代謝總論專題知識(shí)講座代謝總論專題知識(shí)講座第1頁(yè)2主要內(nèi)容代謝概念，功效，內(nèi)容電子載體與ATP代謝研究方法★代謝總論專題知識(shí)講座第2頁(yè)3

代謝(metabolism)也叫新陳代謝：發(fā)生在活細(xì)胞內(nèi)、由酶催化，高度協(xié)調(diào)和有目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)（生物體內(nèi)一切化學(xué)改變總稱）。主要包含：將太陽(yáng)能或者未來(lái)自環(huán)境富含能量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可利用化學(xué)能；將營(yíng)養(yǎng)分子變成細(xì)胞本身所需要分子，包含大分子所需前體；將小分子前體聚合成蛋白質(zhì)、核酸、多糖；合成和降解含有特定細(xì)胞功效生物分子。代謝總論專題知識(shí)講座第3頁(yè)410.1生物圈構(gòu)筑了生物間依存關(guān)系

一、代謝多樣性反應(yīng)生物多樣性盡管大多數(shù)生物細(xì)胞主要代謝路徑是相同，不過(guò)不一樣生物或細(xì)胞在進(jìn)化過(guò)程中被它們所選擇路徑所特化，因而賦予了代謝多樣性。代謝總論專題知識(shí)講座第4頁(yè)5依據(jù)對(duì)碳需要將生物分為自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物：自養(yǎng)生物：能利用大氣中CO2作為它們唯一碳源生物，將其轉(zhuǎn)變成本身所需含碳化合物；異養(yǎng)生物：不能利用大氣中CO2，必須從環(huán)境中獲取相對(duì)較為復(fù)雜有機(jī)碳（如葡萄糖），并將其轉(zhuǎn)變成本身所需要含碳化合物；代謝總論專題知識(shí)講座第5頁(yè)6依據(jù)對(duì)能量起源將生物分為光養(yǎng)生物和化養(yǎng)生物：光養(yǎng)生物：光合生物，能利用光作為能源；化養(yǎng)生物：利用有機(jī)化合物，作為能源；依據(jù)是否利用氧氣作為產(chǎn)生能量電子受體，分為需氧生物、厭氧生物、兼性厭氧生物；代謝總論專題知識(shí)講座第6頁(yè)7原核生物比真核生物含有較大代謝多樣性。原核生物可分為化能異養(yǎng)、光能自養(yǎng)或化能自養(yǎng)等幾個(gè)；真核生物：原生動(dòng)物、真菌、植物和動(dòng)物；真菌和動(dòng)物是化能異養(yǎng)、植物是光能自養(yǎng)；代謝總論專題知識(shí)講座第7頁(yè)8二、生物圈中代謝循環(huán)（一）能量流動(dòng)與碳和氧循環(huán)光能自養(yǎng)生物利用光能將CO2和H2O同化成有機(jī)物；異養(yǎng)生物利用光合細(xì)胞合成有機(jī)產(chǎn)物作為能量能源分子以及作為合成本身特有生物分子前體，CO2作為異養(yǎng)生物碳代謝末端產(chǎn)物返回大氣，被光能自養(yǎng)生物重新利用；生物圈中能量流動(dòng)在碳循環(huán)中運(yùn)轉(zhuǎn)，推進(jìn)循環(huán)原動(dòng)力是光能；代謝總論專題知識(shí)講座第8頁(yè)9碳素循環(huán)代謝總論專題知識(shí)講座第9頁(yè)10（二）氮循環(huán)氮對(duì)生物來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵元素，是蛋白質(zhì)和核酸組分；在無(wú)生命環(huán)境中，氮以N2形式出現(xiàn)在大氣中，以硝酸根離子NO3-形式出現(xiàn)在土壤和海洋中。原核生物固氮作用：N2還原為氨離子NH4+，然后摻入到碳骨架中，轉(zhuǎn)變成有機(jī)氮而被生物利用；硝化細(xì)菌：NH4+轉(zhuǎn)化成NO3-反硝化細(xì)菌：NO3-轉(zhuǎn)化成N2植物：同化NH4+和NO3-形成氨基酸等，將NO3-還原為NH4+動(dòng)物：利用含N物釋放NH4+和含N有機(jī)物代謝總論專題知識(shí)講座第10頁(yè)11氮循環(huán)代謝總論專題知識(shí)講座第11頁(yè)1210.2分解代謝與合成代謝

