第19章 代谢总论
19.1 复习笔记
一、新陈代谢概述
1．定义
（1）新陈代谢（metabolism）简称代谢，是营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称，是生物体表现其生命活动的重要特征之一。
（2）代谢途径是指完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应。代谢通过代谢途径将有机分子都转变成代谢的最终产物。
（3）中间代谢（intermediary metabolism）是指新陈代谢途径中的个别环节，个别步骤。
2．生物催化剂—酶
（1）定义
酶是推动生物体内全部代谢活动的工具。
（2）特点
①高度专一性
酶对催化的反应和反应物有严格的选择性，往往只能催化一种或一类反应。
②很高的催化效率
③活性受到调节
每种特殊的酶都有其调节机制，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。
（3）代谢中间产物
代谢中间产物（metabolic intermediates），简称代谢物（metabolites）是在代谢过程中连续转变的酶促产物的统称。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。
3．功能
（1）从周围环境中获得营养物质；
（2）将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件，即大分子的组成前体；
（3）将结构元件装配成自身的大分子，例如蛋白质、核酸、脂类以及其他组分；
（4）形成或分解生物体特殊功能所需的生物分子；
（5）提供生命活动所需的一切能量。
二、分解代谢与合成代谢
1．分解代谢（catabolism）
（1）分解代谢
分解代谢是指从外界环境获得的或自身贮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，与分解代谢相伴随的是能量的释放。
（2）分解代谢途径
分解代谢途径是指分解代谢所经过的反应途径。
2．合成代谢（anabolism）
合成代谢又称生物合成，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为复杂。这种过程都是需要提供能量的。
3．分解代谢与合成代谢途径的异同点
（1）不同点
①同一种物质，其分解代谢和合成代谢途径一般是不相同的，他们并非可逆反应，而是通过不同的中间反应或不同的酶来实现；
②分解和合成代谢选择不同的途径，增加了生物机体内化学反应的数量，提高了代谢活动的调控的灵活性和应变能力；
③同一种物质的两种过程是在细胞的不同部位进行，这种现象在真核细胞生物比较常见。
（2）相同点
分解代谢和合成代谢存在双方都可共同利用的代谢环节—两用代谢途径，如柠檬酸循环。
三、能量代谢在新陈代谢中的重要地位
1．相关概念
（1）物质代谢
物质代谢是指在分解代谢和合成代谢的途径中所包括的物质转化。
（2）能量代谢
能量代谢是指以物质代谢为基础，与物质代谢过程相伴随发生的能量转化。
2．能量
（1）太阳能
太阳能是所有生物最根本的能量来源，光能通过光合作用转化为化学能。
（2）自由能
自由能是指能用于机体做功的能量。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有ATP、GTP、UTP以及CTP等。
（3）自然界以ATP形式贮存的自由能的用途
①提供生物合成做化学功时所需的能量；
②是生物机体活动以及肌肉收缩的能量来源；
③供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需的自由能；
④在DNA、RNA和蛋白质等生物合成中，保证基因信息的正确传递，ATP也以特殊方式起着递能作用。
（4）ATP供能的基本方式
当ATP提供能量时，ATP分子失掉一个磷酰基而变为ADP和磷酸分子。ADP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。
3．辅酶I和辅酶II辅酶的递能作用
（1）分解代谢释放的能量还能以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应；
（2）这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成的；
（3）脱氢酶催化物质的脱氢反应将脱下的氢原子和电子传递给一类特殊能接受这种氢原子和电子的辅酶，称为辅酶I和辅酶II。
4．FMN和FAD的递能作用
（1）FMN（黄素腺嘌呤单核苷酸）和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸），它们也是在传递电子和氢原子中起作用的载体；
（2）FMN和FAD都能接受两个电子和两个氢原子，它们在氧化还原反应中，特别是在氧化呼吸链中起着传递电子和氢原子的作用。
5．辅酶A在能量代谢中的作用
（1）结构
辅酶A简写为CoA，分子中含有腺嘌呤、D-核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和巯基乙胺，巯基是CoA的活泼基团。
（2）作用
①携带酰基的部位在-SH基上，因此CoA又常以辅酶A-SH或CoA-SH表示；
②CoA-SH在酶促转乙酰基的反应中，起着接受或提供乙酰基的作用，乙酰-CoA形成的硫酯键和ATP的高能磷酸键相似，都在水解时释放出大量的自由能。
