环境生物化学第四章

4细胞内生物分子的新陈代谢环境生物化学4.1新陈代谢概论生物在生命活动过程中，一方面不断地从外界环境中吸收营养物质，另一方面又不断地排出废物。这种生物体与外界环境的物质交换作用，就是生物的新陈代谢，或称为物质代谢。人体和动物从环境中取得氧气、清水和食物，又把二氧化碳、水和其它废物排泄到环境中去。绿色植物从环境中取得二氧化碳和水，并利用太阳能，通过光合作用，合成机体的糖，并放出氧，又从环境中取得氮、磷、钾等盐类，合成糖、脂类、蛋白质和核酸等。环境生物化学4.1新陈代谢概论右图为微生物代谢流程简图微生物的生活方式是多种多样的，有的是自养的，有的是异养的，微生物也和它周围的环境进行不断的物质交换。环境生物化学4.1.1同化作用和异化作用生物机体从环境中取得物质，转化为体内的新物质，这个过程叫同化作用。生物机体内的旧有物质，转化为环境中的物质，这个过程叫异化作用。生物机体的新陈代谢物质代谢能量代谢环境生物化学4.1.1同化作用和异化作用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，它们之间是互相联系，互相依存，而且是互相制约的。合成为分解准备了物质前提，外部物质变为内部物质；同时，分解为合成提供必需的能量，内部物质又能转变为外部物质。环境生物化学4.1.1同化作用和异化作用生物体的新陈代谢合成代谢（同化作用）生物小分子合成生物大分子生物大分子分解为生物小分子能量代谢物质代谢需要能量释放能量分解代谢（异化作用）环境生物化学4.1.2中间代谢新陈代谢过程包括营养物质的吸收、中间代谢以及代谢产物的排泄等阶段。就微生物而言，营养物质的吸收和代谢产物的排泄是物质透过细胞膜的过程，当某营养物质(A)进入微生物细胞，要面临着一系列的化学变化，它将被代谢成终点产物(E)，其间可以形成一种或多种化合物(B—D)，称为中间产物。由A到E的反应序列，A→B→C→D→E，称为代谢途径，其中每个反应都由专一的酶催化。物质在细胞内发生的这一系列化学变化、能量转变等则称为中间代谢。环境生物化学4.1.2中间代谢中间代谢是复杂的物质转化过程。一种营养物质有时可以被代谢成不只一种终点产物，而有分枝的代谢途径，如：通常将分枝点上的化合物(c)称为各终点产物(E，G，H)的共同前体。所谓前体是指能被代谢成某种终点产物的任何化合物，可以是在细胞内生成的(如中间产物c)，也可以是由外界供给的。ABCFHGDE环境生物化学4.1.2中间代谢中间代谢依其不同方向的代谢变化，可以分为合成代谢与分解代谢。合成代谢是指一种或数种物质合成较大、较复杂的分子的过程，一般是消耗能量的反应。在合成代谢过程中，也常伴有某些物质的分解反应。分解代谢是指一种物质变为较小、较简单的分子的过程，一般是释放能量的反应。在分解代谢过程中，也常伴有某些物质的合成反应。环境生物化学4.1.2中间代谢将中间代谢分为合成与分解两种过程，绝不是意味着这两种过程在生物体的生命活动过程中是单独分别进行的。合成与分解是一对矛盾，共处于一个统一体中，它们既是对立的，又是统一的。由于能量和物质的相互依存，从而维持了生物体内物质的动态平衡以及能量供给与消耗的动态平衡，构成了新陈代谢的统一性。环境生物化学4.1.3自由能和高能化合物自由能是指一个反应体系中能够做功的那一部分能量。(1)自由能自由能变化量：恒温恒压下记为△G；在25℃，1个大气压、反应物浓度为1mo1/L时的自由能变化称为标准自由能变化，记为△G0（能量单位为kJ/mol）。环境生物化学4.1.3自由能和高能化合物对于任何化学反应A+B→C+D其△G和△G0的关系[A][B][C][D]RTln+ΔG=ΔG△G0时，反应可以自发进行，为放能反应△G0时，反应不能自发进行，必须由外界供给能量，才能推动反应进行，为吸能反应反应能否进行取决△G△G=0时，表明体系已处于平衡状态4-1环境生物化学当△G=0，即体系已处于平衡状态时，由式(4-1)得4.1.3自由能和高能化合物RTlnK=[A][B][C][D]RTln=ΔG——4-2其中K为平衡常数，这种从已知平衡常数，计算反应自由能变化的方法，在生物化学中有很大的实际意义。自由能是状态函数，故△G只与反应前后物质的状态有关，与反应历程无关。环境生物化学4.1.3自由能和高能化合物生理条件下△G=-51.6kJ/molATP-ADP循环标准状态下△G0/=-30.5kJ/mol(2)高能化合物高能化合物是指化合物进行水解反应时伴随的标准自由能变化（△G0/）等于或大于ATP水解生成ADP的标准自由能变化的化合物。环境生物化学4.1.3自由能和高能化合物高能化合物大多数是高能磷酸化合物，含有可水解的磷酸基团，对酸、碱和热都不稳定。