代謝目標(biāo)——物質(zhì)\能量物質(zhì)合成與分解能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存和釋放代謝過(guò)程——分解代謝，合成代謝分解代謝：產(chǎn)生能量，為合成代謝提供前體合成代謝：利用分解代謝前體分析合成所需生物分子，需要能量★代謝總論專題知識(shí)講座第12頁(yè)13有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)步驟轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小、較簡(jiǎn)單物質(zhì)過(guò)程稱為分解代謝（catabolism）。有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過(guò)分解代謝過(guò)程可大致劃分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段由營(yíng)養(yǎng)物大分子分解為較小分子；

第二階段是由各種小分子深入轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾個(gè)共同物質(zhì)；第三個(gè)階段由檸檬酸循環(huán)和氧化磷酸化兩個(gè)共同代謝路徑組成。這個(gè)階段是形成ATP主要階段。分解代謝顯著特點(diǎn)是趨同性；分解代謝反應(yīng)大多數(shù)是氧化反應(yīng)，通常是釋放能量，所釋放化學(xué)能往往以ATP形式捕捉；一、分解代謝（異化）★代謝總論專題知識(shí)講座第13頁(yè)14二、合成代謝（同化）生物體利用小分子或大分子結(jié)構(gòu)元件建造成本身大分子過(guò)程稱為合成代謝（anabolism），又稱生物合成（biosynthesis）。合成代謝顯著特點(diǎn)是趨異性；合成代謝反應(yīng)通常是需要能量，ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）提供能量。代謝總論專題知識(shí)講座第14頁(yè)15

新陳代謝，指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換過(guò)程。生物體新陳代謝生物大分子分解為生物小分子釋放能量（用于合成代謝和生理及運(yùn)動(dòng)需能）生物小分子合成為生物大分子需要能量（來(lái)自分解代謝及光、熱等）分解代謝（異化作用）合成代謝（同化作用）物質(zhì)代謝代謝總論專題知識(shí)講座第15頁(yè)16分解代謝和合成代謝路徑間能量關(guān)系分解代謝(氧化、放能)合成代謝(還原、吸能)糖類脂肪蛋白質(zhì)細(xì)胞大分子產(chǎn)能營(yíng)養(yǎng)素蛋白質(zhì)多糖脂類核酸氨基酸糖脂肪酸堿基前體分子★代謝總論專題知識(shí)講座第16頁(yè)17三、合成代謝和分解代謝分解代謝和合成代謝含有相反作用，但二者相互關(guān)聯(lián)，即一個(gè)過(guò)程產(chǎn)物為一個(gè)相反過(guò)程提供底物，許多代謝中間物為兩個(gè)過(guò)程所共有；這種能夠公用代謝步驟稱為兩用代謝路徑（amphibolicpathway）。檸檬酸循環(huán)（citricacidcycle）可看作是兩用代謝路徑經(jīng)典。兩用代謝路徑存在，使機(jī)體細(xì)胞代謝更增加了靈活性。任何物質(zhì)生物合成所需能量要超出該物質(zhì)分解代謝產(chǎn)生能量，否者生物可能成為永動(dòng)機(jī)。代謝總論專題知識(shí)講座第17頁(yè)18四、代謝調(diào)整

代謝調(diào)整概括地劃分為三個(gè)不一樣水平：分子水平調(diào)整包含反應(yīng)物和產(chǎn)物調(diào)整（主要是濃度調(diào)整和酶調(diào)整）；

細(xì)胞水平調(diào)整主要是因?yàn)榧?xì)胞有特殊結(jié)構(gòu)，使酶作用含有嚴(yán)格定位條理性；整體水平調(diào)整主要包含激素調(diào)整和神經(jīng)調(diào)整。

