代谢总论与生物氧化-1

第七章新陈代谢总论与生物氧化新陈代谢总论（一）新陈代谢的概念生物体自外界摄取物质，即营养物质，以维持其生命活动。这些物质进入体内，转变为生物体自身的分子以及生命活动所需的物质和能量等等。营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢（metabolism）。新陈代谢是生物与外界环境进行物质交换与能量交换的全过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成成分，另一方面，将原有的组成成分经过一系列的生化反应，分解为不能再利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。生物体内的新陈代谢并不是完全自发进行的，而是靠生物催化剂——酶来催化。酶是推动生物体内全部代谢活动的工具。由于酶作用的专一性，每一种化学反应都有特殊的酶参与作用。每种特殊的酶都有其调节机制。它们使错综复杂的新陈代谢过程成为高度协调的、高度整合在一起的化学反应网络。生物体内酶催化的化学反应是连续的，前一种酶的作用产物往往成为后一种酶的作用底物。这种在代谢过程中连续转变的酶促产物统称为代谢中间产物（metabolicintermediates），或简称代谢物（metabolites）。新陈代谢包含物质合成和分解两个方面。不管是外界环境获得的，还是自身储存的有机营养物，通过一系列反应步骤转变为较小的、较简单的物质的过程称为分解代谢（catabolism）。与分解代谢相伴随的，是将蕴藏在有机大分子中的能量逐步释放出来。分解代谢所经过的途径称之为分解代谢途径（catabolicpathways）。合成代谢（anabolism）又称生物合成（biosynthesis），是生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程。由小分子建造成大分子是使分子结构变得更加复杂。这种过程都是需要提供能量的。应当注意的是，同一种物质，其分解代谢和合成代谢途径一般是不相同的。他们并不是简单的可逆反应，而往往是通过不同的中间反应或不同的酶来实现的。生物机体的分解代谢和合成代谢不只是采取不同的途径，甚至同一种物质的两种过程是在细胞的不同部位进行的。合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）生物小分子合成生物大分子需要能量释放能量生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢生物体的新陈代谢新陈代谢简称代谢，是生物体表现其生命活动的重要特征之一新陈代谢过程包括营养物质的消化吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。中间代谢一般仅指物质在细胞中的合成和分解过程，不涉及营养物质的消化吸收与代谢产物的排泄等。本教程着重讨论中间代谢。（二）新陈代谢的研究方法1.活体内与活体外实验文献中通常用“invivo”表示活体内实验，“invitro”表示活体外实验。用生物整体进行研究，称为体内研究。用拉丁语“invivo”表示，是“在体内”的意思。用器官组织制成切片、匀浆、或提取液作为材料进行研究，称为“invitro”研究，是“在体外”或“在试管内”的意思。2.同位素示踪法3.代谢途径阻断等方法用抗代谢物或酶的抑制剂来阻断中间代谢的某一环节，观察这些反应被抑制或改变以后的结果，以推测代谢情况。（三）生物体内能量代谢的基本规律伴随着生物体的物质代谢所发生的一系列的能量转变称为能量代谢（energeticmetabolism）。有关热力学的一些基本概念内能（internalenergy）是体系内部质点能量的总和，通常同符号U（或E）表示。焓又称热焓（enthalpy），用符号H表示。焓也是体系的一个状态函数，它是一个体系的内能与其全部分子的压力和总体积变化之和。焓所涉及到的是体系内质点之间的相互作用和质点自身的能量。焓的变化称为焓变，用符号△H表示。焓变和内能变化之间的关系可用下式表示：△H=△U+△PV△H——焓变；△U——内能的变化；△PV——压力和体积的变化；热力学第一定律称为能量守恒定律。