9代谢总论与生物氧化

第18章代谢总论与生物氧化第一节新陈代谢的有关概念第二节代谢的发生过程第三节中间代谢的实验研究方法第四节生物氧化概述第五节ATP与其它高能化合物第六节呼吸链与氧化磷酸化第一节新陈代谢的有关概念一、新陈代谢的概念：新陈代谢是生物体最基本的特征，是生命存在的前提。1.狭义概念：是指细胞内所发生的酶促反应过程，称为中间代谢。这是代谢活动的主体，也是代谢研究的主要内容。2.广义概念：是生物与外界环境进行物质与能量交换的全过程。即：生物体内所经历的一切化学变化。包括消化、吸收、中间代谢及排泄等阶段。新陈代谢包括生物体内所发生的一切合成和分解作用。一方面，生物体不断从周围环境中摄取物质，通过一系列生化反应，转变为自己的组成部分；另一方面，将原有的组成成分经过一系列生化反应，分解成不能在利用的物质排出体外，不断地进行自我更新。生物体通过新陈代谢所产生的生命现象是建立在合成代谢与分解代谢矛盾对立和统一的基础上的，它们之间既相互联系、相互依存，又相互制约。合成代谢分解代谢物质代谢能量代谢新陈代谢新陈代谢图解（同化作用）（异化作用）小分子大分子需要能量释放能量大分子小分子细胞内的代谢途径和代谢网络分解代谢和合成代谢代谢的三种途径酶的三种组织方式①反应条件温和②高度调控③每一个代谢途径都是不可逆的④一个代谢途径至少存在1个限速步骤⑤各种生物在基本的代谢途径上是高度保守的⑥代谢途径在细胞内特别在真核细胞是高度分室化的⑦不同的生物使用不同的途径获取能量和碳源代谢途径的分室化代谢途径发生区域三羧酸循环、氧化磷酸化，脂肪酸氧化，氨基酸分解线粒体糖酵解、脂肪酸合成、磷酸戊糖途径、细胞液DNA复制、转录、转录后加工细胞核、线粒体、叶绿体膜蛋白和分泌蛋白的合成粗面内质网脂和胆固醇的合成光面内质网翻译后加工（糖基化）高尔基体尿素循环肝细胞线粒体和细胞液动物细胞膜结构和物质代谢的联系图解（质膜、核及核仁、内质网、线粒体）二、新陈代谢的内容确定参与每一个代谢反应的酶与辅酶的结构与功能，这需要对有关的酶进行分离、纯化和定性的研究。确定一条代谢途径之中的底物、中间代谢物和终产物的结构、名称和反应的类型。确定一个酶促反应的调节机制。1.物质代谢和能量代谢（1）物质代谢：各种生理活性物质（如糖、蛋白质、脂类、核酸等）在细胞内发生酶促反应的途径及调控机理，包含旧分子的分解和新分子的合成；（2）能量代谢：光能或化学能在细胞内向生物能（ATP）转化的原理和过程，以及生命活动对能量的利用。细胞需要持续不断的能量供应NADH,NADPH和ATPATP–通用的能量货币NADPH–生物还原剂葡萄糖--NADH--ATP葡萄糖--NADPH--生物合成代谢中的能量考虑（1）合成代谢：活细胞从外环境中取得原料合成自身的结构物质、贮存物质、生理活性物质及各种次生物质的过程是合成代谢，也叫生物合成。是需要供应能量的过程。（2）分解代谢有机物质在细胞内发生分解的作用过程。分解过程中的许多中间产物可供作生物合成的原料。伴随分解代谢释放出化学能并转化为细胞能够利用的生物能（ATP）。2.合成代谢与分解代谢3.代谢途径无论物质代谢还是能量代谢，分解代谢还是合成代谢，一般都是由多种酶催化的连续反应过程。所谓代谢途径就是细胞中由相关酶类组成的完成特定代谢功能的连续反应体系。细胞中具有某种代谢途径也就是指具有其酶系。代谢途径的组成可简单示意如下：PS1EA2EB3EC4ED5ES：代谢底物，P：产物，E：酶。从S到P之间的一系列过渡产物称为中间产物。底物、中间产物、终产物统称为代谢物。不同代谢途径所具有的相同的中间产物称为公共中间产物。通过公共中间产物可实现途径间的互相联系，调节代谢物质的流向，维持细胞中各种物质的代谢平衡。4.生物的营养类型分类C源能源电子供体实例光能自养生物CO2光HO2,H2S,S或其它无机物绿色植物、藻类、蓝细菌、光合细菌化能自养生物CO2氧化还原反应无机化合物如H2,H2S,NH4+Fe2+固氮菌、氢细菌、硫细菌和铁细菌光能异养生物有机化合物光有机物（葡萄糖）非硫紫细菌化能异养生物有机化合物氧化还原反应有机物（葡萄糖）动物、大多数微生物自然界中的生物根据其所利用的碳源和能源，可分为不同的营养类型。