细胞内生物分子的新陈代谢课件

第四章 细胞内生物分子的新陈代谢 .主要内容主要内容4.1 新陈代谢概论4.2 糖分解代谢4.3 脂肪分解代谢4.4 蛋白质代谢4.5 核酸分解代谢.4.1 新陈代谢概论一、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）分解代谢（异化作用）生物小分子合成生物大分子需要能量生物大分子分解为生物小分子释放能量能量代谢物质代谢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。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。物物质质前前提提能能 量量.二、高能化合物 能量代谢是新陈代谢过程中不可缺少的内容，在能量代谢中，起关键作用的是ATP循环。ATP由腺嘌呤、核糖和3分子磷酸构成，3分子磷酸通过2个磷酸酐键相连。ATP-ADP循环是生物体内能量转换最基本的方式。像ATP等有机化合物在水解时可释放出大量自由能，通常称为高能化合物。所谓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等于或大于ATP水解生成ADP的标准自由能变化的化合物。高能化合物一般对酸、碱和热都不稳定。.4.2 糖分解代谢糖分解代谢 胞外转化（水解）胞内转化（细胞内生物氧化，有机物无机化）；4.2.1 糖的水解作用 糖经酶作用转变成单糖的过程称糖的水解或糖的消化。一、淀粉的水解 淀粉可用酸水解，水解的最终产物是葡萄糖。淀粉酶也可催化淀粉的水解。1、-淀粉酶 又称液淀粉酶或糊精淀粉酶，只能水解-1，4糖苷键。产物：含有6个葡萄糖分子的单位和糊精。主要存在于人和动物体内。2、-淀粉酶 又称糖化酶或生糖淀粉酶，只能水解-1，4糖苷键。产物：麦芽糖和糊精。主要存在于植物种子和块根内。3、葡萄糖淀粉酶 可同时水解-1，4糖苷键和-1，6糖苷键，可以把直链淀粉和支链淀粉全部转化为葡萄糖。主要存在于一些霉菌体中。.4、异淀粉酶 只能水解-1，6糖苷键，使支链淀粉切成直链糊精。主要存在于酵母和马铃薯中。二、纤维素的水解 纤维素在纤维素酶的作用下最终水解成葡萄糖。天然纤维素直链纤维素纤维二糖葡萄糖三、二糖的水解 蔗糖+H2O葡萄糖+果糖麦芽糖+H2O2葡萄糖乳糖+H2O葡萄糖+半乳糖.4.2.2 葡萄糖的分解 葡萄糖进入细胞以后，在有氧的条件下，经一系列酶促作用使葡萄糖彻底分解，放出大量的能量。总反应式如下：C6H6O6+6O26CO2+6H2O+686千卡葡萄糖在生物体内的分解代谢主要通过两个途径完成：（1）糖酵解：葡萄糖丙酮酸（2）丙酮酸氧化：丙酮酸二氧化碳和水一、葡萄糖的无氧降解 由葡萄糖到形成丙酮酸的反应过程称为糖酵解或糖解；又称为EMP途径（Embden-Meyerhof-Parnas）.1、糖酵解的生物化学过程 从葡萄糖开始，糖酵解途径全过程分为10步，三个阶段。第一阶段：葡萄糖磷酸化、异构化阶段，属于己糖水平。（前三步）第一阶段：葡萄糖磷酸化、异构化阶段，属于己糖水平。（前三步）（两步磷酸化、一步异构化）第二阶段：裂解阶段，从己糖进入到丙糖水平。（中间两步）第二阶段：裂解阶段，从己糖进入到丙糖水平。（中间两步）（裂解、异构）第三阶段：产生第三阶段：产生ATP的储能阶段。（后五步）的储能阶段。（后五步）（氧化、底物水平的磷酸化、变位、脱水、底物水平的磷酸化）糖酵解总反应式：葡萄糖+2NAD+2ADP+2Pi2丙酮酸+2H2O+2NADH+2H+2ATP 底物水平磷酸化底物水平磷酸化：物质在脱氢或脱水过程中，产生高能代谢物质并直接将高能代谢物中能量转移到ADP生成ATP的过程。.2、糖酵解的能量问题 产生4个ATP，消耗2个ATP，每一分子葡萄糖经酵解成2分子丙酮酸净得2个ATP。