第三章 代謝作用與發(fā)酵課件

第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵

第一節(jié)概述

新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation），通過上述過程不斷地進行自我更新。特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進行第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵新陳代謝的概念及內(nèi)涵

小分子大分子合成代謝（同化作用）需要能量

釋放能量分解代謝（異化作用）大分子小分子物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝信息交換第三章代謝作用與發(fā)酵代謝過程包括物質(zhì)的吸收、消化、中間代謝和排泄等過程。中間代謝一般是指在細胞中的合成與分解過程，是代謝活動的主體，在生物工業(yè)中，許多有價值的化工產(chǎn)品就來自中間代謝的代謝產(chǎn)物。如：木糖醇、乳酸等等第三章代謝作用與發(fā)酵

生物體內(nèi)各種復(fù)雜的合成與分解作用，對外體現(xiàn)為各種生理現(xiàn)象：呼吸作用主要是糖類物質(zhì)在氧參與下進行分解并釋放能量生長主要是核酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)合成的結(jié)果運動時肌肉收縮使得化學能（ATP）轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?；而肌肉酸痛則是乳酸作用的結(jié)果光合作用則使光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能第三章代謝作用與發(fā)酵生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝與能量代謝是密不可分的：細胞從環(huán)境中獲得小分子氨基酸，在體內(nèi)合成大分子蛋白質(zhì)———吸收能量的物質(zhì)代謝。大分子糖原在體內(nèi)分解成小分子葡萄糖，最后分解成二氧化碳和水——釋放能量的物質(zhì)代謝。第三章代謝作用與發(fā)酵生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程太陽電子傳遞合成分解電子傳遞光合作用呼吸作用生命現(xiàn)象自養(yǎng)細胞異養(yǎng)細胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（電能）（化學能）（化學能）（電能）（化學能）生物合成機械功主動運輸生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)熱第三章代謝作用與發(fā)酵在新陳代謝的過程中，發(fā)生大量的化學反應(yīng)，而所有的這些代謝反應(yīng)都是在酶的催化作用下進行的。酶的高度專一性和強大的催化功能保證了新陳代謝能夠高速度、有條不紊的進行。參與新陳代謝的各種化學反應(yīng)之間是互相依賴、協(xié)同作用并互相制約的組成一條條代謝途徑，再組合成龐大復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。第三章代謝作用與發(fā)酵新陳代謝的調(diào)節(jié)

分子水平

細胞水平

整體水平

生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機體能適應(yīng)其內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：第三章代謝作用與發(fā)酵第二節(jié)生物的能量代謝自然界能量代謝的方式：自養(yǎng)型生物利用太陽光，以簡單成分合成糖等有機物質(zhì)，而后自養(yǎng)型生物和異養(yǎng)型生物分解有機物質(zhì)，從中攝取能量以從事各種生命活動第三章代謝作用與發(fā)酵一、能量代謝的熱力學原理1、自由能（freeenergy）：化學反應(yīng)將會沿著從反應(yīng)能力高的物質(zhì)向反應(yīng)能力低的方向進行。物質(zhì)的這種反應(yīng)能力稱為自由能，用G表示。與溫度差ΔT，壓力差Δp類似，自由能差ΔG則是化學反應(yīng)的推動力，是產(chǎn)物的總自由能與反應(yīng)物總自由能的差。第三章代謝作用與發(fā)酵ΔG=∑G產(chǎn)物-∑G反應(yīng)物化學反應(yīng)總是向著自由能降低的方向進行的第三章代謝作用與發(fā)酵化學反應(yīng)的自由能變化的基本公式ΔＧ=ΔH-TΔSΔH——體系焓的變化KJ/molΔS——體系熵的變化KJ/mol

