第15章代謝(劉建華)

1、BiochemistrySixth EditionChapter 15:Metabolism:Basic Concepts and DesignCopyright 2007 by W. H. Freeman and Company Berg Tymoczko Stryer 蜂鳥(hummingbirds)有驚人的耐力。例如，脖子處像紅寶石的蜂鳥所儲(chǔ)存的燃料能連續(xù)地飛過(guò)距離達(dá)500公里的墨西哥灣。原因在于蜂鳥能夠?qū)⑷剂限D(zhuǎn)化成細(xì)胞可使用的ATP能源（結(jié)構(gòu)如右圖），使之能夠飛躍如此距離。生物化學(xué)的基本問(wèn)題：生物化學(xué)的基本問(wèn)題：1. 細(xì)胞如何從環(huán)境獲取能量？2. 細(xì)胞如何制造生物大分子的合成原料，并用

2、這些原料合成自身的生物大分子？ 細(xì)胞將很多化學(xué)反應(yīng)整合在一起構(gòu)成化學(xué)反細(xì)胞將很多化學(xué)反應(yīng)整合在一起構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行這些生物過(guò)程，這種反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)稱之應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行這些生物過(guò)程，這種反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)稱之為代謝（為代謝（metabolism）或中間代謝）或中間代謝(intermediary metabolism)。 每種生物的細(xì)胞體內(nèi)有1000多種化學(xué)反應(yīng)。數(shù)量雖大，但有很多共同的特征。能源分子共同、活化中間體數(shù)量有限、化學(xué)反應(yīng)的種類不多、反應(yīng)機(jī)制也相當(dāng)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)模式相同。15.1 代謝由很多偶聯(lián)的、相互關(guān)聯(lián)的化學(xué)代謝由很多偶聯(lián)的、相互關(guān)聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成反應(yīng)構(gòu)成生物需要連續(xù)輸入能量的目的是：（1）機(jī)械做功

3、（肌肉收縮和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)）（2）分子和離子的主動(dòng)運(yùn)輸（3）利用簡(jiǎn)單前體合成生物大分子和其 他生物分子。能量來(lái)源于環(huán)境能量來(lái)源于環(huán)境。光養(yǎng)生物(phototrophs)，攝取太陽(yáng)能量獲得自由能；化學(xué)能養(yǎng)生物(chemotrphs)氧化光養(yǎng)合成的食物獲取自由能。圖15.1 葡萄糖代謝。經(jīng)過(guò)10步反應(yīng)葡萄糖代謝成丙酮酸。后者代謝成乳酸(厭氧條件)或乙酰-CoA （有氧條件）。隨后乙酰-CoA分子乙酰基碳原子被氧化成CO2。代謝途徑有產(chǎn)能反應(yīng)和耗能反應(yīng)代謝途徑有產(chǎn)能反應(yīng)和耗能反應(yīng) 代謝是從特定分子起始的一串相互關(guān)聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)，這串化學(xué)反應(yīng)以特定方式將起始分子轉(zhuǎn)化成其他分子（圖15.1）。細(xì)胞有很多代謝途徑

4、（圖15.2）。這些代謝途徑相互依存，其中多數(shù)以別構(gòu)酶調(diào)節(jié)的方式相互協(xié)調(diào)。圖15.2 代謝途徑。代謝途徑分為兩大類：代謝途徑分為兩大類：（1）分解代謝(catabolism, catabolic reactions) ：將燃料分子的能量轉(zhuǎn)化成生物體可以利用的能量形式； 燃料 分解代謝 CO2 + H2O + 可用能量（2）合成代謝(anabolism, anabolic reactions) ：需要輸入能量才能進(jìn)行的代謝途徑。 可用能量+簡(jiǎn)單前體 合成代謝 復(fù)雜分子 有些反應(yīng)既在分解代謝又在合成代謝出現(xiàn)，屬于兼性代謝反應(yīng)(amphibolic pathways)。具體出現(xiàn)于那種代謝途徑取決于細(xì)

