8 代谢导论

8.1 代谢描述的是细胞的所有反应8.2 细胞中代谢包括分解代谢和合成代谢8.3 代谢途径是受调控的8.4 代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域8.5 热力学原理是代谢研究的基础8.6 ATP 是生物能的主要载体8.7 其它代谢物的能量可以与 ATP 的合成偶联8.8 酰基转移在代谢中也是很重要的8.9 生物氧化反应的自由能可以以还原型辅酶形式贮存8.10 代谢中常见的有机反应机制

分解代谢反应分解代谢反应和合成代谢反应合成代谢反应。分解反应使生物大分子降解为构件分子和释放能量；活细胞利用释放的能量合成用于细胞维持和生长所需的分子。细胞也利用捕获的能量执行细胞的其它任务，例如跨膜运输等任务。

8.1 代谢描述的是细胞的所有反应

蛋白质 核酸多 糖

脂8.2 8.2 代谢分为分解代谢代谢分为分解代谢和合成代谢和合成代谢

分解反应可以使生物大分子降解释放出小的构件分子和能量；

合成代谢则是由少数几种简单前体可以生成各式各样的生物大分子。 CO2、 H2O和 NH3

合成构件分子氨基酸等，再由构件分子合成生物学功能各异的生物大分子。

第二个阶段，构件分子代谢只生成少数几种分子，其中有两个重要的化合物丙酮酸丙酮酸和乙酰和乙酰 CoACoA 。

第一个阶段：蛋白质、多糖、脂等降解成－构件分子，例例如氨基酸、葡萄糖、甘油和如氨基酸、葡萄糖、甘油和脂肪酸等脂肪酸等。

在第三个阶段，乙酰 CoA 进入柠檬酸循环，分子中的乙酰基被氧化成 CO2和 H2O 。

分解代谢只生成三种主要的终产物： CO2、 H2O和NH3 。

分

解

反

应

伴随着物质分解代谢的同时也产生了大量的化学能，这些能量一般都是以核苷三磷酸（例如 ATP或 GTP ）（图a ）和还原型辅酶（例如 NADH或 FADH2 ）的形式保存的

（图 b ）。

反馈作用：通常是终产物抑制途径前面的一步关键反应控制它自己合成的速度

前馈作用：当代谢途径前面步骤中产生的代谢物激活途径下游某个反应的酶时就发生了前馈激活作用。

代谢的调控可以说是激素的调控，激素调控的最终表现形式是酶活性和酶含量的调节。酶含量的调节属于基因表达调控。酶促反应代谢途径经常遇到的是反馈抑制作用和前馈激活作用。

8.3 代谢是可调控的

代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域，也称为区室化。代谢的区室化表明代谢物、酶、代谢途径或其他生物分子或系统在细胞内或细胞器内的分布是不同的。

例如在真核生物中，脂肪酸分解代谢出现在线粒体内，而脂肪酸合而脂肪酸合成发生在细胞质中。成发生在细胞质中。又如 ATP 是在线粒体内合成的，而 ATP 的大量消耗却发生在细胞质中。将降解和合成途径分开有许多优越性，最主要的将降解和合成途径分开有许多优越性，最主要的是可以避免两个方向相反的反应彼此会部分或完全抵消是可以避免两个方向相反的反应彼此会部分或完全抵消。