它们水解时所以能释放出大量的自由能与其不稳定的分子结构有关，生理条件下（pH=7.4）其结构可表示如下：人体内较重要的高能化合物在水解时释放的自由能都在30kJ/mol以上。环境生物化学4.1.3自由能和高能化合物常见的高能化合物类型环境生物化学4.2糖分解代谢--4.2.1糖代谢概述糖代谢分解代谢合成代谢分解糖类物质小分子物质＋能量无氧分解有氧分解小分子物质＋能量合成糖类物质互有联系或是可逆变化:分解常不完全:分解完全环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解微生物细胞中的多糖可以分为两类分子结构复杂；a.一类为细胞的贮藏物质，在细胞内呈不溶性颗粒；作为微生物营养时，必须水解为单糖或双糖，才能被吸收和利用。多糖由单糖组成的复合糖类,如淀粉、纤维素等；b.一类参与细胞结构；环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解(1)淀粉的水解淀粉不完全酸淀粉酶水解完全糊精葡萄糖结构与淀粉相似分子大小没有一定为催化水解淀粉分子中糖苷键的一类酶的总称环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解淀粉酶对淀粉分子中两种糖苷键的水解反应如下：①α—D—1，4—葡糖苷键的水解：环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解②α—D—1，6—葡糖苷键的水解：环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解根据淀粉酶的作用特点大致可将其分为以下四类:环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解(2)纤维素的水解纤维素无机酸纤维素酶水解葡萄糖水解纤维素的一类酶的总称a.破坏天然纤维素晶状结构的G1酶b.水解游离(直链)纤维素分子的GX酶c.水解纤维二糖的β—葡糖苷酶三类作用顺序:环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解纤维素酶存在方式胞外酶:细胞表面酶:溶解游离于培养基中，霉菌中产生的纤维素酶属于这种形式。结合存在于细胞表面上，如粘细菌的纤维素酶存在于细胞壁内。产生纤维素酶的微生物真菌:木霉、漆斑霉、黑曲霉、青霉、根霉等。细菌:纤维粘菌属、生胞纤维粘菌属和纤维杆菌属。放线菌:黑红旋丝放线茵、玫瑰色放线菌、纤维放线菌及白玫瑰放线菌。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解(3)双糖的水解许多双糖可被微生物利用。例如蔗糖、麦芽糖、乳糖等。微生物利用这些双糖时，首先将其水解或磷酸解，然后再进入单糖降解途径。分解双糖的酶大多为胞外酶，也有在细胞表面或细胞内的。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解①蔗糖的分解蔗糖由葡萄糖和果糖构成。可被蔗糖酶(又称转化酶）水解为葡萄糖和果糖。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解在某些微生物体内含有蔗糖磷酸化酶，可催化蔗糖磷酸解反应，生成1—磷酸葡糖和果糖。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解②麦芽糖的分解麦芽糖由2分子葡萄糖构成，大量存在于发芽的谷粒中，特别是麦芽中。麦芽糖可由麦芽糖酶催化水解为2分子葡萄糖。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解在某些微生物体内有麦芽糖磷酸化酶可催化麦芽糖磷酸解反应，生成1—磷酸葡萄糖和葡萄糖。环境生物化学4.2.2多糖和双糖的分解乳糖是哺乳动物乳汁内主要的糖，由半乳糖和葡萄糖构成；乳糖可由乳糖酶(又称为β—半乳糖苷酶)催化水解，生成半乳糖和葡萄糖。③乳糖的水解环境生物化学4.2.3葡萄糖的分解在单糖中以葡萄糖为最重要，它是大多数异养微生物都能利用的碳源和能源。其它糖类的分解也同葡萄糖的代谢有密切关系。葡萄糖的分解代谢途径较多，不同的微生物及在不同的条件下，它的分解代谢途径也有不同。本节介绍几种主要的降解途经。环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解也称糖酵解途径，是把葡萄糖转变为丙酮酸同时产生ATP的一系列反应；糖的无氧降解几乎是所有具有细胞结构的生物所共有的主要代谢途径；包括以葡萄糖经磷酸化生成1，6—二磷酸果糖进而分解并逐步生成丙酮酸为主要特征的一系列生物化学过程；反应发生于细胞质中。