5、胞的能量狀態(tài)。 代謝途徑一個(gè)重要的原則是合成途徑和降解途徑幾乎是完全不同的。從能源角度看，這種不同是必然的，也有助于代謝控制。利用有利反應(yīng)驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)不利反應(yīng)的進(jìn)行利用有利反應(yīng)驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)不利反應(yīng)的進(jìn)行 一個(gè)代謝途徑至少要滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：(1) 各個(gè)反應(yīng)必須特異，和(2)構(gòu)成一個(gè)代謝途徑的整套反應(yīng)在熱力學(xué)上有利(即自由能變化量小于零)。 在A和B反應(yīng)生成C和D的反應(yīng)中，自由能的改變(G)可以用下列方程式計(jì)算： G = Go + RT ln CD/AB因此，自由能改變G取決于反應(yīng)物合生成物的本質(zhì)（即Go，是標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化）以及它們的濃度。驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)不利反應(yīng)進(jìn)行的方法驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)不利反應(yīng)進(jìn)行的方法： 將

6、一個(gè)熱力學(xué)不利反應(yīng)與一個(gè)熱力學(xué)有利反映偶聯(lián)，使整套反應(yīng)的自由能變化總量低于零。實(shí)際上，整套反應(yīng)的總自由能變化量是偶聯(lián)反應(yīng)的各反應(yīng)步驟自由能變化量的總和。例如 A B + C Go = + 21 kJ mol-1 B D Go = - 34 kJ mol-1 A C + D Go = -13 kJ mol-1 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，A不能自發(fā)地生成B。但是B能自發(fā)地生成D。由于自由能變化值能加合，A轉(zhuǎn)化成C + D的自由能變化值Go是負(fù)值，說(shuō)明此反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可以發(fā)生。因此，與一個(gè)熱力學(xué)有利反應(yīng)偶聯(lián)能夠驅(qū)動(dòng)熱力學(xué)不利反應(yīng)的進(jìn)行。 ATP是生物系統(tǒng)通用的能源分子ATP的三磷酸含有兩個(gè)高能磷酸酐鍵，所以當(dāng)

7、ATP被水解成ADP（腺苷二磷酸）和Pi（磷酸）或者被水解成AMP（腺苷單磷酸）和PPi（焦磷酸）時(shí)，水解反應(yīng)釋放大量的自由能。 ATP是高能分子。 在ATP分子中，最靠近核糖的磷原子叫Pa，中間的磷原子叫Pb，離核糖最遠(yuǎn)的磷原子叫Pg。ATP + H2O ADP + Pi Go = -30.5 kJ mol-1ATP + H2O AMP + PPi Go = - 45.6 kJ mol-1 具體的Go 值受溶液的離子強(qiáng)度和Mg2+濃度的影響。在典型的細(xì)胞濃度下，這些水解反應(yīng)的G值大約是 - 50 kJ mol-1。 ATP水解所釋放的自由能被用來(lái) (harnessed)驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)（如肌肉

8、收縮）的進(jìn)行。相應(yīng)地，燃料分子 氧化所釋放的化學(xué)能或光養(yǎng)生物攝 取的光能將ADP和Pi轉(zhuǎn)化成ATP。 ATP-ADP循環(huán)是生物體內(nèi)能量交換的基本模式。有些合成反應(yīng)的直接能源是與ATP類似的其它核苷三磷酸(GTP, UTP, 和CTP)。核苷酸激酶(包括核苷單磷酸激酶和核苷二磷酸激酶)將一個(gè)ATP末端磷酸轉(zhuǎn)移到另一個(gè)核苷酸末端。這類酶的特異性比較寬泛。NMP + ATP 核苷單磷酸激酶 NDP + ADP NDP + ATP 核苷二磷酸激酶 NTP + ADP 必須注意，雖然所有的核苷三磷酸在能量水平上是等價(jià)的，但是ATP是細(xì)胞內(nèi)主要的能量載體分子。此外，細(xì)胞內(nèi)還有兩個(gè)重要的能量載體分子也是AT