3、糖酵解的生理意义 （1）糖酵解是缺氧条件下机体获得能量的主要方式。（2）污水生物处理中缺氧环境时，微生物可通过加强糖酵解作用获得能量。污泥消化的生化机理实际上就是有机物的无氧分解。（3）糖酵解过程中的大量中间产物为有机物质的合成原料。二、糖的有氧氧化 葡萄糖在有氧的条件下，通过丙酮酸生成乙酰CoA，再经三羧酸循环氧化成二氧化碳和水。葡萄糖丙酮酸乙酰CoA三羧酸循环CO2+H2O.1、有氧氧化的反应过程 分三个阶段：第一阶段：丙酮酸的生成第一阶段：丙酮酸的生成 过程与无氧分解基本相同，不同之处：在EMP途径中形成的NADH2在无氧条件下将其携带的氢交给丙酮酸生成乳酸，而在有氧条件下则通过NADH2氧化呼吸链传递最后与分子氧结合生成水。第二阶段：乙酰第二阶段：乙酰CoA的生成的生成 有氧时，丙酮酸由细胞液进入线粒体在一系列酶的作用下，氧化脱羧，与HS-CoA结合生成乙酰CoA。第三阶段：三羧酸循环（第三阶段：三羧酸循环（TCA循环，循环，tricarboxylic acid cycle）三羧酸循环不仅是糖有氧分解的代谢途径，也是机体内一切有机物碳架氧化为二氧化碳的必经途径。三羧酸循环阶段主要是乙酰CoA的氧化。乙酰CoA与草酰乙酸结合入环，经一系列反应又回到草酰乙酸，循环中加水、脱羧放出氢，氢与氧结合成水，释放出大量的能量。整个TCA循环是一个加水、氧化、脱羧的过程。.2、有氧氧化过程的能量计算 在糖的有氧氧化过程中，除底物磷酸化产生ATP外，各步骤脱出的氢通过电子传递体系与氧化合成水，同时放出能量，以ATP的形式储存备用，此即氧化磷酸化。每一分子NADH2或NADPH2中的氢与氧化合成水时产生3个ATP，每一分子FADH2产生2个ATP，以此来计算糖有氧氧化过程中形成ATP的数量。阶段 反 应ATP数量EMP途径葡萄糖2分子丙酮酸（2ATP，2NADH2）8乙酰CoA生成2丙酮酸2分子乙酰CoA+2CO2（2NADH2）6TCA循环2异柠檬酸2-酮戊二酸（2NADH2）62-酮戊二酸2琥珀酰CoA（2NADH2）62琥珀酰CoA2琥珀酸（2ATP）22琥珀酸2延胡索酸（2FADH2）42苹果酸2草酰乙酸（2NADH2）6共计38.结论：（1）每mol葡萄糖在机体内彻底氧化时，净产生38个ATP；（2）TCA循环中共产生24个ATP，即一分子乙酰CoA经TCA循环可产生12个ATP；（3）能量利用率大约为40%；3、糖有氧氧化的生理意义 （1）糖的有氧氧化（主要是TCA循环）是生物体内产生能量的主要途径，是机体获得能量的主要方式；（2）三羧酸循环是糖类、脂类和蛋白质分解的共同途径，是三大代谢物质互相转化的枢纽；（3）一些列中间产物，既是营养物质，又是合成新的有机物质的必须原料；（4）污水好氧处理的基本原理；4、糖有氧氧化与无氧分解的区别 两者之间的简单关系：葡萄糖丙酮酸乳酸+能量CO2+H2O+能量无O2有O2.共同点：（1）都经过EMP途径；（2）产生能量不同点：分解方式有氧氧化无氧分解进行部位胞粒和线粒体胞液氧条件有氧无氧最终产物H2O、CO2乳酸等能量（ATP）主要功能方式，产ATP多辅助功能方式，产能少.三、其他代谢途径 1、乙醛酸循环 主要内容是通过乙醛酸循环使乙酰CoA转变为草酰乙酸从而进入柠檬酸循环。要点：（1）乙醛酸循环的全部反应可看作是将两个乙酰CoA分子转变为一分子草酰乙酸；（2）两种特异的酶：苹果酸合成酶、异柠檬酸裂解酶；.