第19章　代謝總論

19.1　復習筆記

一、新陳代謝概述

1．定義

（1）新陳代謝（metabolism）簡稱代謝，是營養物質在生物體內所經歷的一切化學變化總稱，是生物體表現其生命活動的重要特征之一。

（2）代謝途徑是指完成某一代謝過程的一組相互銜接的酶促反應。代謝通過代謝途徑將有機分子都轉變成代謝的最終產物。

（3）中間代謝（intermediary metabolism）是指新陳代謝途徑中的個別環節，個別步驟。

2．生物催化劑—酶

（1）定義

酶是推動生物體內全部代謝活動的工具。

（2）特點

①高度專一性

酶對催化的反應和反應物有嚴格的選擇性，往往只能催化一種或一類反應。

②很高的催化效率

③活性受到調節

每種特殊的酶都有其調節機制，使錯綜復雜的新陳代謝過程成為高度協調的、高度整合在一起的化學反應網絡。

（3）代謝中間產物

代謝中間產物（metabolic intermediates），簡稱代謝物（metabolites）是在代謝過程中連續轉變的酶促產物的統稱。生物體內酶催化的化學反應是連續的，前一種酶的作用產物往往成為后一種酶的作用底物。

3．功能

（1）從周圍環境中獲得營養物質；

（2）將外界引入的營養物質轉變為自身需要的結構元件，即大分子的組成前體；

（3）將結構元件裝配成自身的大分子，例如蛋白質、核酸、脂類以及其他組分；

（4）形成或分解生物體特殊功能所需的生物分子；

（5）提供生命活動所需的一切能量。

二、分解代謝與合成代謝

1．分解代謝（catabolism）

（1）分解代謝

分解代謝是指從外界環境獲得的或自身貯存的有機營養物通過一系列反應步驟轉變為較小的、較簡單的物質的過程，與分解代謝相伴隨的是能量的釋放。

（2）分解代謝途徑

分解代謝途徑是指分解代謝所經過的反應途徑。

2．合成代謝（anabolism）

合成代謝又稱生物合成，是生物體利用小分子或大分子的結構元件建造成自身大分子的過程。由小分子建造成大分子是使分子結構變得更為復雜。這種過程都是需要提供能量的。

3．分解代謝與合成代謝途徑的異同點

（1）不同點

①同一種物質，其分解代謝和合成代謝途徑一般是不相同的，他們并非可逆反應，而是通過不同的中間反應或不同的酶來實現；

②分解和合成代謝選擇不同的途徑，增加了生物機體內化學反應的數量，提高了代謝活動的調控的靈活性和應變能力；

③同一種物質的兩種過程是在細胞的不同部位進行，這種現象在真核細胞生物比較常見。

（2）相同點

分解代謝和合成代謝存在雙方都可共同利用的代謝環節—兩用代謝途徑，如檸檬酸循環。

三、能量代謝在新陳代謝中的重要地位

1．相關概念

（1）物質代謝

物質代謝是指在分解代謝和合成代謝的途徑中所包括的物質轉化。

（2）能量代謝

能量代謝是指以物質代謝為基礎，與物質代謝過程相伴隨發生的能量轉化。

2．能量

（1）太陽能

太陽能是所有生物最根本的能量來源，光能通過光合作用轉化為化學能。

（2）自由能

自由能是指能用于機體做功的能量。能夠直接提供自由能推動生物體多種化學反應的核苷酸類分子有ATP、GTP、UTP以及CTP等。

（3）自然界以ATP形式貯存的自由能的用途

①提供生物合成做化學功時所需的能量；

②是生物機體活動以及肌肉收縮的能量來源；

③供給營養物逆濃度梯度跨膜運輸到機體細胞內所需的自由能；

④在DNA、RNA和蛋白質等生物合成中，保證基因信息的正確傳遞，ATP也以特殊方式起著遞能作用。

（4）ATP供能的基本方式

當ATP提供能量時，ATP分子失掉一個磷酰基而變為ADP和磷酸分子。ADP又可在捕獲能量的前提下，再與無機磷酸結合形成ATP。ATP和ADP的往復循環是生物機體利用能量的基本方式。