9、P的衍生物。這兩個(gè)能量載體分子分別是NAD+和FAD。ATP在能量代謝轉(zhuǎn)化方面的作用最大。ATP水解使偶聯(lián)反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)變，驅(qū)使代謝進(jìn)行水解使偶聯(lián)反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)變，驅(qū)使代謝進(jìn)行 與ATP水解反應(yīng)偶聯(lián)，熱力學(xué)不利的化學(xué)反應(yīng)也可進(jìn)行。假定物質(zhì)A轉(zhuǎn)化成物質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是 + 16.7 kJ mol-1 （ A B Go = + 16.7 kJ mol-1）在25，反應(yīng)平衡常數(shù) Keq = Beq / A eq = 10 -Go / 5.69 = 1.15 x 10-3 如果將這個(gè)反應(yīng)與ATP水解反應(yīng)偶聯(lián)，情況就不同。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，ATP水解的自由能變化量Go 是 - 30 kJ mol-1，則總反應(yīng)及

10、其自由能變化量是： A + ATP + H2O B + ADP + Pi Go = -13.8 kJ mol-1在pH 7，此偶聯(lián)反應(yīng)的平衡常數(shù)是 Keq = Beq / A eq ADPeq Pieq / ATPeq = 2.67 x 102即平衡常數(shù)從1.15 x 10-3（沒(méi)有與ATP水解偶聯(lián)）提高到2.67 x 102，達(dá)到105倍。在細(xì)胞內(nèi)水解ATP的G是 -50.2 kJ mol-1，反應(yīng)平衡常數(shù)增加的倍數(shù)達(dá)到108。 利用底物氧化產(chǎn)生的自由能或者光養(yǎng)生物攝取的光能，細(xì)胞維持高濃度ATP。在胞內(nèi)，偶合一個(gè)ATP分子的水解的化學(xué)反應(yīng)能夠使平衡條件下產(chǎn)物和反應(yīng)物之間的比值增加108倍。

11、如果偶合n個(gè)ATP分子的水解，則反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)物之間的比值增加108n倍。因此，偶合足量ATP水解反應(yīng)，能夠?qū)崃W(xué)上不利的反應(yīng)次序變成熱力學(xué)有利的反應(yīng)。 必須指出，偶合ATP水解才能執(zhí)行的A轉(zhuǎn)化成B的反應(yīng)中，A和B不一定是不同的化學(xué)物質(zhì)，也可能是同一物質(zhì)不同的構(gòu)型或不同的修飾狀態(tài)。也可以是細(xì)胞內(nèi)外離子或分子的兩種濃度狀態(tài)?？缒a+-K+泵被ATP磷酸化后，能夠跨膜主動(dòng)運(yùn)輸Na+和K+。隨后去磷酸化。ATP具有很高的磷酸化能力的基礎(chǔ)在于其分子結(jié)構(gòu)具有很高的磷酸化能力的基礎(chǔ)在于其分子結(jié)構(gòu)ATP + H2O ADP + Pi Go = - 30.5 kJ mol-1甘油甘油3-磷酸磷酸 + H2

12、O 甘油甘油 + Pi Go = - 9.2 kJ mol-1 ATP分子的這種特性與分子自身結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?！肮舱穹€(wěn)定”、“靜電斥力”、和“水合穩(wěn)定”對(duì)這種特性有重大貢獻(xiàn)。1 共振作用2 靜電斥力。在pH 7，ATP攜帶的三個(gè)磷酸帶有4個(gè)負(fù)電荷。這些電荷位置靠近相互排斥。當(dāng)ATP水解，這些相互排斥力降低。3 水合穩(wěn)定。ADP和Pi結(jié)合的水分子比ATP的磷酸酐結(jié)合的水分子多，因此ADP和Pi比ATP穩(wěn)定。磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移是細(xì)胞能量轉(zhuǎn)化的一種重要形式磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移是細(xì)胞能量轉(zhuǎn)化的一種重要形式 水解磷酸基團(tuán)所釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能常用來(lái)衡量磷酸化合物轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的能力。這種比較顯示ATP不是唯一的具有高能力轉(zhuǎn)移