环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解糖酵解途径三阶段①糖酵解途径的生物化学过程从葡萄糖开始，糖酵解途径全过程分为11步（见下图），可分为三个阶段。整个过程都在细胞浆中进行，无氧气参加，是无氧分解过程。a.前三步为葡萄糖磷酸化、异构化阶段，属己糖水平；b.中间两步为裂解阶段，从已糖进入丙糖水平；c.后六步为产生ATP的贮能阶段。环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解糖酵解过程分为11步环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第1步葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖（G-6-P）葡萄糖+ATP6-磷酸葡萄糖+ADP环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解a.由己糖激酶或葡萄糖激酶催化的不可逆反应；b.是耗能过程，由ATP提供能量，同时将γ-磷酸基团转到葡萄糖上，ATP变成ADP；c.是糖酵解途径中的限速步骤之一；d.Mg2+是必须的阳离子。特点磷酸化的作用a.磷酸基团的极性，可阻止中间产物透过细胞膜，以维持较高的细胞内浓度；b.在形成酶-底物复合物时，底物上的磷酸基团有利于识别或结合酶；c.有利于保存积聚糖酵解的能量，并将此能量最终连同磷酸基团一起转移到ATP中去。环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第2步6-磷酸葡萄糖转化成6-磷酸果糖（F-6-P）6-磷酸葡萄糖→6-磷酸果糖环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解特点a.由磷酸葡萄糖异构酶催化的同分异构化反应，属可逆反应；b.反应平衡时趋向于逆反应的，但因为下一步反应以及以后的某些反应是不可逆的，因此整个反应朝着正反应方向进行。环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第3步6-磷酸果糖磷酸化成1，6-二磷酸果糖（F-1，6-2P）6-磷酸果糖+ATP→1，6-二磷酸果糖+ADP环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解d.Mg2+是必需的阳离子。a.由磷酸果糖激酶催化的不可逆反应；特点b.是耗能过程，由ATP提供能量；c.是糖酵解途径中的限速步骤之二；环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第4步1，6-二磷酸果糖裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP）1，6-磷酸果糖→磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解a.由1，6-二磷酸果糖醛缩酶催化的裂解反应，在1，6-磷酸果糖C3-C4之间断裂。属可逆反应；b.而且平衡有利于逆向反应方向，醛缩酶由此命名；c.在正常的生理条件下，由于3-磷酸甘油醛不断被转化，大大降低了细胞内3-磷酸甘油醛的浓度，从而驱动反应向裂解方向进行。特点环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第5步磷酸二羟丙酮与3-磷酸甘油醛的异构化磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解a.由磷酸丙糖异构酶催化的同分异构化反应，属可逆反应；b.反应平衡时趋向于逆反应，但由于3-磷酸甘油醛的消耗，反应仍能向正方向进行。特点环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解第6步3-磷酸甘油醛氧化成1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛+NAD+→1，3-二磷酸甘油酸+NADH+H+环境生物化学4.2.3.1葡萄糖的无氧降解a.由磷酸甘油醛脱氢酶催化的可逆反应；b.是脱氢反应，脱下的氢则由NAD+所接受，生成NADH+H+；c.又是磷酸化反应，有无机磷酸参加反应，将反应放出的能量储存到产物1，3-磷酸甘油酸分子内，形成一个高能化合物；d