（1）自养与异养：碳源是为细胞生物合成提供碳素营养的物质。有些生物利用无机物二氧化碳作为碳源，这类生物称为自养生物。有些生物需要现成的有机物作为碳源，称之为异养生物。（2）光能与化能：生物体能够利用的能源主要有光能和化学能。根据不同生物对能源的要求，可分为光能营养型和化能营养型。光能营养型是直接利用光能，通过光合磷酸化作用合成ATP；化能营养型是利用现成有机物或无机物，通过氧化磷酸化反应合成ATP。生物营养类型营养类型碳源能源电子供体生物举例自养型光能自养CO2光H2O等植物化能自养CO2无机物氧化H2、S氢细菌异养型光能异养有机物光有机物藻类化能异养有机物有机物氧化有机物动物四种营养类型中，光能自养型和化能异养型占绝大多数。另两种营养类型相对较少。还有些高等生物的所有细胞并非都属于同一营养类型。例如，高等植物叶子是光能自养，而根部则为化能异养型。叶绿细胞在日光中为光能自养型，在黑暗中又为化能异养型。（3）需氧与厌氧：不同生物对分子氧的依赖关系也有很大区别，据此可分为需氧生物、厌氧生物和兼性生物。需氧生物是在有氧条件下才能维持代谢的生物。其代谢活动需要以分子氧（O2）作为有机物氧化反应的电子受体。厌氧生物是在无分子氧的环境中生活的，以无机物或有机物为电子受体，不能用O2作为电子受体，而且分子氧（O2）对绝对厌氧生物会有毒害作用。兼性生物在有氧、无氧条件下都能生存，有氧时利用氧，无氧时能利用某些氧化型有机物作为电子受体。第二节代谢的发生过程一、分解代谢的一般过程几乎所有生物都具有分解利用有机物的能力。有机营养物质（糖、脂、蛋白质）分解代谢的发生过程，可以分为四个阶段。生物大分子的降解阶段单体分子初步分解阶段乙酰基完全分解阶段氢的燃烧阶段1.生物大分子的降解阶段。外源生物大分子通过消化作用降解，内源生物大分子通过胞内酶催化降解，分解为其单体分子，即多糖分解为己糖或戊糖，蛋白质分解为氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸等。这些降解反应途径都很短，仅有几种酶催化，不产生可利用的能量。2.单体分子初步分解阶段。细胞都具有特定的分解代谢途径，分别将单糖、氨基酸、脂肪酸等单体分子进行不完全分解。如糖的EMP途径、脂肪酸的β-氧化等等。各种单体分子不管其结构和性质差别多大，经过第二阶段的有关代谢途径都能巧妙地被降解成少数几种中间产物，主要是乙酰CoA。因此，第二阶段起到了殊路同归、把多形性的底物分子向一体化结构集中的作用，为最后纳入同一代谢途径进行完全分解创造了条件。3.乙酰基完全分解阶段。三羧酸循环途径是各种营养物质分解所生成的乙酰基集中燃烧的公共途径。经过三羧酸循环，乙酰基完全分解，碳原子氧化成二氧化碳，并有少量能量释放，生成ATP。大量的化学能以氢原子对2H（2H+＋2e）的形式转入还原型辅酶分子。还原型辅酶再将氢原子对送入呼吸链进行氧化放能。4.氢的燃烧阶段。这是有机物氧化分解的最后一个环节。主要包括电子传递过程和氧化磷酸化作用。在线粒体内膜上由多种色素蛋白组成的呼吸链是使第二、三阶段生成的氢原子对（2H+＋2e）完全氧化的组织体系，也是细胞中有机物氧化分解释放能量的主要部位。二、合成代谢的一般过程生物合成包括组建生物大分子所需单体分子的合成、生物大分子的合成、细胞结构的组建、生理活性物质及次生物质的合成等。所有生物合成都是需能酶促反应过程。需要由核苷三磷酸，主要是用ATP供能，所有生物合成过程都需还原型辅酶（NADPH）供应还原力。除了营养贮存物质的合成之外，一般正常生理状态下的生物合成都遵守细胞经济学的原理，用多少，合成多少。合成途径的启、闭、快、慢都受细胞调节系统调节。不同生物类群的生物合成能力有所不同，所用的原材料和能量来源也不尽相同。但是，一切活细胞都需要自行合成本身所需要的种种生物大分子。合成代谢一般可以分成三个阶段：原料准备、单体分子合成、生物大分子合成。