13、磷酸基團(tuán)的化合物。實(shí)際上，生物體內(nèi)還有比ATP轉(zhuǎn)移磷酸能力還要高的化合物。這些化合物包括磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），1,3-二磷酸甘油酸酐(1,3-BPG)，肌酸磷酸酐（圖15.6）。PEP能夠?qū)⒘姿峄鶊F(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP形成ATP。實(shí)際上這種轉(zhuǎn)移就是分解過(guò)程中形成ATP的方式之一。ATP轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的能力居中有特別意義（表15.1）。ATP轉(zhuǎn)移磷酸能力的居中性使之能夠充當(dāng)磷酸基團(tuán)的有效載體。圖15.6 磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能力很高的化合物。這些化合物轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)的能力比ATP還高，因此能被用來(lái)將ADP轉(zhuǎn)化成ATP。 肌肉的ATP量可維持1秒的肌肉收縮。脊椎動(dòng)物肌肉的肌酸磷酸酐是高能磷酸庫(kù)，能夠?qū)⒘姿峒皶r(shí)供

14、給ADP。在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌酸磷酸酐將ADP轉(zhuǎn)化ATP。該反應(yīng)的催化劑是肌酸激酶。 creatine phosphate +ADP 肌酸激酶 ATP +creatine在pH 7，肌醇磷酸酐水解所釋放的自由能是 - 43.1 kJ mol-1，而ATP水解所釋放的自由能是 - 30.5 kJ mol-1。因此利用肌酸磷酸酐將ADP轉(zhuǎn)化成ATP反應(yīng)的自由能變化量是 - 12.6 kJ mol-1，相應(yīng)的反應(yīng)平衡常數(shù)是162。 在休息狀態(tài)，肌肉內(nèi)這些代謝物的典型濃度是ATP = 4 mM, ADP = 0.013 mM, creatine phsphate = 25 mM, creatine = 1

15、3 mM。由于肌酸磷酸酐轉(zhuǎn)移磷酸的能力比ATP還高，肌酸磷酸酐是磷酸基團(tuán)的有效供給者。實(shí)際上，100米短跑（sprint）的前4秒時(shí)間內(nèi)，ATP再生的磷酸來(lái)源主要是肌酸磷酸酐。肌酸磷酸能夠?qū)TP庫(kù)重新充滿，這就是運(yùn)動(dòng)員食品添加肌酸磷酸酐的基礎(chǔ)。食品添加肌酸磷酸酐有助于運(yùn)動(dòng)員短期劇烈運(yùn)動(dòng)的能量需要。當(dāng)肌酸磷酸酐庫(kù)消耗完后，只有分解代謝制造ATP（圖15.7）。圖15.7 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中ATP的來(lái)源。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，最初的幾秒鐘使用機(jī)體現(xiàn)成的高能磷酸化合物ATP和肌酸磷酸酐。隨后需要經(jīng)過(guò)代謝途徑補(bǔ)充ATP.燃料氧化是重要的細(xì)胞能源燃料氧化是重要的細(xì)胞能源 ATP是生物系統(tǒng)自由能的主要的即時(shí)供應(yīng)者，但是

16、自由能的長(zhǎng)期儲(chǔ)存不能以ATP形式。在細(xì)胞中，ATP形成不久就被消耗。雖然機(jī)體總ATP量限定在大約100g，但是ATP的轉(zhuǎn)化速度很快。例如，處于休息狀態(tài)的人24小時(shí)消耗的ATP約40 kg。劇烈運(yùn)動(dòng)著ATP的消耗速度可達(dá)0.5 kg /min，兩小時(shí)跑步要耗去60 kg ATP。很明顯，迅速再生ATP非常重要。運(yùn)動(dòng)、主動(dòng)運(yùn)輸、信號(hào)放大、和生物合成都需要將ATP持續(xù)不斷地轉(zhuǎn)化成ADP(圖15.8）。制造ATP是分解代謝的主要作用之一。燃料分子（如葡萄糖和脂肪）被氧化成CO2，所釋放的能量將ADP和Pi再生成ATP。圖15.8 ATP-ADP循環(huán)。該循環(huán)構(gòu)成生物體內(nèi)能量交換的基本模式。 有氧生物碳氧