这一定律指出，一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的形式可以转变，但不会消失。热力学第一定律不能预测某一反应能否自发进行。热力学第二定律指出：热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。第二定律说明，热力学体系的运动有一定的方向性，即自高温流向低温。当热自高温物体传给低温环境时，即把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境的质点中。这表明能量分散的程度增大。相反的过程是不可能自发进行的。自发过程的共同特征就是所有这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。一个体系中能量分散的程度是该体系中大量微观质点进行各种运动的综合表现从而汇集成一种宏观性质。这种性质随体系的状态而变化，也就是该体系的状态函数。这个体系能量分散程度的状态函数，笼统地称为熵（entropy），用符号S表示。熵值也可以说是代表一个体系质点散乱无序的程度。一个体系的质点当变为更加混乱时，它的熵值增加。熵的变化用△S表示，是正值。热力学第二定律是指任何一种物理或化学的过程只有当其体系和周围环境的熵值总和增加时才能自发进行。自由能（freeenergy）是生物体用以作功的能量。用符号“G”表示。△G=△H-T△S△G——在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化；△H——体系焓的变化；T——体系的绝对温度；△S——体系的熵变；△G＜0时，体系的反应能自发进行，这负值意味着反应发生时将释放出能量。△G＞0时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行。△G=0时，表明体系已处于平衡状态。焓和熵的变化在数值上是相等的标准自由能变化和化学平衡的关系标准条件指的是，反应温度为25℃，101325Pa（一个大气压），参加反应的物质和生成物质的浓度都是1mol/L。标准自由能变化的符号用△G0表示。对于生物化学反应，标准状态还规定反应进行的环境为pH=7。这时的标准自由能变化用△G0表示。单位为kJ/mol（千焦耳/摩尔）。△G0和△G之间的区别：△G0是在标准条件下，一个化学反应的常数，因为是在标准状态下，这个值决定于参加反应的物质本身，所以每一个化学反应都有其特定的标准自由能变化。而△G是某一化学反应随参加反应物质的浓度、发生反应的pH和温度而改变的自由能变化。根据反应物和产物浓度计算出的△G值,可判断一个化学反应是否能按预想的方向进行。只有当△G是负值时,反应才能进行。因为这负值意味着反应发生时,将释放出能量。而△G°若为正值，只要计算所得的△G为负值，反应仍可按预想的方向进行。△G对于所有趋向化学平衡的反应都是负值。而且此绝对值逐渐缩小,直至达到零为止.这就是反应的平衡点.假设有如下化学反应：A+BC+D自由能变化公式是：△G=△G0+RTln[C][D][A][B]△G0——标准自由能的变化；R——气体常数;T——是绝对温度。从以上的公式可以看出，一个化学反应自由能的变化△G,有两部分所决定，一部分是不变因素，即由反应物本身的性质所决定，即标准状态下,产物自由能与反应物自由能之差△G°。另一部分是可变因素，即反应物和产物的浓度，反应的化学当量以及反应的温度.根据以上条件，对于任何一个化学反应,如果知道反应的温度，反应物和产物的标准自由能变化以及它们的浓度，就可以计算该反应的自由能变化。当反应处于平衡时，即△G=0，上式可改写为：△G0=-RTln[C][D][A][B]反应平衡常数K=[C][D][A][B]△G0=-RTlnK=-2.303RTlgKR为气体常数（R=8.315J/mol一度），T为绝对温度，lgK为平衡常数的对数。以AB反应为例，若平衡常数K大于1时，△G0为一负值，反应向生成B的方向进行。若平衡常数K小于1时，△G0则为正值，如表所示。在化学反应中，只有自由能降低，即△G＜0的反应才能自发地进行。反应进行的推动力与自由能降低的多少成正比。当△G为正值时，即△G＞0，也就是反应产物的标准生成自由能大于反应物的标准生成自由能，这种反应不能自发的进行。