★代謝總論專題知識(shí)講座第18頁(yè)1910.3代謝與生物能學(xué)自由能(freeenergy)對(duì)生物體有尤其主要意義，因?yàn)樗坏捎脕?lái)判斷機(jī)體內(nèi)一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，而且生物體用以作功能也正是體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)釋放出自由能。生物氧化所提供能量正是可為機(jī)體利用自由能。Gibbs將能夠用于做功能量稱為自由能。代謝總論專題知識(shí)講座第19頁(yè)20自由能改變自由能改變(ΔG)：產(chǎn)物自由能與反應(yīng)物自由能之差，與反應(yīng)轉(zhuǎn)變過(guò)程無(wú)關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)自由能改變(△Gθ)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L。生化反應(yīng)中標(biāo)準(zhǔn)自由能改變(△Gθ′)：298K，101.3KPa，反應(yīng)物濃度為1mol/L，pH=7。代謝總論專題知識(shí)講座第20頁(yè)21自由能（FreeEnergy)自由能(G)：指一個(gè)反應(yīng)體系中能夠做功那個(gè)別能量。自由能對(duì)生物體主要，不但可用以判斷生物體內(nèi)某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，且生物體內(nèi)能用于作功能也正是體內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)釋放出自由能。1878年，JosiahWillardGibbs結(jié)合熱力學(xué)第一和第二定律，提出了自由能公式：

ΔG=ΔH-TΔS

ΔG代表體系自由能改變，ΔH代表體系熱焓改變，ΔS代表熵改變。代謝總論專題知識(shí)講座第21頁(yè)22如A+BC+D

ΔG=(GC+GD)-(GA+GB)

ΔG=ΔG0+RTln[C][D]/[A][B]

ΔG<0

釋放自由能，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行ΔG=0

只做體積功，不做有用功，反應(yīng)可逆ΔG>0

反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，需要提供能量

自由能改變與生物化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)△G僅決定于反應(yīng)物（初始狀態(tài)）自由能與產(chǎn)物（最終狀態(tài)）自有能，而與反應(yīng)路徑和反應(yīng)機(jī)制無(wú)關(guān)?！鱃是判斷一個(gè)化學(xué)反應(yīng)能否向某個(gè)反向進(jìn)行依據(jù)，而與反應(yīng)速度無(wú)關(guān)。代謝總論專題知識(shí)講座第22頁(yè)23能量學(xué)在生物化學(xué)應(yīng)用中一些要求1水濃度（近似于活度）要求為1.02pH=0.0（即[H+]=1M）,標(biāo)準(zhǔn)自由能改變?yōu)镚0標(biāo)準(zhǔn)情況pH=7.0，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)自由能改變?yōu)镚0’

3pH≠7.0,就不能用G0’值4提議用焦耳(Joules)或kJ·mol-1表示標(biāo)準(zhǔn)自由能改變。1卡=4.184J。代謝總論專題知識(shí)講座第23頁(yè)24氧化還原電位氧化還原反應(yīng)：凡是反應(yīng)中有電子從一個(gè)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)。

提供電子分子稱為還原劑

接收電子分子稱為氧化劑

物質(zhì)失去電子后，成為氧化型

氧化型再得到電子又成為還原型氧化還原電位（E）：在氧化還原反應(yīng)中，自由能改變與反應(yīng)物供出或得到電子趨勢(shì)成百分比，這種趨勢(shì)用數(shù)字表示。代謝總論專題知識(shí)講座第24頁(yè)25Eθ和Eθ′標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位Eθ：在25℃，pH＝0，壓力101.3KPa和全部反應(yīng)物、生成物濃度為1mol·L-1半反應(yīng)電極電位。Eθ′：pH＝7時(shí)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位△Eθ′=標(biāo)準(zhǔn)氧化電極電位（電子受體）－標(biāo)準(zhǔn)還原電極電位（電子供體）Eθ′值越小，電負(fù)性越大，供出電子傾向越大，即還原能力越強(qiáng)Eθ′值越大，電正性越大，得到電子傾向越大，即氧化能力越強(qiáng)電子總是從較低氧化還原電位（即Eθ′值較小）向高電位流動(dòng)（即Eθ′值較大）代謝總論專題知識(shí)講座第25頁(yè)26氧化還原電位與自由能△Gθ′＝-nF△Eθ′ n—轉(zhuǎn)移電子數(shù)