17、化的最終電子受體是氧氣，氧化產(chǎn)物是CO2。因此，C的還原狀態(tài)愈高，在氧化過(guò)程中所釋放的自由能越多。下圖指出了一些一碳化合物有氧氧化所釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能Go。圖15.9 一碳化合物氧化所釋放的自由能。盡管有些燃料分子比一碳化合物復(fù)雜（圖15.10），但是在氧化過(guò)程中也會(huì)經(jīng)過(guò)一碳化合物的氧化階段。碳氧化所釋放的自由能一部分用來(lái)制造高能磷酸轉(zhuǎn)移化合物，一部分用來(lái)制造離子通道。無(wú)論哪種情況，最后的落腳點(diǎn)是形成ATP。圖15.10 著名的燃料分子。脂肪比糖所的能量多，因?yàn)橹镜奶荚舆€原程度比葡萄糖高。具有高能磷酸基團(tuán)的化合物與碳氧化形成具有高能磷酸基團(tuán)的化合物與碳氧化形成ATP的反的反應(yīng)偶聯(lián)，應(yīng)偶聯(lián)，

18、碳氧化所釋放的能量如何驅(qū)使ATP生成？如甘油醛3-磷酸（葡萄糖氧化的一個(gè)中間物質(zhì)）的C-1是醛（紅色）。醛不是碳原子的最高氧化狀態(tài)，可以被進(jìn)一步氧化成酸，同時(shí)釋放自由能。 但是，這種氧化不是直接發(fā)生，而是與磷酸反應(yīng)產(chǎn)生1,3-二磷酸甘油酸、丟失的電子為NAD+捕獲。甘油醛3-磷酸氧化不是直接發(fā)生，而是與磷酸反應(yīng)產(chǎn)生1,3-二磷酸甘油酸、丟失的電子為NAD+捕獲。1,3-二磷酸甘油酸有一個(gè)高能磷酸基團(tuán)。這個(gè)基團(tuán)轉(zhuǎn)移給ADP能合成ATP?？缒るx子梯度是能與跨膜離子梯度是能與ATP合成偶聯(lián)的一種重要的形合成偶聯(lián)的一種重要的形式細(xì)胞能量，式細(xì)胞能量， 電化學(xué)勢(shì)能是儲(chǔ)存自由能的有效方式。實(shí)際上，燃料分子

19、氧化或光合成攝取的能量產(chǎn)生的跨膜離子梯度是電化學(xué)勢(shì)能，能驅(qū)使細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)ATP的合成。通常跨膜離子梯度與熱力學(xué)不利反應(yīng)偶聯(lián)并驅(qū)使這種反應(yīng)進(jìn)行的方式多種多樣。動(dòng)物氧化燃料產(chǎn)生跨膜質(zhì)子梯度合成了細(xì)胞內(nèi)90%以上的ATP（圖15.11）。這個(gè)過(guò)程叫氧化磷酸化氧化磷酸化（18章）。 ATP水解能用來(lái)形成不同類型的跨膜離子濃度梯度，有不同的功能。例如Na+跨膜梯度開孔（使之順梯度移動(dòng)）以便細(xì)胞將Ca2+泵出細(xì)胞或者將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如葡萄糖和氨基酸）泵入細(xì)胞。圖15.11 質(zhì)子梯度。經(jīng)過(guò)特定的質(zhì)子泵作用，將燃料氧化產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成跨膜質(zhì)子梯度。這些質(zhì)子梯度在質(zhì)子回流經(jīng)過(guò)生物膜的ATP合成酶時(shí)驅(qū)動(dòng)ATP合成。經(jīng)

20、過(guò)三個(gè)階段獲取食物的能量經(jīng)過(guò)三個(gè)階段獲取食物的能量Hans Krebs將食物氧化產(chǎn)生能量的過(guò)程分成三個(gè)階段（右圖）。Stage 1，消化。將食物大分子斷裂成較小的分子。屬于能量抽取的準(zhǔn)備階段，沒(méi)有捕獲有用的能量。Stage 2，將各種較小分子進(jìn)一步降解成少數(shù)幾種在代謝中起中心作用的簡(jiǎn)單單元(simple units)。如糖、脂肪酸、和一些氨基酸被轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A。同時(shí)產(chǎn)生一些ATP，但合成量比后續(xù)的第三階段少得多。Stage 3，檸檬酸循環(huán)和氧化磷酸化。屬于燃料分子氧化的最后階段，產(chǎn)生大量ATP。15.4 代謝途徑有很多反復(fù)出現(xiàn)的模式1 活化載體是代謝途徑經(jīng)常使用的一種模式活化載體是代謝途徑經(jīng)