（3）中间生成的四碳二羧酸（琥珀酸、苹果酸）仍可返回三羧酸循环，所以乙醛酸循环可看作是TCA循环的支路；（4）三羧酸循环的综合效果是乙酸（或乙酰CoA）彻底氧化成水和二氧化碳，而乙醛酸循环的综合效果是乙酸（或乙酰CoA）转变为四碳二羧酸。2、磷酸戊糖途径（HMP途径）又称戊糖支路，己糖磷酸途径（hoxose monophosphate pathway HMP）（1）化学反应过程 一个葡萄糖分子每循环一次只脱去一个羧基（放出一个CO2）和脱去2次氢形成2个NADPH2。（2）生物学意义 磷酸戊糖途径是普遍存在的糖代谢的一种方式；磷酸戊糖途径同时也为核酸的生物合成提供核糖；磷酸戊糖途径与糖的有氧、无氧分解途径相关联；.四、糖分解代谢三条途径之间的相互关系 EMP、TCA循环和HMP途径；三条途径之间通过共同的中间产物6磷酸葡萄糖联系起来，是三条途径的分歧点。EMP和TCA的连接点是丙酮酸、EMP和HMP的连接点是6磷酸葡萄糖。.4.3 脂肪分解代谢脂肪分解代谢4.3.1 脂肪的酶促水解一、脂肪酶 正式名称是甘油酯水解酶，存在于动物、植物和微生物中，催化脂肪逐步水解产生脂肪酸和甘油。不同来源的脂肪酶对脂肪酸碳链的长短有选择性；脂肪酶对基质的分解和合成都能起催化作用；脂肪脂肪酶H2O脂肪酸+甘油二、脂肪的酶促水解 反应生成的脂肪酸与甘油，再分别进行降解；4.3.2 脂肪的分解代谢一、甘油的分解代谢 1、磷酸化作用，生成-磷酸甘油（磷酸甘油激酶）2、脱氢，生成磷酸二羟丙酮（-磷酸甘油脱氢酶）磷酸二羟丙酮进入EMP途径及TCA循环；.二、脂肪酸的分解氧化作用 脂肪酸降解时，是从脂肪酸的碳原子开始，依次以2个碳原子为分解单位进行水解，这一过程称为氧化。1、脂肪酸的活化 脂肪酸与辅酶A在脂酰CoA合成酶（硫激酶）的催化下，由ATP供能，生成活化的脂酰CoA，也称活性脂肪酸，然后进入线粒体进行氧化。R-COOH+ATP+HSCoA脂酰CoA合成酶RCO-SCoA+AMP+PPi2、氧化（1）基本过程 脂酰CoA在一系列酶的催化下，经过脱氢、加水、再脱氢及加CoA等几个连续的反应，产生一分子乙酰CoA（2C物）和比原脂肪酸少两个碳原子的脂酰CoA。如此重复多次氧化，可使一长链的脂酰CoA分解成许多小分子的乙酰CoA。（2）化学过程.乙酰CoA进入TCA循环，彻底氧化成二氧化碳和水。.3、脂肪酸氧化中的能量变化 以棕榈酸（也叫软脂酸或十六烷酸）为例：氧化过程，反应如下：软脂酰CoA+7CoA-SH+7FAD+7NAD+7H2O 8CH3CO-SCoA+7FADH2+7NADH2 产能计算如下：活化阶段：消耗2个高能磷酸键（相当2个ATP）氧化阶段：转7圈，形成7个FADH2和7个NADH2；7个FADH2=14ATP 7个NADH2=21ATP 总共：35ATP，减去2个，净产量33个ATP；TCA循环阶段：8分子乙酰CoA共产生96个ATP；因此，1分子软脂酸完全氧化产生的能量为33+96=129个ATP；1mol软脂酸完全氧化成二氧化碳和水，可释放出能量9790.56KJ，故此能量利用率为40%；.4、脂肪酸的其他氧化途径（自学）（1）不饱和脂肪酸氧化（还原酶、异构酶）（2）奇数碳原子脂肪酸的氧化 生成丙酰CoA琥珀酰CoA进入三羧酸循环；（3）-氧化和-氧化 -氧化，是在脂肪酸的-碳原子被氧化成-羟脂酸，然后变成-酮酸在进一步脱羧，氧化转变成为少一个碳原子的脂酸；-氧化，是在某些（C10、C11等）脂肪酸的碳链烷基端碳位（-碳原子）上氧化成二羧酸，而二羟酸的两端可继续进行氧化。