区室化通过区室的通透特性也可以调节酶促反应，通过区室膜有选择的通透（或转运）可以调控底物进入区室和从区室输出产物，因为区室内底物和产物的相对浓度影响酶促反应。

另外区室化与影响代谢物跨细胞膜或亚细胞膜转运的激素的作用紧密相连。在哺乳动物中，不同的区室之间都是通过复杂的方式联系在一起的。

8.4 代谢途径一般都局限于细胞内的特定区域

细胞核：细胞核： DNA复制；tRNA，mRNA

核仁核仁：： rRNA 合成

内质网：脂合成，指导合成产物的去向

核糖体：核糖体：蛋白质合成

微粒体：微粒体：氨基酸氧化，胆固醇降解，乙醛酸循环等

质膜：转运系统高尔基体：蛋白和膜的成分的高尔基体：蛋白和膜的成分的加工加工

叶绿体：叶绿体：光合作用

线粒体：线粒体：柠檬酸循环，脂肪酸氧化，电子传递、氧化磷酸化， 氨基酸分解，糖异生

糖原颗粒：糖原颗粒：糖原合成和降解

细胞质：细胞质：糖酵解，糖异生，戊糖磷酸途径，脂肪酸合成，核苷酸合成

液泡：液泡：贮存水

溶酶体：溶酶体：水解酶的降解

8.5 热力学原理是代谢研究的基础

一、 热力学第一定律、第二定律和自由能变化

第一定律第一定律讨论的是焓 (enthapy) 的变化，焓是在恒压下反应的热。第二定律第二定律讨论的是能量守恆，涉及到熵(entropy) 的变化，熵是难于描述和难于测定的。熵的变化对生物化学特别重要。

热力学的这两个定律可用自由能变化使其联系起来。热力学的这两个定律可用自由能变化使其联系起来。自由能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温恒压下做功的能量。自由能的热力学表达式为： G ＝ H － TS ① 其中： G ：自由能； H ：焓，以热表示总能量； T ：绝对温度； S ：熵。 所有自发的过程总伴随着自由能的降低。自由能的释放与利用体现了产物和反应物之间自由能含量的差别： △G＝ G 产物 － G 反应物 ② 据①式： △ G＝ (H－ TS) 产物 － (H－ TS) 反应物 ＝ (H 产物－ H 反应物 ) － T (S 产物－ S 反应物 ) ＝△ H － T S △ ③一个自发进行的反应系统的△ G 总是负的；当反应进行到平衡状态时，无自由能的变化，即△ G ＝ 0. 故从处于平衡状态反应中不可能得到能够做功的能量。

二、化学反应中的自由能的变化1.标准自由能的变化和非标准自由能的变化 对于涉及反应物 A和 B 及产物 C和 D 来说 ,即 : A + B ←→ C + D其自由能的变化具有如下的关系： △G =RTln([C][D]／ [A][B]) － RTln K 平 （ 1 ） ↗ ↗

（反应物开始时产物与 （处于平衡时产物 反应物的实际浓度比） 和反应物的浓度比） 在标准条件下，产物和反应物在反应初期时的浓度都为 1mol／ L， or 比值＝ 0. 那么 ,(1) 式可改写为： △G = RTln 1－ RTlnK 平

＝ 2.303 RT log1－ 2.303 log K 平

＝－ 2.303 RT log K 平

由于是在标准条件下，∴此时的△ G 即以△ G0 表示，即： △ G0＝－ 2.303 RT LogK 平 (2)

在非标准条件下，则可由 (1) 式可改写成： △G＝△ G0 ＋ RTln([C][D])／ [A][B])

＝△ G0 ＋ 2.303 RT log ([C][D] ／ [A][B]) (3)

标准自由能的变化对任何一个给定的反应来说，都是一个常数，而非标准自由能的变化则随所有参加物存在的浓度而变化。当反应达到平衡时，则△ G＝ 0 ；由于反应达到平衡状态，∴此时的浓度比实际上是平衡常数： K 平 = [C][D]／ [A][B]

当达到平衡时： [C] 平衡 [D] 平衡 0＝ Gˊ＋ RTIn －－－―――

[A] 平衡 [B] 平衡

或 GGˊ́＝ ＝ RTIn Keq RTIn Keq 因此，因此，一旦测定了某个化学反应的平衡常数，就可用每摩尔反应物多少焦耳（ joules， J ）或千焦耳 (kJ) 来计算标准自由能的变化。

2. 化学反应方向的判断： 根据 (2) 式： 当 K 平是： 则△ G0 是： 化学反应的方向： >1.0 负值 正向进性 = 1.0 0 处于平衡状态 < 1.0 正值 逆向进行 标准自由能的变化亦可看成：在标准条件下，产物所固有的自由能与反应物所固有的自由能之差。因此标准自由能的变化又可用下式表示： △G0 = G0 产物－ G0 反应物 标准条件是人们规定的，但在生物体内的化学反应中，反应物和产物的浓度并不是在标准条件下 , 活细胞中的反应物和产物的浓度只是维持在一个窄小范围的稳态水平，绝大多数反应从未达到平衡，所以，在非标准条件下，自由能的变化可直接用 (3) 式计算。

8.6 ATP 是生物能的主要载体

一、生物体内的高能磷酸化合物一、生物体内的高能磷酸化合物 生物体内的高能磷酸化合物： 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 是最主要的高能磷酸化合物，而其他的高能化合物只能作为高能磷酸基 (～ P) 的供体，将～ P 转移到 ADP