F—法拉第常數(shù)（96.403kJ·mol-1）

在生物化學(xué)反應(yīng)中，這種自由能改變意味著一個(gè)體系能夠轉(zhuǎn)移電子能力。代謝總論專題知識(shí)講座第26頁(yè)2710.4生物氧化還原反應(yīng)電子載體糖類、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等含碳有機(jī)分子降解和氧化是物質(zhì)分解代謝主要內(nèi)容；糖酵解、脂肪酸β-氧化、氨基酸氧化分解和檸檬酸循環(huán)等代謝有機(jī)物氧化分解主要路徑；有機(jī)物在酶催化下氧化脫氫，產(chǎn)生電子是生物體內(nèi)主要能量起源。代謝總論專題知識(shí)講座第27頁(yè)28在生物體內(nèi)，被氧化反應(yīng)物分子很多，在對(duì)應(yīng)脫氫酶催化下反生反應(yīng)；作為氧化反應(yīng)電子受體只有少數(shù)集中；這些受體能夠作為不一樣酶輔酶參加到不一樣反應(yīng)中去；煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）是主要電子載體；黃素單核苷酸（FMN）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）也是主要電子載體；代謝總論專題知識(shí)講座第28頁(yè)29NAD+NADHNADP+NADPHFADFADH2FMNFMNH2輔酶Ⅰ（氧化型）（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）輔酶Ⅰ（還原型）輔酶Ⅱ（氧化型）輔酶Ⅱ（還原型）黃素腺嘌呤二核苷酸（氧化型）黃素腺嘌呤二核苷酸（還原型）黃素單核苷酸（氧化型）黃素單核苷酸（還原型）生物氧化反應(yīng)中電子載體代謝總論專題知識(shí)講座第29頁(yè)30輔酶Ⅰ（NAD+）輔酶Ⅱ（NADP+）<B族維生素>

以一個(gè)H+和2個(gè)電子（氫負(fù)離子∶H-）形式將自有能轉(zhuǎn)移給生物合成需能反應(yīng)煙酰胺（氧化型）煙酰胺（還原型）煙酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+（煙酰胺嘌呤二核苷酸）和NADP+（煙酰胺嘌呤二核苷酸磷酸）<維生素PP(B5)/煙酸煙酰胺

代謝總論專題知識(shí)講座第30頁(yè)31

AH2+NAD+→A+NADH+H+乙醇乙醛醇脫氫酶NAD+

搜集分解代謝釋放電子和產(chǎn)生能量氧化性分解代謝相關(guān)接收一個(gè)H+和2個(gè)電子（2e－）代謝總論專題知識(shí)講座第31頁(yè)32NADPH為合成代謝提供還原力還原型底物合成代謝分解代謝氧化型前體氧化型產(chǎn)物還原型產(chǎn)物代謝總論專題知識(shí)講座第32頁(yè)33FMN（黃素單核苷酸）和FAD（黃素腺嘌呤二核苷）<維生素B2/核黃素>6,7-二甲基異咯嗪核黃素

核糖醇代謝總論專題知識(shí)講座第33頁(yè)34FMN+2HFMNH2FAD+2HFADH2參加一個(gè)電子或兩個(gè)電子傳遞氧化型黃色還原型無(wú)色半醌型藍(lán)色半醌型代謝總論專題知識(shí)講座第34頁(yè)35輔酶A在能量代謝中作用p306β-巰基乙胺泛酸泛酰巰基乙胺焦磷酸活性部位

-SH在酶促轉(zhuǎn)乙酰基反應(yīng)中，起著接收或提供?；饔谩８吣芰蝓ユI代謝總論專題知識(shí)講座第35頁(yè)10.5ATP與磷酸基轉(zhuǎn)移高能磷酸化合物有易水解磷?；夷茚尫懦龃罅孔杂赡芰姿峄衔?。普通意義上，水解時(shí)釋放出-25kJ·mol-1以上自由能鍵作為“高能鍵”?！案吣苕I”指水解后釋放大量自由能，“鍵能”指斷裂某個(gè)化學(xué)鍵需要能量?！?6代謝總論專題知識(shí)講座第36頁(yè)37生物體中高能化合物類型胍基磷酸化合物：磷酸肌酸酰基化合物：乙酰磷酸烯醇式磷酸化合物：磷酸烯醇式丙酮酸焦磷酸化合物：腺苷三磷酸(ATP)硫酯鍵化合物：乙酰輔酶A甲硫鍵化合物：S-腺苷甲硫氨酸磷氧鍵型-O～P磷氮鍵型-N～P硫碳鍵型-C～S代謝總論專題知識(shí)講座第37頁(yè)38生物體內(nèi)高能磷酸化合物：ATP、1,3-二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰磷酸、磷酸肌酸等；其中ATP是最主要高能磷酸化合物，而其它高能化合物只能作為高能磷酸基(～P)供體，將～P轉(zhuǎn)移到ADP上，生成ATP，本身極少直接參加其它吸能反應(yīng)。代謝總論專題知識(shí)講座第38頁(yè)