自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即：

ΔG<0，反應(yīng)能自發(fā)進行

ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進行，必須從外界輸入能量

ΔG=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)第三章代謝作用與發(fā)酵討論：A、自由能G是狀態(tài)函數(shù)，ΔＧ取決于體系的始態(tài)與終態(tài)，與反應(yīng)途徑無關(guān)。如葡萄糖，無論是通過生化途徑還是被燃燒氧化為二氧化碳和水，只要始態(tài)與終態(tài)相同，ΔＧ值就相同。B、ΔＧ是熱力學函數(shù)，與反應(yīng)速度無關(guān)，負的ΔＧ值只表明某一轉(zhuǎn)變可以自發(fā)進行，即在熱力學上是可行的，反應(yīng)速度的快慢與此無關(guān)。第三章代謝作用與發(fā)酵自由能的概念的意義自由能的概念對于研究生物化學過程的力能學具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。第三章代謝作用與發(fā)酵2、偶聯(lián)化學反應(yīng)ΔG變化的可加性反應(yīng)體系的總自由能差等于體系中各單獨反應(yīng)自由能差的代數(shù)和，也就是說，一個在熱力學上不能（自發(fā)）進行的反應(yīng)（ΔG＞0），可以被另一個熱力學上可以進行的反應(yīng)（ΔG＜0）所驅(qū)動，前提是它們自由能差的代數(shù)和小于0。如葡萄糖的水解作用第三章代謝作用與發(fā)酵

即在偶聯(lián)的化學反應(yīng)中，各反應(yīng)的標準自由能變化是可以相加的：例：

A=B+CΔG°′=+20.92KJ/mol

B=DΔG°′=-33.47KJ/mol

則A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol

該規(guī)則表明一個在熱力學上不利的反應(yīng)，可以與熱力學有利的反應(yīng)偶聯(lián)進行，即可以被熱力學有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進行。這在生物化學反應(yīng)中是很多的。第三章代謝作用與發(fā)酵二、生物體內(nèi)的能量傳遞媒介在細胞中，通常情況下分解代謝釋放的能量并不能直接被合成代謝所利用，而是要通過一些能量傳遞物質(zhì)來傳遞能量。傳遞物在細胞內(nèi)起著能量轉(zhuǎn)運站的作用，既可傳遞能量，又能暫時貯存能量主要物質(zhì)有：腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）

乙酰輔酶A、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）NAD、NADP

等第三章代謝作用與發(fā)酵1、腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）：

生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（>21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。ATP是最重要的高能化合物。每個高能磷酸鍵水解可以產(chǎn)生30.5千焦/摩爾的能量。第三章代謝作用與發(fā)酵腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）是生命體系中重要的能量儲存物質(zhì)，被稱為能量貨幣單位，ATP是由腺嘌呤、核糖和三個磷酸基構(gòu)成，其中第二個和第三個磷酸基上的磷酸鍵時高能鍵（~），不穩(wěn)定易被水解，從ATP上水解下來的磷酸基是一種能量穿梭基團，對驅(qū)動吸能反應(yīng)起決定作用。第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵生命體內(nèi)的能量存儲在化學鍵中，如糖類、脂肪和蛋白質(zhì)中，但在生命活動過程中直接使用的能量是ATP，它通過磷酸化作用將儲存在高能磷酸鍵中的能量釋放出來，驅(qū)動相應(yīng)的化學反應(yīng)，產(chǎn)生各種生命活動，如肌肉的收縮，DNA的復(fù)制等。ATP的產(chǎn)生在細胞內(nèi)主要通過細胞呼吸實現(xiàn)。第三章代謝作用與發(fā)酵ATP在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用

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ATP是細胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第三章代謝作用與發(fā)酵人體內(nèi)ATP的簡述：

10g葡萄糖（一小湯匙）含有40千卡,可以完成15分鐘的快速跑步。一個ATP分子所含有的化學能大約只有一個葡萄糖分子的1%。葡萄糖中大約40-50%的能量被轉(zhuǎn)化儲存在ATP中。一個人每天大約需要消耗45KgATP，但每一時刻貯存在人體里的ATP不到1g。即每個細胞每秒鐘大約可形成一千萬個ATP，同時有同樣量的ATP被水解，每摩爾ATP水解形成ADP，可產(chǎn)生30.5KJ/mol的能量。一個成年人每天攝入的食物分子經(jīng)過細胞呼吸形成的ATP可提供大約9200KJ的能量。第三章代謝作用與發(fā)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每克蛋白質(zhì)：能提供能量16.7千焦。