21、常使用的一種模式（1）磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)能夠改變蛋白構(gòu)型的能量、驅(qū)動(dòng)需能反應(yīng)(endergonic reactions)、作為信號(hào)改變一個(gè)蛋白的活性等。在這些反應(yīng)中，磷酸基團(tuán)來(lái)源于ATP。換句話，ATP是磷酸基團(tuán)的活化載體(因?yàn)锳TP進(jìn)行磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移是放能反應(yīng))。采用活化載體是生化中反復(fù)使用的一種模式。這類活化載體的很多成分起輔酶作用。（2） 燃料氧化的電子載體。在有氧生物，燃料氧化的最終電子受體是O2。但是，電子不能直接從燃料傳遞給氧氣，而是經(jīng)過(guò)電子載體傳遞的。這類電子載體要么是吡啶類核苷酸（pyridine nucleotides)，要么是吡啶類黃素(pyridine flavins)。這些

22、化合物的還原形式能夠?qū)⒏吣茈娮觽鬟f給氧氣。圖15.13 氧化型煙酰胺類電子載體的結(jié)構(gòu)。煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）是著名的高能電子載體。NAD+分子中，R是H；NADP+分子中，R是PO32-。圖15.14 氧化型黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）的結(jié)構(gòu)。電子載體有一個(gè)黃素單核苷酸（FMN）單位（藍(lán)色）和一個(gè)AMP單位（黑色）?；罨碾娮虞d體用于生物合成的還原反應(yīng)活化的電子載體用于生物合成的還原反應(yīng)。 由于前體的氧化程度比產(chǎn)物高，因此大多數(shù)氧化反應(yīng)需要高能電子。除了需要ATP外，合成反應(yīng)還需要還原。例如，在脂肪酸合成過(guò)程中，加入的二碳單位的酮基需要幾步還原

23、反應(yīng)產(chǎn)生次甲基。此反應(yīng)需要輸入4個(gè)電子。 大多數(shù)還原性合成的電子供體是NADPH 。NADPH的腺嘌呤核苷酸2-OH被磷酸化，而NADH的腺嘌呤核苷酸該位點(diǎn)是2-OH。NADPH攜帶電子的方式與NADH相同。但是NADPH幾乎只用于還原性只用于還原性生物合成反應(yīng)，而NADH主要用于生產(chǎn)ATP。NADPH多余的磷酸基團(tuán)(與NADH相比)是區(qū)分合成代謝用高能電子和分解代謝用高能電子的標(biāo)簽。（3） 二碳單位的活化載體 輔酶A(簡(jiǎn)稱CoA)是代謝途徑的另一個(gè)中心分子。輔酶A是乙酰基載體（圖15.16）。乙?；欠纸獯x(如脂肪酸氧化）和合成代謝(如脂質(zhì)合成）的重要組分。CoA末端巰基是反應(yīng)位點(diǎn)。乙?；?/p>

24、與CoA末端巰基結(jié)合形成硫脂。與CoA連接的乙?；Q為乙酰單位，產(chǎn)物是乙酰-CoA。泛酸 乙酰-CoA水解反應(yīng)釋放大量自由能，其Go是 -31.4kJ mol-1。 Acetyl-CoA + H2O = Acetate + CoA + H+硫脂易于水解，是熱力學(xué)有利的化學(xué)反應(yīng)。原因在于硫脂分子中，羰基的氧原子與硫原子不能形成共振結(jié)構(gòu)，因此硫脂沒(méi)有含氧脂穩(wěn)定（后者能形成共軛結(jié)構(gòu)）。結(jié)果，乙酰輔酶A是高能乙?；鶖y帶者，易于將乙?；D(zhuǎn)移給其他分子（這點(diǎn)與ATP是高能磷酸攜帶者轉(zhuǎn)移磷酸類似）。代謝途徑利用活化載體的優(yōu)勢(shì)：代謝途徑利用活化載體的優(yōu)勢(shì)：（1）沒(méi)有催化劑，NADH、NADPH、和FADH2與