上，生成 ATP ，本身很少直接参与其他吸能反应。 

二、 二、 ATPATP 的特殊作用的特殊作用 1. ATP水解时标准自由能变化 当 ATP 的末端磷酸基 (γ- 位上 ) 被水解时，其标准自由能变化是： ATP + H2O → ADP + Pi Go' = -30.5 kJ.mol-1 △

产物 ADP 还含有一个高能磷酸基 (β- 位上 ) ，它被水解时，也能释放很高的能量： ADP + H2O → AMP + Pi Go' = -30.5 kJ.mol-1△

但 AMP 被水解时，其标准自由能变化只有： AMP + H2O → 腺苷 + Pi Go' = -14.2 kJ.mol-1△

所以， AMP 是低能化合物。

ATP 被水解时具有较高的自由能变化是由于 ATP 的特殊的分子结构决定的。 在它的分子结构中存在不稳定的因素 (图)，即静电排斥和相反 (竞争 )共振现象（ opposing (or competing ) ressonance ），使ATP 结构不稳定；结构愈不稳定，愈易被水解，释放出的自由能就愈多。 一个化合物水解时释放出的自由能的多少全取决于反应产物和底物的化学结构，即取决于产物和底物各自所固有的自由能。

2. ATP 在细胞产能和需能反应中的作用 在活细胞内，产能反应与需能反应是偶联进行的 ; 但这种偶联很少是两个反应共同催化的结果；而是通过第三者 (ATP) 起桥梁作用 . 当细胞营养物进行分解代谢时，产生大量的能量。这些能量中的大部分推动着 ADP 磷酸化合成 ATP。 ATP 作为能量的供体用于许多需能反应。

几种富含能量的代谢物水解释放的能量比 ATP水解释放的能量多（下表），在激酶的催化下磷酰基团可以从高能量分子转移到 ADP上，形成 ATP 。储备高能磷酸的分子称之为磷酸原，例如在动物肌肉细胞中发现的磷酸肌磷酸肌酸酸和磷酸精氨酸。 在脊椎动物的肌肉中，大量的磷酸肌酸是在 ATP供应充足时生成的。在静止的肌肉中，磷酸肌酸的浓度大约是ATP的 5倍。当需要 ATP 时，肌酸激酶催化激活的磷酰基团从磷酸肌酸转移给 ADP ，快速地补充 ATP 。 在许多无脊椎动物（例如软体动物和节肢动物）中，磷酸精氨酸是激活的磷酰基团的来源。

8.7 其它代谢物的能量可以与 ATP 的合成耦联

ATP具有较高的转移磷酸基的势能 生物体内的许多化合物本身是不活泼的，不易参加体内的代生物体内的许多化合物本身是不活泼的，不易参加体内的代谢反应，只有当它们转变成活泼的形式才能经受进一步的反应。谢反应，只有当它们转变成活泼的形式才能经受进一步的反应。例如，葡萄糖和甘油，当它们被磷酸化后才能参与体内的反应。 ATP 能把其磷酸基团转移到不同的受体分子上，产生低能的磷酸化合物，这些反应都是通过激酶 (kinases) 催化的。 例如 , 在激酶的催化下， ATP 上的末端磷酸基可转移到葡萄糖或甘油上，生成能量较低的磷酸化合物： Glucose + ATP → Glc-6-p + ADP 己糖激酶 Glycerol + ATP → Glycerol-3-P + ADP 甘油激酶 在葡萄糖降解成乳酸的途径中，产生两个重要的高能中间物，1,3- 二磷酸甘油酸和磷酸烯醇式丙酮酸。它们被水解时可分别产生△ G0‘＝ -49.3 kJ/mol 和 -61.9kJ/mol 的自由能；但在活细胞内 , 它们不直接经受水解反应，而是将其高能磷酸基转移到ADP 上，合成 ATP 。催化这两个反应的酶分别是磷酸甘油酸激酶和丙酮酸激酶。可见，在细胞内 , 超高能量的磷酸化合物必须经过 ATP才能将其磷酸基转移给低能量的磷酸受体分子。 ATP在细胞酶促磷酸基的转移中是一个“共同的中间体 " (图)。

