新陳代謝與生物能學(xué)課件

Chapter7

Metabolismandoxidativephosphorylation§5.1

MetabolismandBioenergetics§5.2Oxidativephosphorylation§5.1

MetabolismandBioenergeticsLivingthingsexhibitmetabolicdiversity異養(yǎng)生物太陽能葡萄糖釋放能量以ATP形式存放光合作用自養(yǎng)生物高等植物光合細(xì)菌藍(lán)、綠藻高等動物多數(shù)微生物Theflowofenergyinbiosphereandthecarbonandoxygencyclesareintimatelyrelated新陳代謝的兩個(gè)目的：產(chǎn)生維持生命活動的動力

合成生物分子*分解代謝（Catabolism）：不同的底物分子通過不同的分解途徑轉(zhuǎn)變成少數(shù)共同的中間代謝物，而進(jìn)入共同的代謝途徑，在這一氧化過程中，釋放的化學(xué)能部分以ATP形式捕獲，部分化學(xué)能以富含能量的電子形式轉(zhuǎn)移至NAD+或NADP+上，少部分傳至FAD上。NAD+的還原是分解代謝的一部分，NADH的再氧化將伴隨著ADP的磷酸化過程。

NADPH為合成代謝中的生物合成提供還原力。*合成代謝（Anabolism）：由小分子前體合成生物大分子的過程。需要的能量由分解代謝產(chǎn)生的ATP和NADPH提供。NAD+NADH+H+NADP+NADPH+H+NAD+/NADH:氧化途徑（分解代謝）中電子受體NADP+/NADPH:還原途徑（合成代謝）電子供體FMNFMNH2+2H-2HFADFADH2+2H-2H分解代謝氧化放能合成代謝還原吸能合成代謝與分解代謝之間的關(guān)系:二者互為對立，互相交叉階段2：構(gòu)件分子降解為更小的中間代謝物。

α-酮酸碳骨架直接進(jìn)入TCAcycle氨基酸三碳α-酮酸（丙酮酸）乙酰CoA葡萄糖→丙酮酸甘油→丙酮酸脂肪酸→乙酰CoA*分解代謝三階段階段1：生物大分子降解為構(gòu)件分子。

蛋白質(zhì)→氨基酸，多糖→葡萄糖，脂肪→甘油和脂肪酸階段3：中間代謝物通過TCA循環(huán)最終分解為CO2、H2O。*合成代謝三階段階段3：從構(gòu)件分子合成大分子化合物，如脂肪的合成原料是小分子乙酰輔酶A，先合成出脂肪酸，再合成各種脂類。

階段1：利用分解代謝階段之2、3產(chǎn)生的小分子作為合成原料前體。階段2：先合成各種生物大分子的構(gòu)件單元。注：*各類生物代謝的起點(diǎn)和進(jìn)行方向不同，但都遵循許多中心轉(zhuǎn)化過程。*生物可直接利用分解代謝產(chǎn)生的構(gòu)件分子作為前體裝配成生物大分子。*各代謝途徑的細(xì)胞定位區(qū)域部位代謝分工1、線粒體2、胞液3、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)4、細(xì)胞核5、糖顆粒6、溶酶體三羧酸循環(huán)（線粒體膜）；電子傳遞和氧化磷酸化脂肪酸氧化；氨基酸分解代謝酵解；脂肪酸合成；糖異生的部分途徑；尿素合成脂類合成；類固醇合成；蛋白質(zhì)合成DNA的復(fù)制；RNA的合成糖原的合成與降解蛋白質(zhì)降解新陳代謝特點(diǎn)：在溫和條件下進(jìn)行，由酶催化；各反應(yīng)有嚴(yán)格的順序性；代謝途徑的單向性(代謝中的限速酶)生物體對內(nèi)外環(huán)境條件有高度的適應(yīng)性和靈敏的自動調(diào)節(jié)。