成年男子（體重60公斤計）：每天需要10000~16700千焦。

成年女子（體重53公斤計）：每天需要9200~13380千焦。

第三章代謝作用與發(fā)酵2、能量的轉(zhuǎn)移效率生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)移的效率不是100%，方能反應(yīng)放出的能量，一部分暫時貯存在ATP中，備用；另一部分則以熱能的形式散失，而熱能除了維持體溫外不能用來做任何生物功。葡萄糖在細胞內(nèi)徹底氧化后，熱能散失的能量約為60%，只有約40%的能量貯存在ATP中。第三章代謝作用與發(fā)酵生物系統(tǒng)中的能流第三章代謝作用與發(fā)酵3、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）：氫載體是一種輔酶，叫還原型輔酶，學名煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸），亦寫作[H]。在很多生物體內(nèi)的化學反應(yīng)中起遞氫體的作用，具有重要的意義。

NAD+和NADP+：即煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+，輔酶Ⅰ）和煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP+，輔酶Ⅱ，是NADPH的氧化形式）。

NAD+和NADP+主要作為脫氫酶的輔酶，在酶促反應(yīng)中起遞氫體的作用，為單遞氫體。

第三章代謝作用與發(fā)酵NADPH通常作為生物合成的還原劑，并不能直接進入呼吸鏈接受氧化。只是在特殊的酶的作用下，NADPH上的H被轉(zhuǎn)移到NAD+上，然后由NADH進入呼吸鏈。

NAD++H++2e-=NADH

NADP++H++2e-=NADPH

第三章代謝作用與發(fā)酵從能量角度來說，一個NAD或NADP分子相當于三個ATP分子，因為它們所接受的電子和質(zhì)子再經(jīng)呼吸鏈傳遞給氧生成水時，可以產(chǎn)生3個ATP分子。第三章代謝作用與發(fā)酵糖類是生物界最重要的化合物之一，為生物體提供碳源和能源。糖類化合物由C（碳），H（氫），O（氧）三種元素組成，分子中H和O的比例通常為2：1，與水分子中的比例一樣，故稱為碳水化合物。可用通式Cm（H2O）n表示。因此，曾把這類化合物稱為碳水化合物。第三節(jié)糖類化學第三章代謝作用與發(fā)酵但是后來發(fā)現(xiàn)有些化合物按其構(gòu)造和性質(zhì)應(yīng)屬于糖類化合物，可是它們的組成并不符合Cm（H2O）n通式，如鼠李糖（C6H12O5）、脫氧核糖（C5H10O4）等；而有些化合物如乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3）等，其組成雖符合通式Cm（H2O）n，但結(jié)構(gòu)與性質(zhì)卻與糖類化合物完全不同。所以，碳水化合物這個名稱并不確切，但因使用已久，迄今仍在沿用

第三章代謝作用與發(fā)酵糖類在自然界中，尤其植物中的含糖量最為豐富。按糖類的結(jié)構(gòu)特點把糖分為四類：單糖、寡糖、多糖和復(fù)合糖。第三章代謝作用與發(fā)酵一、單糖單糖是構(gòu)成各種糖分子的基本單位，不能再水解為更簡單的糖。重要的單糖：丙糖：甘油醛，二羥丙酮戊糖：核糖，脫氧核糖己糖：葡萄糖、果糖第三章代謝作用與發(fā)酵1、幾個基本概念（1）立體異構(gòu)(須用立體模型、透視式或投影式區(qū)分):(具有相同的結(jié)構(gòu)式,但原子在空間的分布不同)幾何異構(gòu)：由于分子中雙鍵或環(huán)的存在(順反異構(gòu))或其它因素限制原子間的自由旋轉(zhuǎn)引起，一般無旋光性旋光異構(gòu)：分子中存在手性而引起，常見是不對稱C，一般具有旋光性第三章代謝作用與發(fā)酵（2）旋光性：能使平面偏振光的振動平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的能力稱旋光性，或叫光學活性、旋光度。使偏振光平面發(fā)生順時針方向偏轉(zhuǎn)者稱右旋用(+)表示，反之稱左旋用（-）表示。（3）不對稱碳原子指與四個不同的原子或原子基團共價連接并失去對稱性的四面體碳，也稱手性碳原子、手性中心。一般這樣表示：C*