生物合成所需的碳源、氮源、能量和还原力（NADPH）主要通过分解代谢供应。从这种意义上来讲，分解代谢可以视为合成代谢的原料准备阶段。自养生物所需要的单糖、脂肪酸、氨基酸、核苷酸等各种单体分子及其他生理活性物质，生物自身都能合成。高等动物和人体有几种氨基酸和脂肪酸及维生素等生理活性物质，自身不能合成，需要靠植物和微生物供给。微生物的生物合成能力差别很大。凡自身不能合成的单体分子则为其生长限制因子，必须由外界供给。对于异养生物而言，分解代谢是生物合成的先决条件。只有充足的营养源被分解，才能为生物合成供应必需的原料和能量。第三节中间代谢的实验研究方法同位素示踪：经常使用的同位素有放射性同位素和稳定同位素两类，前者包括14C、32P、35S和3H等，后者有18O和15N等。代谢抑制剂的使用代谢遗传缺陷型突变体的使用基因操作和生物信息学中间代谢的研究内容很多，研究目的不同，所用的生物材料和实验方法也不相同。为探讨代谢途径及其调节机理，动物、植物、微生物材料都可以作为实验对象。根据实验材料的水平，常将实验分为活体内实验和活体外实验。1.活体内实验（整体实验）用整体生物材料或高等动物离体器官或微生物细胞群体进行中间代谢实验研究称为活体内实验。（一）活体内实验和活体外实验实验结果代表生物体在正常生理条件下整体代谢情况，比较接近生物体的实际。典型例子：1904年，德国化学家Knoop提出的脂肪酸β-氧化学说。2.活体外实验用从生物体分离出来的组织切片，组织匀浆或体外培养的细胞、细胞器及细胞抽提物进行中间代谢实验研究称为活体外实验表示。典型例子：糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化等。探讨物质代谢途径的常用方法有：代谢平衡实验、代谢障碍实验、代谢物质标记追踪实验、特征性酶鉴定实验、核磁共振波实验等。其中最有效的是代谢物质标记追踪实验和核磁共振实验。（二）代谢途径的探讨方法1.代谢平衡实验通过活体内实验研究代谢物摄入和产出排出的平衡关系，可以了解对代谢物的利用能力及产物生成情况。例如测定“呼吸商”（R.Q.）可以判断体内能量利用情况。R.Q.=产CO2量（升）/耗O2量（升）糖类物质R.Q为1，脂肪R.Q为0.7，蛋白质R.Q为0.8。人体正常代谢时，R.Q介于0.85-0.95之间，说明三大营养物质同时发生了氧化分解。饥饿状态下：R.Q？糖尿病人：R.Q？问题：若测得生物材料的R.Q接近1，则表明能量主要来自于何类物质分解？2.代谢障碍实验（代谢途径阻断实验）正常生物体的中间代谢过程中，中间产物不会过多积累，不容易进行分析研究；若用适当方法造成代谢障碍，阻断代谢途径，则使中间产物积累，便于进行分析研究。阻断代谢途径的方法有：造成微生物营养缺陷性、使用抗代谢物、专一性抑制剂等。使用代谢抑制剂确定代谢途径(1)微生物营养缺陷性（微生物基因突变型）采取诱变剂使微生物的基因发生突变，从而造成某种酶缺损，代谢途径中断，缺损酶前面的中间产物会大量积累，致使细胞中该种物质含量增高，便于进行分析研究。应用实例：乳糖的代谢机理。优点：容易突变；经济；简便等（2）使用抗代谢物抗代谢物，又叫代谢拮抗物，或代谢物结构类似物。其分子结构与代谢物的分子结构类似。实质：竞争性抑制剂。例子：丙二酸是琥珀酸的抗代谢物，能对琥珀酸脱氢酶发生很强的竞争性抑制作用，造成代谢中间产物“琥珀酸”积累，从而证明了TCA循环中有生成琥珀酸这一反应步骤。（3）酶的专一性抑制剂例子：碘乙酸是巯基酶的专一性抑制剂，可抑制酵母的酒精发酵，造成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮积累。由此证明了酵解途径中1，6-二磷酸果糖是三三裂解生成了三碳糖。（4）利用药物造成异常动物实验（病变动物法）用人工方法使动物发生某一过程的代谢障碍，然后给以一定量受试物质，研究其中间代谢过程。例子1：研究维生素缺乏症，可给以缺乏某种维生素的饲料，若干天后观察其病变情况