調(diào)控機(jī)制：（1）細(xì)胞內(nèi)酶調(diào)控：酶活性、酶含量（2）激素水平調(diào)控：激素→靶細(xì)胞→cAMP→酶活→代謝途徑（3）神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控：新陳代謝的研究方法invivo/invitroexperiment：脂肪酸的β氧化；琥珀酸脫氫同位素示蹤法：尿素循環(huán)（15N）；膽固醇的C來源于乙酰CoA遺傳欠缺癥：苯丙酮尿癥；突變體研究法：微生物突變（研究代謝、表達(dá)菌）代謝途徑阻斷法：抗代謝物或酶抑制劑（酵母酒精發(fā)酵）；基因突變。核磁共振波譜法：磷酸肌酸熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量代謝有各種不同的形式，并能夠從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，在轉(zhuǎn)變過程中，能量的總值不變。不能預(yù)測某一反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行。體系+環(huán)境=恒定值熱力學(xué)第二定律：熱自發(fā)地由高溫物體流向低溫物體，直至二者溫度相等，熱的逆向傳導(dǎo)是不可能自發(fā)進(jìn)行的。熵代表一個(gè)體系能量分散程度的狀態(tài)函數(shù)。在一個(gè)孤立體系內(nèi)發(fā)生的任何自發(fā)過程，都是向著熵增加的方向進(jìn)行。

ΔS=ΔS體系+ΔS環(huán)境≥0生物化學(xué)反應(yīng)與普通的化學(xué)反應(yīng)一樣，也服從熱力學(xué)的規(guī)律。但化學(xué)反應(yīng)的熵變是不容易測得的。熱力學(xué)第一和第二定律2.1化學(xué)反應(yīng)中的自由能

2.1.1自由能與化學(xué)反應(yīng)Ak1k2BGA代表A的自由能,GB代表B的自由能.ΔG=GB-GAΔG<0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，放能；ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，吸能；ΔG=0，平衡

不同的有機(jī)化合物，含有不同的化學(xué)能，在化學(xué)反應(yīng)中，常伴有能量的釋放和吸收，所釋放或吸收的能量可用來做功，這種可利用的能量稱為自由能（G）。

ΔGoΔG=+RTln[C][D][A][B]2.1.2自由能與平衡常數(shù)ΔGo為標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，指在25℃，pH=0.0，各反應(yīng)物濃度為1mol/L時(shí)，反應(yīng)體系自由能變化，單位cal/mol或J/mol、kJ/mol。A+BC+DR氣體常數(shù)T絕對溫度當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，

ΔG=0，Keq>1，ΔGo

<0Keq=1，ΔGo

=0Keq

<1，ΔGo

>0設(shè)[C][D][A][B]=Keq，則ΔGo=-RTlnK=-2.303RTlgKeq（K為平衡常數(shù)）ΔG：是某一化學(xué)反應(yīng)隨參加反應(yīng)物質(zhì)的濃度、pH值、溫度而改變的自由能變化，（1cal=4.184J）ΔGo=-RTln[C][D][A][B]

化合物中某些共價(jià)鍵，在標(biāo)準(zhǔn)條件下水解時(shí)產(chǎn)生大量自由能（ΔGo’），這類共價(jià)鍵稱為“高能鍵”，用~表示。一般水解高能鍵釋放的能量大于或等于25kJ/mol(30kJ/mol)。具有高能鍵的化合物稱為高能化合物。生物體內(nèi)的高能化合物以高能磷酸化合物為主。2.2高能化合物高能磷酸化合物Invivo,pH=7,ATP,ADP的全部磷酸基團(tuán)都處于解離狀態(tài)，而成為多電荷負(fù)離子形式ATP4-,ADP3-。細(xì)胞內(nèi)存在有大量的Mg2+，可與解離的ATP4-,ADP3-形成MgATP2-

和

MgADP-。ATP→ADP+PiΔGo

′=-30.5kJ/molΔGo’valuesforthehydrolysisofvariousmetabolites:CompoundPhosphoenolpyruvate1,3bisphosphoglyceratePhosphocreatineATPGlucose-1-phosphateFructose-6-phosphateGlucose-6-phosphate3-phosphoglycerateΔGo’(kJ/mol)-54-50-44-31-21-16-14-13Phosphoenolpyruvate+H2O Pyruvate+Pi ΔGo’=-54kJ/molADP+Pi ATP ΔGo’=+31kJ/molPhosphoenolpyruvate+ADP Pyruvate+ATPΔGo’=-23kJ/mol磷酸肌酸PEP1,3-二磷酸甘油酸能量的共同中間傳遞體

ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位和作用磷酸肌酸——肌肉和腦組織能量儲存形式。

NH2HN～PC=NHC=NHATP+H3C-NH3C-N+ADPCH2CH2COOHCOOH

肌酸磷酸肌酸肌酸磷酸激酶在人類大腦中的含量是ATP的1.5倍,在肌肉中是ATP的4倍ATP的