常见的代谢物水解的标准自由能

磷酸烯醇式丙酮酸是酵解途径中的一个中间产物，有一个最富含能量的磷酸键。磷酸烯醇式丙酮酸水解的标准自由能是－ 62kJmol-1 ，磷酸烯醇式丙酮酸既不是磷酸酐也不是磷酸酰胺，而是一个烯醇酯烯醇酯。在丙酮酸激酶的催化下磷酰基团从磷酸烯醇式丙酮酸转移到 ADP上生成 ATP 。

除了磷酰基团转移外，后面讲到的很多代谢反应还涉及到酰基从一个酰基 CoA （或酰基载体蛋白）转移到一个受体分子过程。酰基可以通过硫酯键连接到辅酶 A上。

乙酰 CoA 分子的水解的标准自由能是－－ 31 kJmol31 kJmol-1-1 ，，大约与大约与 ATPATP水解相当水解相当。

8.8 酰基转移在代谢中也是很重要的

在分解代谢反应中，糖、脂和氨基酸被氧化，一个分子的氧化必须与另一个分子的还原相耦联，接受电子而被还原的分子是一种氧化剂氧化剂，而失去电子而被氧化的分子是一种还原剂还原剂。所以净的氧化还原反应是：

Ared＋ Box＝＝ Aox＋ Bred

在脱氢酶催化的反应中，生物氧化反应释放的电子常常是被转移给NAD ＋或 NADP ＋生成还原型辅酶 NADH和 NADPH 。

还原型辅酶 NADH和 NADPH结构上很相似，但功能功能上差别很大，在氧化磷酸化中，在氧化磷酸化中， NADHNADH 转化为转化为 NADNAD ＋＋，同时有，同时有 ATPATP 的生成的生成。 NADPHNADPH

为脂肪酸、氨基酸和核苷酸合成的还原反应提供氢离子为脂肪酸、氨基酸和核苷酸合成的还原反应提供氢离子。这两种辅酶的作用可以说是提供还原力，这种还原力可用还原电位定量表示。

8.9 8.9 生物氧化的自由能可以以还原型辅酶的形式贮存起来生物氧化的自由能可以以还原型辅酶的形式贮存起来

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1. 氧化还原反应与氧化还原电势 氧化反应是可逆的，例如， H2 ←→ 2H+ + 2e ； Fe2+ ←→ Fe3+ + e

电子供体 电子受体 电子供体 电子受体

H2/2和 H+,Fe2+和 Fe3+ 分别构成了氧化还原 (电 )

对 , 可用 2H+／ H2和 Fe3+／ Fe2+ 表示。 一个氧化还原对失去电子和得到电子的倾向，例如，Fe2+失去电子或 Fe3+得到电子的倾向，称作氧化还原电势或氧化还原电位 (oxidation- reduction potential) 。

还原电位可以通过一个电化学装置定量地测定。其原理可以通过一对电子从锌原子转移到一个铜离子（ Cu2+ ）的一个简单的氧化－还原反应来说明。

Zn＋ Cu2+＝ Zn2+＋ Cu

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氧化还原电势是可以定量的。标准条件下，每一个氧化还原对都有一个标准的氧化还原电势 (E0) 。标准氧化还原电势是样品半电池在标准条件下相对于参考半参考半电池电池所具有的电动势（ electromotive force,即 emf ），以伏特（ V ）表示。参考半电池是标准氢半电池。在 25℃、 [H＋ ]为 1.0 mol/L (pH＝ 0) 、一个大气压的氢气压力下，硬性规定它的氧化还原电势为 0 ，即 E0=0 。在测定样品半电池的标准电势时，需将它与参考半电池组成一个原电池。 电子的流动方向电子的流动方向取决于两个半电池各自所具有的电子压或失去电子的倾向；但其流动方向总是从电子压高或失去电子倾向大的电极流向电子压低或失去电子倾向小的另一极。由于规定了氢电极的氧化还原电势为 0 ，所以检流计所指示的电动势就是被检样品的标准氧化还原电势。