25、氧氣反應(yīng)非常慢；ATP和乙酰-CoA水解速度也非常緩慢(幾小時(shí)甚至幾天)。動(dòng)力學(xué)很穩(wěn)定。因此，利用活化載體能夠控制能量和還原能力的流動(dòng)。（2）代謝過(guò)程中活化基團(tuán)的大多數(shù)交換是用很少的幾種載體完成的（表15.2）。所用生物反復(fù)使用這幾種載體使生物化學(xué)采用統(tǒng)一的模式。進(jìn)而能夠用這些模式來(lái)闡明代謝過(guò)程。少數(shù)幾種載體分子執(zhí)行不同的任務(wù)。這種設(shè)計(jì)模式和經(jīng)營(yíng)方式使我們易于理解掌握代謝的各種途徑。很多活化載體是維生素衍生物很多活化載體是維生素衍生物 幾乎所用起輔酶作用的活化載體都是維生素衍生物。維生素是高等動(dòng)物飲食中需要的、含量很少的有機(jī)物。表15.3列出了起輔酶作用（圖15.17）的維生素。這類維生素屬于

26、B類維生素。注意這些維生素必需經(jīng)過(guò)修飾才能執(zhí)行相應(yīng)的輔酶功能。我們已經(jīng)談到煙酸、核黃素、和泛酸（pantothenate）的作用。在生物化學(xué)中我們還會(huì)多次遇到這三種維生素和其他B類維生素。圖15.17 一些維生素B的結(jié)構(gòu)。 幾乎所有生物中，維生素所起的作用都是相同的。但是高等動(dòng)物在進(jìn)化過(guò)程中丟失了自主合成維生素的能力。例如大腸桿菌能夠用葡萄糖和無(wú)機(jī)鹽就能存活，但是人類飲食中至少要添加12種維生素。維生素的生物合成途徑很復(fù)雜。因此，生物直接從事物攝取維生素比合成相應(yīng)的酶來(lái)自己制造維生素更有效。這種有效的代價(jià)是對(duì)其他生物合成維生素的依賴性。實(shí)際上，缺乏維生素會(huì)導(dǎo)致疾?。ū?5.3和表15.4）。

27、維生素C，即抗壞血酸，使抗氧化劑。缺乏維生素C者患?jí)难。洳“Y是膠原變形、皮膚有缺陷、血管易脆。維生素K是正常凝血必需的。維生素A（視黃醇，retinol）是視黃醛(retinal)的合成前體。視黃醛是視紫質(zhì)和其他視覺(jué)色素的光敏基團(tuán)（32.3節(jié)）。視黃酸是重要的信號(hào)分子。沒(méi)有這種維生素則患夜盲癥。此外，幼年動(dòng)物的生長(zhǎng)需要維生素A。缺乏維生素E（生育酚，a-tocopherol)的大鼠不能生育。維生素E與活性氧反應(yīng)，使活性氧失活，從而阻止活性氧（如羥基自由基）氧化膜脂質(zhì)的不飽和脂肪酸鏈，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)。維生素D是調(diào)節(jié)鈣磷代謝的激素。缺乏維生素D會(huì)損傷生長(zhǎng)動(dòng)物的骨骼形成。代謝過(guò)程中反復(fù)使用的關(guān)鍵反

28、應(yīng)代謝過(guò)程中反復(fù)使用的關(guān)鍵反應(yīng) 代謝過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)可以歸為六類。如同活化載體，一些關(guān)鍵反應(yīng)在代謝途徑中反復(fù)使用。使學(xué)生需要學(xué)習(xí)的反應(yīng)數(shù)量大為降低。1. 氧化-還原反應(yīng)是很多代謝途徑的基本成分。碳化合物氧化產(chǎn)生可用的能量。2. ATP裂解所提供的能量協(xié)助連接反應(yīng)。反應(yīng)3表示依賴于ATP水解形成C-C化學(xué)鍵。連接反應(yīng)是小分子形成大分子必需的。丙酮酸與CO2連接形成草酰乙酸（oxaloacetate）。草酰乙酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)或轉(zhuǎn)化成氨基酸（如天冬氨酸）。3. 異構(gòu)化反應(yīng)在分子內(nèi)部重排特定原子。異構(gòu)反應(yīng)的作用是為后續(xù)反應(yīng)（如氧化-還原反應(yīng)）準(zhǔn)備原料。 反應(yīng)4也是檸檬酸循環(huán)的一個(gè)組分。這種異構(gòu)化反應(yīng)將第