由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三個(gè)相連磷酸基團(tuán)組成。

腺苷三磷酸分子中三個(gè)磷酸基團(tuán)從與分子中腺苷基團(tuán)相鄰磷酸基團(tuán)算起，依次分別為α、β和γ磷酸基團(tuán)。α磷酸基團(tuán)與腺苷相連稱為磷酯鍵，而α和β、β和γ磷酸基團(tuán)之間鍵稱為酸酐鍵。酸酐鍵是高能鍵。ATP結(jié)構(gòu)★代謝總論專題知識(shí)講座第39頁(yè)酸酐鍵易水解并釋放自由能，原因是：造成酸酐鍵之間不穩(wěn)定原因是磷酸基團(tuán)之間相鄰負(fù)電荷相互排斥；ATP水解形成ADP3-和HPO42-都是雜化共振物，比ATP含有更大穩(wěn)定性。ATP★40代謝總論專題知識(shí)講座第40頁(yè)ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用

ATPΔG0’（標(biāo)準(zhǔn)自由能改變）在全部含磷酸基團(tuán)化合物中處于中間狀態(tài)。在磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)中起到中間傳遞體作用。既可向低又可向高磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)“共同中間體”。

★41代謝總論專題知識(shí)講座第41頁(yè)★42代謝總論專題知識(shí)講座第42頁(yè)ATP系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡ATP產(chǎn)生和利用都處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。細(xì)胞內(nèi)有調(diào)整機(jī)制，維持ATP相對(duì)穩(wěn)定：調(diào)整ATP生成以供細(xì)胞能量需要；調(diào)整ATP利用?！?3代謝總論專題知識(shí)講座第43頁(yè)44ATP提供以下四方面對(duì)能量需要：(1)提供生物合成做化學(xué)功時(shí)所需能量(2)是生物體活動(dòng)以及肌肉收縮能量起源(3)供給營(yíng)養(yǎng)物逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體細(xì)胞內(nèi)所需自由能(4)在DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物合成中，確保基因信息正確傳遞代謝總論專題知識(shí)講座第44頁(yè)4510.6研究代謝方法代謝研究，主要是對(duì)中間代謝進(jìn)行研究，即搞清楚代謝詳細(xì)過(guò)程，以及各種物質(zhì)所發(fā)生詳細(xì)改變。invivo 活性，生物體內(nèi)invitro 試驗(yàn)室，體外代謝總論專題知識(shí)講座第45頁(yè)46一、追蹤代謝物去向同位素示蹤法常見(jiàn)放射性同位素有：

氚（3H），14C，131I等用同位素來(lái)標(biāo)識(shí)化合物，不影響化學(xué)性質(zhì)，又非常輕易測(cè)定，在當(dāng)前研究中，已經(jīng)成為一個(gè)必不可少伎倆。代謝總論專題知識(shí)講座第46頁(yè)47

常見(jiàn)放射性同位素同位素名稱符號(hào)放射線種類半壽期氫3（氚）3H,Tβ-12.26年碳1414Cβ-5730天磷3232Pβ-14.3天碘131131Iβ-8.070±0.009天硫3535Sβ-87.1天

正比計(jì)數(shù)法(proportioncounting)：放射線→（物質(zhì)產(chǎn)生離子化）放光→（光電倍增管）電子脈沖→檢測(cè)液體閃爍計(jì)數(shù)法(liquidscintillationcounting)：射線→（芳香族溶劑）熒光→檢測(cè)放射自顯影法（autoradiography）：射線→感光膠片→分析感光膠片代謝總論專題知識(shí)講座第47頁(yè)48核磁共振波譜法：運(yùn)動(dòng)19min后運(yùn)動(dòng)前磷酸肌酸磷酸肌酸無(wú)機(jī)磷酸無(wú)機(jī)磷酸ATPATP磷酸肌酸運(yùn)動(dòng)19分鐘前后ATP和磷酸肌酸改變情況人體前臂肌肉在運(yùn)動(dòng)前后磷酸肌酸,無(wú)機(jī)磷酸和ATP三個(gè)磷酸基團(tuán)31PNMR波譜碳(13C)譜,氟(19F)譜,31P譜,15N譜代謝