图19-1 乙酰辅酶A的结构
四、新陈代谢的调节
1．分子水平的调节
分子水平的调节包括反应物和产物的调节，主要是浓度的调节和酶的调节。
（1）酶的调节
酶的调节是最基本的代谢调节。
①酶的数量调节
酶的数量不只受到合成速率的调节，也受到降解速率的调节。
②酶的活性调节
a．可逆的变构调节；
b．共价修饰两种形式。
2．细胞水平
细胞的特殊结构与酶结合在一起，使酶的作用具有严格的定位条理性，从而使代谢途径得到分隔控制。
3．整体水平
多细胞生物还受到在整体水平上的调节，主要包括：（1）激素的调节；（2）神经的调节。
4．其他水平
来自基因表达的调控作用。
五、代谢中常见的有机反应机制
代谢过程几乎都是酶促有机反应。酶催化的有机反应机制为酸-碱催化、共价催化、金属离子催化和静电催化。
1．基团转移反应
在生物化学体系中，基团转移（或称亲核体的取代反应）是指亲电子基团从一个亲核体转移到另一亲核体。
表19-1 常见的基团转移反应
2．氧化反应和还原反应
（1）氧化-还原反应的实质
氧化-还原反应的实质是电子的得失反应，从代谢物转移的电子，通过一系列的传递体转移到氧，并伴随能量的释放，电子的传递通过辅酶来完成。
（2）举例
①NAD＋（NADH）的转换。反应中NADH为电子供体，NAD＋为电子受体；
②在生物体的能量代谢中，NADH提供出两个电子，进入电子传递链。如图19-2所示。
图19-2 NAD＋（NADH）中电子传递
3．消除、异构化及重排反应
（1）消除反应
①碳-碳双键的形式
双键的形成是单键饱和中心发生消除反应后形成的，消除掉的分子一般是H2O、NH3、R-OH、或R-NH2。
②消除反应的机制
a．协同机制；
b．经过碳正离子的机制；
c．经过碳负离子的机制。
酶消除反应时酸性基团以b机制、碱性基团以c机制进行。
③立体化学分类
a．反式消除：生物化学发生最多的机制；
b．顺式消除两类。
（2）异构化反应
生物化学中的异构化反应是指一个氢原子在分子内迁移，即质子从一个碳原子脱离转移到另一个碳原子上，由此发生了双键位置的改变。在代谢中，存在最多的异构化反应是醛糖-酮糖互变反应。
图19-3 醛糖-酮糖互变反应机制
（3）分子重排反应
①概念
重排是C-C键断裂，又重新形成的反应。其结果是碳骨架发生了变化。
②举例
a．在甲基丙二酰单酰-CoA变位酶的作用下，L-甲基丙二酰单酰辅酶A转化为琥珀酰-CoA。这个变位酶的辅基是维生素B12的衍生物；
b．具有奇数碳原子脂肪酸的氧化、某些氨基酸的降解属于这一类反应。
4．碳-碳键的形成与断裂反应
分解代谢与合成代谢实质就是以碳-碳键的形成与断裂为基础的反应过程。
（1）羟醛缩合反应
羟醛缩合反应又称醛醇缩合反应。如醛缩酶所催化的果糖-1,6-二磷酸反应
图19-4 羟醛缩合反应的机制
（2）克莱森酯缩合反应
这个反应是在柠檬酸合酶的作用下发生的。这是一个羟醛-克莱森酯缩合的反应，又称醛醇-克莱森酯缩合反应。它包括以下3个步骤：
①乙酰-CoA负碳离子的形成是由于特定酶的组氨酸残基以碱性催化夺去乙酰基的一个质子。CoA的硫酯键使烯醇式负碳离子通过共振而稳定；
②乙酰-CoA负碳离子对草酰乙酸的羰基碳进行亲核进攻，反应所得柠檬酰-CoA仍然保持与酶成键；
③柠檬酰-CoA的水解，形成柠檬酸及CoA。
（3）β-酮酸的氧化脱羧反应
这类反应是在异柠檬酸脱氢酶或脂肪酸合酶的催化下发生的。如在柠檬酸循环中由异柠檬酸脱氢酶催化的脱羧过程中，由NAD＋还原形成NADH，异柠檬酸氧化后形成β-酮酸的中间体草酰琥珀酸，此β-酮酸发生脱羧反应，形成α-酮戊二酸。
六、新陈代谢的研究方法—测定中间代谢物的方法
1．使用酶的抑制剂
酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造成某一种代谢中间物的积累，从而为测定该中问代谢物提供可能。如碘乙酸由于抑制了醛缩酶的作用而造成酵母发酵液中积累果糖-1,6-二磷酸。
2．利用遗传缺欠症研究代谢途径
（1）患有遗传缺欠症的病人，由于先天性基因的突变，在体内表现为缺乏某一种酶，致使为该酶作用的前体不能进一步参加代谢过程，从而造成这种前体物的积累。这些代谢中间物因不能进一步利用而出现在血液中或随尿排出体外。测定这些代谢中间物有助于阐明有关的代谢途径；
（2）如由遗传缺欠产生的苯丙酮尿症的研究使苯丙氨酸的代谢途径得到了阐明，如图19-5所示；
（3）利用微生物的遗传突变型研究代谢途径，这种突变型微生物可能造成酶或代谢途径的缺乏。
图19-5 苯丙氨酸的代谢途径
3．气体测量法
气体测量法是用以研究包含有气体变化的生物化学反应，这种方法主要是利用代谢过程中气体的消耗或产生二氧化碳的变化量来探知新陈代谢情况。瓦氏呼吸器可用于此方法的测量。
图19-6 瓦氏呼吸器的结构示意图
4．同位素示踪法
（1）用同位素来标记化合物具有无比优越性，因它不改变被标记化合物的化学性质；
（2）化合物的标记，可根据需要来选定不同的同位素和不同标记部位；
（3）最常使用的方法是放射性同位素示踪法；
（4）放射性同位素可用人工方法制得。他们有一定的半寿期或称半衰期，是不稳定的同位素。
表19-2 常用的放射性同位素
5．核磁共振波谱法（NMR）
（1）核磁共振现象
核磁共振现象是指原子核是带有正电荷的粒子，由于它的旋转产生一定方向的磁场（即磁矩），当以适当频率的电磁波照射于外加磁场中的自旋核，处于低能态的自旋核吸收电磁波的能量，从低能态跃迁到高能态的现象。
（2）核磁共振谱
出现核磁共振现象时的核产生一种核磁共振信号，从而给出核磁共振谱（即NMR谱）。据此核磁共振谱可反映分子中各个原子所处的状态。