需要由环境提供能量反应才能进行。这种反应称为需能反应。反应能否进行的自发性是以△G值为判据，而不是△G0。当一个化学反应处于平衡时，没有自由能的变化，△G=0。所以不可能从处于平衡的任何化学反应中获得能够做功的能。热力学第二定律只提示一个化学反应的方向和限度，不预示反应过程的速率。因此对于△G≤0的化学反应，也不等于这个反应实际上已经自发进行。对许多反应还必须给参加反应分子提供活化能，或用催化剂，例如酶，来降低活化能，反应才能进行。（四）高能化合物与ATP的作用1.高能磷酸化合物的概念磷酸化合物在生物体的换能过程中占有重要地位。机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量的自由能。这类化合物为高能磷酸化合物。高能化合物分子中的酸酐键，能释放出大量自由能，称之为“高能键”（high-energybond）。用符号“~”表示。高能化合物常用~P或~P来表示。化学中的“键能”的含义是指断裂一个化学键所需要提供的能量；而生物化学中所说的“高能键”是指该键水解时所释放的大量自由能。2.高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型ATP是细胞内特殊的自由能载体。它在细胞内广泛地存在，无论是细胞核、细胞溶胶以及线粒体等。在标准情况下，ATP水解为ADP和Pi的标准自由能变化△G0’=-30.51kJ/mol；当ATP提供能量时，在ATP远端的那个γ-磷酸基团水解成为无机磷酸分子，ATP分子失掉一个磷酰基而变为腺苷二磷酸。腺苷二磷酸又可在捕获能量的前提下，再与无机磷酸结合形成ATP。ATP和ADP的往复循环是生物机体利用能量的基本方式。利用ATP水解释放的自由能可以驱动各种需能的生命活动。能够直接提供自由能推动生物体多种化学反应的核苷酸类分子除了ATP外，还有GTP、UTP以及CTP等。例如UTP用于多糖的合成、CTP用于磷脂合成、GTP用于蛋白质合成等。但物质氧化时释放的能量大都是必须先合成ATP，然后ATP可使UDP、CDP或GDP生成相应的UTP、CTP或GTP。肌酸磷酸是能量的储存形式。生物氧化Biologicaloxidation有机分子在细胞内氧化分解成二氧化碳和水并释放出能量形成ATP的过程，笼统地称为生物氧化。生物氧化实际上是需氧细胞呼吸作用中的一系列氧化-还原反应，所以又称为细胞氧化或细胞呼吸，有时也称组织呼吸。生物氧化实质上就是指氧化磷酸化（oxidativephosphorylation），是NADH和FADH2上的电子通过一系列电子传递载体传递给O2，伴随NADH和FADH2的再氧化，将释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程。电子传递链在原核细胞存在于质膜上，在真核细胞存在于线粒体的内膜上。凡是反应中有电子从一种物质转移到另一种物质的化学反应称为氧化—还原反应（oxidantion–reductionreactions）。换言之，电子转移反应就是氧化—还原反应。提供电子的分子称为还原剂，接受电子的分子称为氧化剂。还原剂和氧化剂相偶联构成氧化-还原电子对。简称氧-还电对。氧化-还原反应往往是可逆的，物质失去电子后，称为氧化型，氧化型再得到电子又称为还原型。An++neANAD+大部分代谢物脱下的2HNADH-Q还原酶又称为NADH脱氢酶，简称为复合体Ⅰ。该酶有两种辅基：黄素单核苷酸（flavinmononucleotideFMN）铁硫簇（iron-sulfurcluster，Fe-S）NADH+H+或NADPH+H+烟酰胺加氢反应只接受1个电子和1个氢原子，将另一个H+游离出来。对侧的碳原子可进行加氢反应。NADH-Q还原酶先与NADH结合并将NADH上的两个高势能电子转移到FMN辅基上，使NADH氧化，并使FMN还原，反应如下：NADH+H++FMNFMNH2+NAD+FMN既可接受两个电子形成FMNH2，又可接受一个电子，或由FMNH2给出一个电子形成一个稳定的半醌中间产物。在生物氧化过程中，FMN和FAD通过分子中异咯嗪环上的1位和10位氮原子的加氢和脱氢，把氢从底物传递给受体。NADH–Q还原酶辅基FMNH2上的电子又转移到铁硫簇（Fe–S）上。功能是将FMNH2的电子传递给泛醌。辅酶Q（CoQ）又