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食品科学与工程 生物化学之代谢导论第1页，本讲稿共33页一、代谢的概念一、代谢的概念v代谢：发生在活细胞内的所有化学反应。代谢：发生在活细胞内的所有化学反应。分解代谢反应：分解反应可以使生物大分子降解分解代谢反应：分解反应可以使生物大分子降解释放出小分子和能量；释放出小分子和能量；合成代谢反应：活细胞利用能量，驱动合成代谢合成代谢反应：活细胞利用能量，驱动合成代谢反应，合成用于维持和促进细胞生长所需的分子。反应，合成用于维持和促进细胞生长所需的分子。第2页，本讲稿共33页新陈代谢新陈代谢 生物小分子生物小分子 大分子大分子 合成代谢合成代谢 需要能量需要能量 新陈代谢新陈代谢 能量代谢能量代谢 物质代谢物质代谢 释放能量释放能量 分解代谢分解代谢 生物大分子生物大分子 小分子小分子第3页，本讲稿共33页代谢途径代谢途径v代谢途径：一系列有序的反应合称称为代谢途径。代谢途径：一系列有序的反应合称称为代谢途径。线形代谢途径：前一个反应的产物就是下一个线形代谢途径：前一个反应的产物就是下一个反应的底物。反应的底物。环形代谢途径：由一系列酶促反应构成的，反环形代谢途径：由一系列酶促反应构成的，反应依次形成一个封闭的环形，如柠檬酸循环。应依次形成一个封闭的环形，如柠檬酸循环。螺旋形代谢途径：一组酶可以重复用于给定分螺旋形代谢途径：一组酶可以重复用于给定分子的链的延伸或降解，如脂肪酸的生物合成。子的链的延伸或降解，如脂肪酸的生物合成。第4页，本讲稿共33页分解代谢分解代谢分解代谢由三个阶段组成分解代谢由三个阶段组成v第一个阶段：大分子蛋白质、多糖、脂等降解成小的单第一个阶段：大分子蛋白质、多糖、脂等降解成小的单体构件分子，例如氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等。体构件分子，例如氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等。v第二个阶段，构件分子分解成共同的中间产物，其中第二个阶段，构件分子分解成共同的中间产物，其中最重要的两个化合物是丙酮酸和乙酰最重要的两个化合物是丙酮酸和乙酰CoA。在蛋白质。在蛋白质分解代谢中，氨基酸经脱氨作用可生成氨。分解代谢中，氨基酸经脱氨作用可生成氨。v第三个阶段，乙酰第三个阶段，乙酰CoA进入柠檬酸循环，分子中的乙酰进入柠檬酸循环，分子中的乙酰基被氧化成基被氧化成CO2和和H2O。第5页，本讲稿共33页生物氧化的特点和方式生物氧化的特点和方式生物氧化生物氧化（biological oxidation）：糖类、脂肪、蛋白质等有）：糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和和H2O并释放出能量的并释放出能量的过程。过程。实质：实质：是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。是电子得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电应过程。是电子得失，失电子者为还原剂，是电子供体，得电子者为氧化剂，是电子受体子者为氧化剂，是电子受体1、生物氧化的、生物氧化的特点特点2、生物氧化的方式（、生物氧化的方式（三种三种）、脱羧（）、脱羧（CO2的生成的生成）和耗氧）和耗氧（H2O的生成的生成）。）。3、有机物在体内氧化释能的有机物在体内氧化释能的三个阶段三个阶段第6页，本讲稿共33页生物氧化的特点生物氧化的特点反应条件温和，反应条件温和，在活细胞内进行的酶促氧化过程在活细胞内进行的酶促氧化过程水是许多生物氧化反应的氧供体水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参。通过加水脱氢作用直接参于氧化反应。于氧化反应。碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通过各种载体传递到氧并生成水。来的氢质子和电子，通过各种载体传递到氧并生成水。氧化过程中能量逐步释放氧化过程中能量逐步释放，其中一部分由一些高能化合物，其中一部分由一些高能化合物（如（如ATP）截获，再供给机体所需。）截获，再供给机体所需。生物氧化具有严格的细胞内定位生物氧化具有严格的细胞内定位，真核生物的生物氧化，真核生物的生物氧化是在线粒体中进行的是在线粒体中进行的第7页，本讲稿共33页生物氧化的方式生物氧化的方式生物体内的物质氧化包括失电子、加氧和脱氢生物体内的物质氧化包括失电子、加氧和脱氢失电子：失电子：电子转移电子转移脱氢氧化：脱氢氧化：脱氢氧化：脱氢氧化：生物氧化的主要方式生物氧化的主要方式生物氧化的主要方式生物氧化的主要方式加氧氧化加氧氧化苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸酪氨酸酪氨酸 O2乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶第8页，本讲稿共33页脱羧：脱羧：CO2的生成机制的生成机制方式：方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：类型：-脱羧和脱羧和-脱羧；氧化脱羧和直接脱羧脱羧；氧化脱羧和直接脱羧 