绵）1941年，S.Ruben：光合作用释放的氧气来自于水而非CO2（18O）光合作用光合作用（photosynthesis）总反应式

6CO2+12H2O

C6H12O6+6H2O+6O2光合作用分两个阶段光反应：在叶绿体类囊体膜中进行，将光能变成化学能并产生氧气，发生水的光解、释放O2、并生成ATP和NADPH，需要光碳反应：在叶绿体基质进行中，利用光反应形成的ATP和NADPH，将CO2还原为糖，不需光直接参与，但也必须在光下进行NADP+与NAD+是同一类电子载体，仅多一个磷酸基团；NADPH也是高能分子光合作用被氧化被还原光反应叶绿素对光的吸收

在高等植物中，光合色素位于类囊体膜中，种类有叶绿素a、叶绿素b和类胡罗卜素（叶黄素）

作用：吸收日光

吸收光谱：光合色素对不同波长光的吸收率

光合色素吸收高峰在红光区、蓝光区，而绿光被大量反射或透射过叶片，故植物叶片显示为绿色光合作用光反应叶绿素对光的吸收

在光合作用中起主要作用的色素是叶绿素：叶绿素a和叶绿素b，

直接参与光合作用的色素只有叶绿素a

叶绿素b和类胡萝卜素吸收的光传递给叶绿素a后才能被光合作用利用，称为辅助色素

色素吸收光的实质是色素分子中的一个电子得到光子（photon）中的能量，从基态进入激发态，成为激发电子（高能电子）

光合作用光反应光系统：叶绿体中的光合色素有规律地组成的许多特殊功能单位

每一系统包含250～400个叶绿素和其他色素分子

作用中心：光系统中少数蛋白质分子、原初电子受体和1～2个高度特化的叶绿素a分子（它们在红光区的吸收高峰略远于一般叶绿素a分子）

天线色素：光系统中作用中心以外的所有各种色素分子

天线色素将吸收的光能传递给作用中心的叶绿素a分子，被光激发了的中心叶绿素a分子再将1个电子传递给原初电子受体使其被还原光合作用光反应叶绿体中有两种光系统

PSI：反应中心叶绿素a光吸收高峰在700nm（红光区），称P700

PSII：反应中心叶绿素a光吸收高峰在680nm（红光区），称P680 2个光系统之间有

电子传递链相连接光合作用光反应非环式光合电子传递链：产物——O2、ATP和NADPH

光合作用光反应环式光合电子传递链：产物——ATP

当NADP+供应不足时发生

不生成NADPH

不发生水的裂解

不释放O2

光合作用光反应光合磷酸化

光合作用中，电子传递链产生的能量使质子穿过类囊体膜上的ATP合成酶复合体，从类囊体腔流向叶绿体基质，同时将能量通过磷酸化贮存在ATP中

类似于线粒体中的氧化磷酸化

但氧化磷酸化是由高能化合物分子氧化

驱动的，而光合磷酸化是由光子驱动的

光合作用碳反应光合碳还原循环（Calvin循环）

碳反应在叶绿体基质中进行

光反应生成的ATP和NADPH在CO2的还原中被用作能源和还原物质

Calvin循环：CO2固定和还原为糖的全部过程

生产一个可用于细胞代谢和合成的G3P（丙糖磷酸），需要9个ATP分子和6个NADPH分子的参与光合作用MelvinCalvin(1911-1997)1961NobelPrizeinChemistry碳反应Calvin循环分为3个阶段

CO2固定（3C）

氧化还原反应（3C） RuBP再生（5C）

（核酮糖-1,5-二磷酸）

Rubisco：RuBP羧化酶光合作用五碳糖三碳糖酸三碳糖C4植物和光呼吸C3途径和C3植物

CO2固定后的第一个产物是三碳的3-磷酸甘油酸，因而称C3途径；具有这一CO2固定途径的植物称为C3植物

水稻、小麦、大豆、以及许多的果树和蔬菜都是C3植物（温带）

干旱炎热时关闭气孔，以减少水分蒸发，但导致CO2不能进入叶片，而O2不能逸出叶片内CO2分压低、O2分压高

光合作用C4植物和光呼吸光呼吸（photorespiration）

植物在光照下，在发生光合作用的同时，吸收O2、释放CO2的呼吸

Calvin循环中的第一个酶rubisco还能够固定O2

（加氧酶）

产生乙醇酸（2C），再分解为CO2

不产生糖、ATP和NADPH

而是把已有的糖转变为CO2光合作用C4植物和光呼吸C4途径和C4植物

CO2固定的第一个产物是四碳