（-氧化在细菌生物降解方面很重要，特别对海面浮油的去除有特别的意义）4.3.3 脂代谢失调性疾病（自学、了解）一、酮体的合成及分解 酮体（乙酰乙酸、-羟丁酸和丙酮）：肝内合成，肝外组织分解利用；二、脂代谢失调性疾病 脂肪肝、酮尿症、胆结石、动脉硬化、肥胖症；.4.4 蛋白质代谢4.4.1 蛋白质的水解一、蛋白质水解酶类 水解蛋白质肽链的一类酶的总称。动物的蛋白水解酶称为肽酶，其作用使肽键断开；肽酶有肽链内切酶、肽链外切酶和二肽酶三类；肽链内切酶：水解肽链内部的肽键。（胃蛋白酶、胰蛋白酶等）肽链外切酶：只水解肽链两端氨基酸形成的肽键。（羧肽酶、氨肽酶）二肽酶：水解一切二肽；习惯上，第一种称蛋白酶；后两种统称为肽酶；二、蛋白质的水解作用蛋白质蛋白酶肽肽酶氨基酸所以，蛋白质的分解代谢，实际上是以氨基酸的分解代谢为中心的。.4.4.2 氨基酸的分解代谢 共同的代谢途径：脱氨基作用和脱羧基作用；一、脱氨基作用 氨基酸在酶催化下脱掉氨基和生成相应酮酸的反应称氨基酸的脱氨基作用，简称脱氨作用；1、氨基转移作用（转氨作用）一种-氨基酸的氨基可以转移到-酮酸上，从而生成相应的一分子-酮酸和一分子-氨基酸，这种作用称转氨基作用，也称氨基转移作用。2、氧化脱氨作用 -氨基酸在酶的作用下氧化生成-酮酸，此时消耗氧并产生氨，此过程称氧化脱氨基作用。此反应分两步进行，脱氢加水、脱氨3、联合脱氨作用 转氨和脱氨偶联反应脱氨。氨基酸的氨基先借转氨基作用转移到-酮戊二酸的分子上，生成相应的.-酮酸和谷氨酸，然后谷氨酸在谷氨酸脱氢酶的作用下，脱去氨基又生成-酮戊二酸。4、其他脱氨基作用（1）还原脱氨（严格无氧条件，氢化酶）（2）水解脱氨（水解酶，生成羟基酸和氨）二、脱羧基作用 氨基酸经氨基酸脱羧酶作用，放出二氧化碳，形成胺（RCH2NH2）的反应称氨基酸的脱羧作用。（次要途径）酶的专一性很强；三、氨基酸分解产物的代谢氨基酸脱氨作用脱羧作用-酮酸+NH3胺+CO2.1、-酮酸的代谢 氨基酸脱氨以后剩下的碳骨架部分，是氨基酸分解供能的主要部分。有三条去路：（1）生成新的氨基酸 经氧化脱氨和转氨基作用的逆反应可以形成新的氨基酸；（2）转变成糖或脂肪 生糖氨基酸（凡能生成丙酮酸或三羧酸循环的中间产物的氨基酸）脱氨基分别形成丙酮酸、草酰乙酸，可经糖异生作用形成糖原；生酮氨基酸（凡能生成乙酰CoA或乙酰乙酸的氨基酸）脱氨产生的酮酸可转变成乙酰CoA，再合成脂肪；（3）直接氧化供能（氧化成二氧化碳和水）氨基酸脱氨后形成酮酸以几种不同的途径进入三羧酸循环，最后氧化成二氧化碳和水；氨基酸丙酮酸乙酰CoA三羧酸循环；氨基酸乙酰CoA三羧酸循环；氨基酸三羧酸循环的中间产物三羧酸循环；.2、氨的代谢 （1）氨的同化作用 合成氨基酸：被脱下的氨与生物体内的-酮酸经谷氨酸脱氢酶催化，经还原性氨基化作用重新形成任何氨基酸；合成酰胺与铵盐：合成氨甲酰磷酸：（2）氨被排除体外 水生动物直接排除体外；两栖类氨变成尿素再排出；鸟类及爬行动物氨变成尿酸排出；陆栖高等动物将氨在肝脏内合成尿素；由氨合成尿素的机理是1932年Krebs提出的鸟氨酸循环（或称尿素循环）。.小结：三大代谢之间的关系.4.5 核酸分解代谢（自学）一、核酸的解聚作用 水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核苷酸。二、核苷酸的降解 核苷酸磷酸+碱基+戊糖三、分解产物的代谢1、戊糖：参加磷酸戊糖支路进行代谢；2、磷酸：用于磷酸化过程；随无机盐代谢规律代谢；3、碱基的分解代谢（特有物质）（1）嘌呤碱：随生物种类不同而异，主要分解产物是尿酸和尿素；（2）嘧啶碱：氧化途径（微生物体内）和还原途径（动物体内）：最终产物是尿素、氨和二氧化碳；.