直接脱羧直接脱羧CH3CCOOHOCH3CHO+CO2丙酮酸脱羧酶丙酮酸脱羧酶HOOCC H2C COOH 草酰乙酸脱羧酶草酰乙酸脱羧酶CH3CCOOH+CO2OOCH3COSCoA+CO2CH3-C-COOH O丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧氧化脱羧第9页，本讲稿共33页耗氧：耗氧：H2O生成的机制生成的机制代代谢谢物物在在脱脱氢氢酶酶催催化化下下脱脱下下的的氢氢由由相相应应的的氢氢载载体体（NADNAD+、NADPNADP+、FADFAD、FMNFMN等等）所所接接受受，再再通通过过一一系系列列递氢体或递电子体传递给氧而生成递氢体或递电子体传递给氧而生成H H2 2O O。例例：CH3CH2OHCH3CHONAD+NADH+H+乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶2e2H+电子传递链电子传递链12 O2O=H2O第10页，本讲稿共33页分解代谢分解代谢分解代谢的结果：分解代谢的结果：产物：终产物为产物：终产物为CO2、H2O和和NH3。化学能：化学能：v核苷三磷酸如核苷三磷酸如ATP或或GTP形式保存形式保存v还原型辅酶如还原型辅酶如NADH或或FADH2的形式保存的形式保存第11页，本讲稿共33页合成代谢合成代谢v合成代谢：由少数几种简单前体生成各式各样的生物大分合成代谢：由少数几种简单前体生成各式各样的生物大分子。子。先由先由CO2、H2O和和NH3合成构件分子氨基酸、合成构件分子氨基酸、葡萄糖、甘油、脂肪酸等，好象分解代谢的逆葡萄糖、甘油、脂肪酸等，好象分解代谢的逆过程过程由构件分子合成生物学功能各异的生物大分子。由构件分子合成生物学功能各异的生物大分子。第12页，本讲稿共33页二、代谢调控二、代谢调控 一、细胞水平的代谢调节一、细胞水平的代谢调节二、体液水平的代谢调节二、体液水平的代谢调节 即激素调节即激素调节三、神经水平的代谢调节三、神经水平的代谢调节第13页，本讲稿共33页细胞水平的调控细胞水平的调控细胞水平的调控是一种细胞水平的调控是一种最原始的调节机制最原始的调节机制，单细胞生物仅靠，单细胞生物仅靠该机制调节。是高等生物最基础的调控机制。该机制调节。是高等生物最基础的调控机制。细胞水平调控，细胞水平调控，主要通过酶来实现主要通过酶来实现，因此也称为酶水平调，因此也称为酶水平调控或分子水平调控。控或分子水平调控。调控的方式主要有三种：调控的方式主要有三种：区域定位调节区域定位调节酶活性的调节酶活性的调节酶量的调节酶量的调节第14页，本讲稿共33页代谢途径的区域化代谢途径的区域化概念：代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分布于细胞概念：代谢途径的有关酶类，常常组成酶系，分布于细胞的某一区域或亚细胞结构中，使不同代谢途径在不同细的某一区域或亚细胞结构中，使不同代谢途径在不同细胞或细胞亚结构中进行。胞或细胞亚结构中进行。区域化的意义：区域化的存在显著影响真核细胞的代谢情况，区域化的意义：区域化的存在显著影响真核细胞的代谢情况，有利于代谢的调节。有利于代谢的调节。例如：例如：脂肪酸的分解与合成脂肪酸的分解与合成 分解：脂酰分解：脂酰CoA主要过程在线粒体内主要过程在线粒体内 合成：乙酰合成：乙酰CoA主要过程在细胞浆中主要过程在细胞浆中第15页，本讲稿共33页酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域酶或酶系酶或酶系所在区域所在区域糖酵解酶系糖酵解酶系TCATCA酶系酶系磷酸戊糖途径酶系磷酸戊糖途径酶系脂肪酸脂肪酸氧化酶系氧化酶系脂肪酸合成酶系脂肪酸合成酶系尿素合成酶系尿素合成酶系胞浆胞浆线粒体线粒体胞浆胞浆线粒体线粒体胞浆胞浆线粒体和线粒体和胞浆胞浆蛋白质合成酶系蛋白质合成酶系DNADNA聚合酶聚合酶RNARNA聚合酶聚合酶水解酶类水解酶类粗面内质网粗面内质网细胞核细胞核细胞核细胞核溶酶体溶酶体真核细胞内某些酶的区域化分布真核细胞内某些酶的区域化分布第16页，本讲稿共33页酶活性调节酶活性调节酶活性调节：酶结构变化，改变酶活性。酶活性调节：酶结构变化，改变酶活性。v酶原激活：无活性的酶原经切断部分肽段后变成有活性酶原激活：无活性的酶原经切断部分肽段后变成有活性的酶。如消化道的蛋白酶类。的酶。如消化道的蛋白酶类。v酶的化学修饰：酶分子连接或去掉一定化学基团酶的化学修饰：酶分子连接或去掉一定化学基团v酶的聚合与解聚：有些寡聚酶通过与一些小分子调节因子酶的聚合与解聚：有些寡聚酶通过与一些小分子调节因子结合，引起酶的聚合与解聚，使酶发生活性态与非活性态结合，引起酶的聚合与解聚，使酶发生活性态与非活性态的转变。的转变。v变构调节：酶与代谢物结合后引起空间结构变化，改变酶变构调节：酶与代谢物结合后引起空间结构变化，改变酶活性。活性。第17页，本讲稿共33页第18页，本讲稿共33页酶量的调节酶量的调节酶浓度的调节酶浓度的调节牵涉到基因、牵涉到基因、mRNAmRNA、蛋白质的生物合成，所、蛋白质的生物合成，所以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。