但是，发生在生物体内的氧化还原反应是在生理生理pHpH 下下进行的，故将生物体内的氧化还原电对的标准电生物体内的氧化还原电对的标准电势另作了规定势另作了规定，即除了规定了氧化型和还原型的浓度为除了规定了氧化型和还原型的浓度为1.0mol1.0mol／／ L(L( 或单位活度或单位活度 ) ) 、温度为、温度为 2525ooCC外外 ,, 还规定了 还规定了 pHpH取生理取生理 pH7pH7 ，在这样的标准条件下与上述标准氢电，在这样的标准条件下与上述标准氢电极极 (pH=0)(pH=0) 偶联，测定的标准氧化还原电势用偶联，测定的标准氧化还原电势用 EE00’ ’ 表示。表示。 如果将电对 NAD+／ NADH (E0'= -0.32V) 与电对丙酮酸／乳酸 (E0'= -0.19V) 组成原电池的话，根据上述原则 , 电对丙酮酸／乳酸则从电对 NAD+／ NADH获得电子，使丙酮酸还原为乳酸。

一些重要的 生物半反应的标准还原电位

如果电极反应中的氧化型和还原型处在非标准条件下，但在pH7 ，则氧化还原电对的氧化还原电势可用 NernstNernst 方程式方程式计算： E = EE = E00' + (2.303 RT' + (2.303 RT／／ nF)·log(nF)·log( ［氧化型］／［还原型］）［氧化型］／［还原型］）R：气体常数 ,其值为 8.314 J· mol -1·K-1 ；n：传递或转移的电子数 ;F：法拉弟常数 (96485 焦耳 ·v-1·mol-1)。  如果某电极的反应不是在 pH7 ，也可计算。例如， A + 2H ＋ + 2e → AH2 在 25oC 和非标准条件下， E和 E0'的关系为： E = E0' +（ 2.303RT／ nF）×log （［ A][H+ ］ 2／ [AH2]）如果［A ］和［ AH2］都是 1.0mol L﹒ -1 或 比值 = 1 ，则 E = E0' + (0.059/2)·log［ H+ ］ 2 = E0' + 0.059 log［ H+

］ = E0'- 0.059 pH. ∴pH每改变一个单位， E 就要改变 0.0594V

2. 氧化还原电势与自由能变化的关系 在标准条件下，电子电子从氧化还原电势较低的电对流向较高电对的倾向是自由能降低的结果。电子总是趋向反应系统的自由能降低的方向流动。两电对间的标准氧化还原电势的差值： △E0' = E0' 电子受体 – E0' 电子供体氧化还原反应的标准自由能变化 (△Go') 和△ E0'的关系： △Go'= - nF△E0'氧化还原反应的 K 平 '和△ Go'与△ E0'有下面的关系： △Go' = -2.303RT log K 平 ' ；而 △ Go' = - nF△E0'， 所以， -2.303RT log K 平 '=- nF△E0' 亦即 △ E0'= （ 2.303RT／ nF）• log K 平 '在生理非标准条件下，自由能变化 (△G') 可用下式计算： △G'= - nF △E = - nF (E正极 - E负极 )  

在细胞中，代谢反应中生成的大多数还原型辅酶 NADH 可以通过呼吸电子传递链被氧化，伴随电子传递由 ADP ＋ Pi 可以生成 ATP 。来自来自NADHNADH 的电子的最终受体是氧的电子的最终受体是氧。可以计算出在标准条件下整个氧化－还原反应的自由能变化。

NAD ＋＋ 2H ＋＋ 2e→NADH＋ H ＋ E＝－ 0.32V

1/2O2＋ H ＋＋ 2e→H2O E=0.82V

因为 NADH半反应具有更负的标准还原电势，所以它将被氧化，而氧被还原。因此净反应应为：

NADH＋ 1/2O2＋ H ＋→ NAD ＋＋ H2O E＝ 1.14V

由此可以计算出标准自由能的变化：

G＝－（ 2 ）（ 96.48kJV － 1mol-1 ）（ 1.14V ）＝－ 220kJ/mol220kJ/mol-1-1

用于由 ADP＋ Pi 生成 ATP 的自由能变化是 30kJ mol-1 ，而在细胞条件下而在细胞条件下NADHNADH 氧化释放出的能量足可以驱动几个氧化释放出的能量足可以驱动几个 ATPATP 分子的形成。分子的形成。

8.10 代谢中常见的有机反应机制

生物化学中的反应大体可归纳为四类：(1) 、基团转移反应(2) 、氧化 - 还原反应(3) 、消除、异构化和重排反应(4) 、碳碳键的形成或断裂反应

祥见 P5-15 ，并自学掌握！！

谢谢谢谢！！