分子的手性是產(chǎn)生旋光性的原因。旋光性與D-或L-構(gòu)型沒有必然聯(lián)系。第三章代謝作用與發(fā)酵（4）對映異構(gòu)體：

具有相同的基團，但分子中各基團在空間排列方式不同，猶如實物與鏡像關(guān)系，彼此互稱為對映異構(gòu)體。對映異構(gòu)體就是兩個分子式完全相同，結(jié)構(gòu)也相似的旋光異構(gòu)體所有的手性碳原子的構(gòu)型完全相反的一對異構(gòu)體不符合上述條件的兩個分子式完全相同，結(jié)構(gòu)也相似的旋光異構(gòu)體就稱為非對映異構(gòu)體

：

第三章代謝作用與發(fā)酵2、最簡單的單糖——甘油醛分子式HOCH2CHOHCHO。為最簡單的醛糖，分子中含有一個手性碳原子，2—碳是不對稱碳原子，可以形成互為鏡像的不能重疊的異構(gòu)體，互為對映異構(gòu)體：D-甘油醛和L-甘油醛。它是決定糖類化合物構(gòu)型是D型和L型的參考標準。

書寫D型結(jié)構(gòu)式時把羥基放在右邊，L型的羥基放在左邊。第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵結(jié)構(gòu)式表示的幾種方法：1棒球模型或立體模型2透視式第三章代謝作用與發(fā)酵任何一種化合物，只要分子中有不對稱碳原子，它就具有旋光性（手性），也就是當平面偏振光通過手性化合物溶液后，偏振面的方向就被旋轉(zhuǎn)了一個角度。這種能使偏振面旋轉(zhuǎn)的性能稱為旋光性(opticalactivity）任何一種化合物，只要能用適當?shù)幕瘜W方法證明（這是一項相當細致的工作）它具有與L甘油醛類似的結(jié)構(gòu)，那么，不管它對偏振光的作用是左旋的還是右旋的，都被認為屬于L系列，并在它的名稱前冠以L。第三章代謝作用與發(fā)酵所有的單糖都有不對稱碳原子，因而都有旋光性說來也巧，活機體中幾乎所有的化合物都含有不對稱的碳原子。而且，活機體總是只利用化合物的兩種鏡像形態(tài)中的一種。另外，類似的化合物一般屬于同一種系列。例如，在活組織中發(fā)現(xiàn)的所有單糖實際上都屬于D系列，而所有的氨基酸（組成蛋白質(zhì)的基本單位）屬于L系列。

第三章代謝作用與發(fā)酵

D系醛糖的立體結(jié)構(gòu)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(+)-塔羅糖(allose)(altrose)(glucose)(mannose)(gulose)(idose)(galactose)(talose)D(-)-赤鮮糖(erythrose)D(-)-蘇糖(threose)D(+)-甘油醛(allose)D(-)-核糖(ribose)D(-)-阿拉伯糖(arabinose)D(+)-木糖(xylose)D(-)-米蘇糖(lysose)第三章代謝作用與發(fā)酵3、最重要的單糖——葡萄糖葡萄糖作為最重要的單糖，是許多種多糖的組成成分。分子式為C6H12O6其結(jié)構(gòu)如下：自然界的葡萄糖都是D型結(jié)構(gòu)第三章代謝作用與發(fā)酵L-葡萄糖D-葡萄糖C5與D-甘油醛構(gòu)型相同的為D-葡萄糖；反之為L-葡萄糖。

（1）以甘油醛的構(gòu)型為基準，將糖鏈編號最大的手性碳C5的構(gòu)型與其比較，確定糖的構(gòu)型。L-甘油醛D-甘油醛第三章代謝作用與發(fā)酵（2）葡萄糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)許多單糖分子可以形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)式，各個不對稱碳原子上的-OH基，依照在鏈狀結(jié)構(gòu)式中的左右位置，分別畫在環(huán)平面的上方或下方。實際上，糖環(huán)上的5個碳原子和1個氧原子并不在一個平面上。

在形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)時，原來鏈狀分子中的醛基或酮基與分子內(nèi)另一個碳原子（就葡萄糖或果糖來講，是第5碳原子）上的羥基縮合，成為半縮醛。原來不是不對稱碳原子的醛基的碳原子，現(xiàn)在成了不對稱碳原子，這樣，因半縮醛羥基的空間構(gòu)型不同，又可以形成兩種同分異構(gòu)體α和β。第三章代謝作用與發(fā)酵