以这种调节是一种慢调节，在几小时或几天内才能完成。通过调节酶活性，这是快速调节，在几分钟到几十分通过调节酶活性，这是快速调节，在几分钟到几十分钟内完成。钟内完成。1 1、酶生物合成的诱导和阻遏（原核生物）、酶生物合成的诱导和阻遏（原核生物）操纵子学说：操纵子学说：2 2、酶的降解、酶的降解第19页，本讲稿共33页三、自由能变化与氧化还原三、自由能变化与氧化还原自由能的概念自由能的概念:自由能：自由能：=H-TS物理意义：物理意义：*(体系中能对环境作功的能体系中能对环境作功的能量量)自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：G0，反应不能自发进行，耗能反应，反应不能自发进行，耗能反应 G=0，反应处于平衡状态，反应处于平衡状态第20页，本讲稿共33页v一个反应的标准自由能变化与反应的平衡常数有如下一个反应的标准自由能变化与反应的平衡常数有如下关系：关系：G0 RTIn Keq v对于反应对于反应 ABCD，实际自由能变化可表示为：，实际自由能变化可表示为：CD G G0 RTInABv达到平衡点时，达到平衡点时，C平衡平衡D 平衡平衡 0 G0 RTIn A 平衡平衡B平衡平衡 或或 G0 RTIn Keq 第21页，本讲稿共33页化学反应自由能的计算化学反应自由能的计算a.利用化学反应平衡常数计算利用化学反应平衡常数计算 基本公式：基本公式：G=G0+RTlnQc(Qc-浓度商浓度商)G0=-RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 反应反应G-1-PG-6-P在在38达到平衡时，达到平衡时，G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求G0。如果反应未达到平衡，设。如果反应未达到平衡，设G-1-P=0.01mol.L-1，G-6-P=0.001 mol.L-1，求反应的求反应的 G。第22页，本讲稿共33页计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时达平衡时 =Keq=19解：解：G0=-RTlnKeq =-2.303 8.314 311 log19=-7.6KJ/molG=G0+RTlnQc(Qc-浓度商浓度商)=-7.6+2.303 8.314 311 log0.1 =-13.6KJ/mol未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1第23页，本讲稿共33页第24页，本讲稿共33页第25页，本讲稿共33页氧化还原反应的自由能变化氧化还原反应的自由能变化标准还原电势与标准自由能变化有关：标准还原电势与标准自由能变化有关：G0=-nFE0 E0 是氧化和还原的标准还原电势差，即：是氧化和还原的标准还原电势差，即：E0=E+0E-0 利用标准氧化还原电位（利用标准氧化还原电位（E0）计算（限氧化还原）计算（限氧化还原反应）氧化还原反应的的反应）氧化还原反应的的G0 例：计算例：计算NADH氧化反应氧化反应G0第26页，本讲稿共33页电子总是从负电子总是从负电子总是从负电子总是从负电性较强的氧电性较强的氧电性较强的氧电性较强的氧还电对向正电还电对向正电还电对向正电还电对向正电性高的方向流性高的方向流性高的方向流性高的方向流动。动。动。动。第27页，本讲稿共33页例题：计算下反应式例题：计算下反应式GG0 0NADH+HNADH+H+1/2O+1/2O2 2=NAD=NAD+H+H2 2OO正极反应：正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+0 0.82负极反应：负极反应：NAD+H+2e NADH E-0 -0.3 G0 -nFE0 -2964850.82-(-0.32)-220 KJmol-1第28页，本讲稿共33页高能化合物高能化合物概概念念：生生化化反反应应中中，在在水水解解时时或或基基团团转转移移反反应应中中可可释放出大量自由能（释放出大量自由能（21KJ/mol）的化合物。）的化合物。1、高能化合物的、高能化合物的类型类型 2、ATP的的特点特点第29页，本讲稿共33页第30页，本讲稿共33页ATP的特点的特点 在在pH=7环环境境中中，ATP分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带4个个负负电电荷荷的的离离子子形形式式（ATP4-），具具有有较较大大势势能能，加加之之水水解解产产物物稳稳定定，因因而而水水解解自自由由能能很很大大（G=-30.5千千焦焦/摩尔）。摩尔）。腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1第31页，本讲稿共33页ATP的特殊作用的特殊作用 ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸 （磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油第32页，本讲稿共33页第33页，本讲稿共33页