29、3位碳原子上的羥基移至第2位碳原子上，產(chǎn)物是后續(xù)的氧化合脫羧反應(yīng)的原料。4. 基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的作用多樣。反應(yīng)5是磷酸基團(tuán)從ATP轉(zhuǎn)移給葡萄糖分子，是糖酵解途徑的第一步。此反應(yīng)將葡萄糖限定在細(xì)胞內(nèi)，以利于后續(xù)分解代謝。ATP合成也是磷酸轉(zhuǎn)移反應(yīng)。在信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中也有很多基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)的實(shí)例。5. 水解反應(yīng)是加入水，斷裂相應(yīng)化學(xué)鍵的化學(xué)反應(yīng)。水解是斷裂大分子的常用方式。這種斷裂要么有助于進(jìn)一步代謝，要么是為了重新利用這些物質(zhì)的相應(yīng)組分來(lái)進(jìn)行生物合成。蛋白質(zhì)用水解反應(yīng)降解。反應(yīng)6表示多肽術(shù)界城兩個(gè)更小肽段的化學(xué)反應(yīng)。6. 從單鍵移去化學(xué)基團(tuán)形成雙鍵，或者將化學(xué)基團(tuán)加入雙鍵位置將雙鍵轉(zhuǎn)化成單鍵。催化這類反

30、應(yīng)的酶屬于裂合酶(lyases)。反應(yīng)7就是這類反應(yīng)的一個(gè)例子。六碳分子的1,6-二磷酸果糖轉(zhuǎn)化成兩個(gè)三碳產(chǎn)物，即磷酸二羥基丙酮和甘油醛 3-磷酸。講到此脫水作用（在紅色化學(xué)鍵處）形成雙鍵，如2-磷酸甘油酸脫水形成磷酸烯醇式丙酮酸（反應(yīng)8）就屬于這類反應(yīng)的重要成員 此脫水反應(yīng)為后續(xù)的高能磷酸基團(tuán)自PEP轉(zhuǎn)移給ADP，形成ATP奠定基礎(chǔ)。代謝過(guò)程調(diào)節(jié)的三個(gè)途徑代謝過(guò)程調(diào)節(jié)的三個(gè)途徑 很明顯，代謝過(guò)程必須受到嚴(yán)格調(diào)節(jié)。同時(shí)，這些調(diào)節(jié)必須靈活，使細(xì)胞的代謝活性適應(yīng)經(jīng)常變化的外部環(huán)境。通過(guò)控制下面三個(gè)方面實(shí)施代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)。這三個(gè)方面分別是(1) 酶量、(2) 催化活性、和 (3)底物的可接近性?？刂?/p>

31、酶量控制酶量。特定酶的數(shù)量取決于這個(gè)酶的合成速度和降解速度。很多酶的含量水平主要受這些酶的編碼基因的轉(zhuǎn)錄速度控制轉(zhuǎn)錄速度控制。例如在大腸桿菌，乳糖能夠在幾分鐘內(nèi)將b-乳糖苷酶的合成速度增加50倍以上。b-乳糖苷酶是裂解乳糖必需的一種酶?？刂拼呋钚钥刂拼呋钚浴？刂泼富钚缘姆绞接袔追N，其中特別重要的是別構(gòu)調(diào)節(jié)。很多生物合成途徑的第一個(gè)反應(yīng)常受該途徑的最終產(chǎn)物抑制。如天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶受胞嘧啶核苷三磷酸抑制。另一種頻繁使用的機(jī)制是可逆共價(jià)修飾。例如，在缺乏葡萄糖時(shí)，糖原磷酸化酶(催化糖原斷裂的第一個(gè)酶) 的絲氨酸磷酸化(被活化)刺激糖原降解。激素常常通過(guò)關(guān)鍵酶的可逆修飾來(lái)協(xié)調(diào)不同組織之間的代謝關(guān)系。例如腎上腺素啟動(dòng)肌肉組織的信號(hào)傳導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致關(guān)鍵酶的磷酸化（活化）、迅速將糖原轉(zhuǎn)化成葡萄糖，進(jìn)一步降解制造ATP供肌肉收縮。很多激素通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的信使分子（如c