D-葡萄糖由Fischer式改寫為Haworth式的步驟

轉(zhuǎn)折旋轉(zhuǎn)成環(huán)成環(huán)-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖第三章代謝作用與發(fā)酵判斷糖的構(gòu)型原則

在直鏈中以C5的羥基為判斷標準。在環(huán)狀結(jié)構(gòu)中，C5的羥基參與成環(huán)，此時以C5上的羥甲基為判斷標準：若其在環(huán)上則為D-構(gòu)型，在環(huán)下的為L-構(gòu)型。判斷α-或β-構(gòu)象的原則D-構(gòu)型糖中，半縮醛羥基在環(huán)上的為β-型，半縮醛羥基在環(huán)下的為α-型。α-D-吡喃葡萄糖(α-D-glucopyranose)123456第三章代謝作用與發(fā)酵

4、其他重要的單糖-D-吡喃木糖-D-呋喃核糖2-脫氧-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-木酮糖第三章代謝作用與發(fā)酵5、單糖的性質(zhì)單糖分子內(nèi)的醛基或酮基易被氧化，因此單糖都具有還原性，這一性質(zhì)往往被用作定性或定量測定單糖的依據(jù)。凡可以被氧化或還原，或被別的基團取代，因而生成糖的衍生物，一般仍歸入為糖類物質(zhì)，如，D-葡萄糖醛酸（a），N-乙酰-D-氨基半乳糖（b），唾液酸（這是一族化合物的總稱，c所示為其中一個成員，N-乙酰-D-神經(jīng)氨酸）第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵二、寡糖由2~10個單糖組成的聚糖稱為寡糖。

糖的半縮醛羥基被另一個基團所取代，從而生成的新的化合物，統(tǒng)稱為糖苷。所以，一個典型的糖苷，是由糖基和糖苷配基通過糖苷鍵相聯(lián)而組成。兩個單糖通過糖苷鍵連接形成雙糖重要的寡糖有：蔗糖（非還原糖）、麥芽糖、乳糖、纖維二糖、海藻糖、棉子糖等

第三章代謝作用與發(fā)酵第三章代謝作用與發(fā)酵

重要的二糖蔗糖D-麥芽糖（

-型）乳糖（-型）纖維二糖（

-型）第三章代謝作用與發(fā)酵糖苷的作用

天然糖苷中的糖苷配基有醇類、醛類、固醇和嘌呤等。很多糖苷來源于植物，它們大多數(shù)具有毒性，其中一部份可作為藥物。例如：皂角苷能引起溶血，毛地黃苷有強心劑作用，根皮苷能使葡萄糖隨尿排出，還有苦杏仁苷等。

第三章代謝作用與發(fā)酵三、多糖由多個單糖分子縮合而成的多聚糖。多糖在酸或酶的催化下，可以水解成組成它們的小分子寡糖和單糖。完全水解后，產(chǎn)物中只含一種單糖分子的多糖稱均質(zhì)多糖，產(chǎn)物中含多種單糖分子的多糖稱非均質(zhì)多糖。寡糖或多糖分子，有直鏈的，也有分枝的。

第三章代謝作用與發(fā)酵均質(zhì)多糖：淀粉、糖原、纖維素等。非均質(zhì)多糖：果膠、透明質(zhì)酸、黃原膠等第三章代謝作用與發(fā)酵1、多糖的來源（1）植物多糖：自然界的糖類物質(zhì)主要由綠色植物通過光合作用合成。估計地球每年由植物光合作用生成的纖維素和淀粉總數(shù)達4×1011噸

（2）動物多糖（3）微生物多糖：微生物利用現(xiàn)成的碳水化合物進行二次代謝，在細胞內(nèi)合成，分泌到細胞外的多糖產(chǎn)物。第三章代謝作用與發(fā)酵2、多糖的應(yīng)用

微生物多糖，以其安全、無毒、理化性質(zhì)優(yōu)良生產(chǎn)周期短等特點，越來越受到人們特別是食品家們的關(guān)注。近幾年，世界上微生物多糖的產(chǎn)量年增長率在10%以上。近五年來結(jié)冷膠