3．輔酶I和輔酶II輔酶的遞能作用

（1）分解代謝釋放的能量還能以氫原子和電子的形式將自由能轉移給生物合成的需能反應；

（2）這種具有高能的氫原子是由脫氫反應形成的；

（3）脫氫酶催化物質的脫氫反應將脫下的氫原子和電子傳遞給一類特殊能接受這種氫原子和電子的輔酶，稱為輔酶I和輔酶II。

4．FMN和FAD的遞能作用

（1）FMN（黃素腺嘌呤單核苷酸）和FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸），它們也是在傳遞電子和氫原子中起作用的載體；

（2）FMN和FAD都能接受兩個電子和兩個氫原子，它們在氧化還原反應中，特別是在氧化呼吸鏈中起著傳遞電子和氫原子的作用。

5．輔酶A在能量代謝中的作用

（1）結構

輔酶A簡寫為CoA，分子中含有腺嘌呤、D-核糖、磷酸、焦磷酸、泛酸和巰基乙胺，巰基是CoA的活潑基團。

（2）作用

①攜帶酰基的部位在-SH基上，因此CoA又常以輔酶A-SH或CoA-SH表示；

②CoA-SH在酶促轉乙酰基的反應中，起著接受或提供乙酰基的作用，乙酰-CoA形成的硫酯鍵和ATP的高能磷酸鍵相似，都在水解時釋放出大量的自由能。

圖19-1  乙酰輔酶A的結構

四、新陳代謝的調節

1．分子水平的調節

分子水平的調節包括反應物和產物的調節，主要是濃度的調節和酶的調節。

（1）酶的調節

酶的調節是最基本的代謝調節。

①酶的數量調節

酶的數量不只受到合成速率的調節，也受到降解速率的調節。

②酶的活性調節

a．可逆的變構調節；

b．共價修飾兩種形式。

2．細胞水平

細胞的特殊結構與酶結合在一起，使酶的作用具有嚴格的定位條理性，從而使代謝途徑得到分隔控制。

3．整體水平

多細胞生物還受到在整體水平上的調節，主要包括：（1）激素的調節；（2）神經的調節。

4．其他水平

來自基因表達的調控作用。

五、代謝中常見的有機反應機制

代謝過程幾乎都是酶促有機反應。酶催化的有機反應機制為酸-堿催化、共價催化、金屬離子催化和靜電催化。

1．基團轉移反應

在生物化學體系中，基團轉移（或稱親核體的取代反應）是指親電子基團從一個親核體轉移到另一親核體。

表19-1  常見的基團轉移反應

2．氧化反應和還原反應

（1）氧化-還原反應的實質

氧化-還原反應的實質是電子的得失反應，從代謝物轉移的電子，通過一系列的傳遞體轉移到氧，并伴隨能量的釋放，電子的傳遞通過輔酶來完成。

（2）舉例

①NAD＋（NADH）的轉換。反應中NADH為電子供體，NAD＋為電子受體；

②在生物體的能量代謝中，NADH提供出兩個電子，進入電子傳遞鏈。如圖19-2所示。

圖19-2  NAD＋（NADH）中電子傳遞

3．消除、異構化及重排反應

（1）消除反應

①碳-碳雙鍵的形式

雙鍵的形成是單鍵飽和中心發生消除反應后形成的，消除掉的分子一般是H₂O、NH₃、R-OH、或R-NH₂。

②消除反應的機制

a．協同機制；

b．經過碳正離子的機制；

c．經過碳負離子的機制。

酶消除反應時酸性基團以b機制、堿性基團以c機制進行。

③立體化學分類

a．反式消除：生物化學發生最多的機制；

b．順式消除兩類。

（2）異構化反應

生物化學中的異構化反應是指一個氫原子在分子內遷移，即質子從一個碳原子脫離轉移到另一個碳原子上，由此發生了雙鍵位置的改變。在代謝中，存在最多的異構化反應是醛糖-酮糖互變反應。

圖19-3  醛糖-酮糖互變反應機制

（3）分子重排反應

①概念

重排是C-C鍵斷裂，又重新形成的反應。其結果是碳骨架發生了變化。

②舉例

a．在甲基丙二酰單酰-CoA變位酶的作用下，L-甲基丙二酰單酰輔酶A轉化為琥珀酰-CoA。這個變位酶的輔基是維生素B₁₂的衍生物；

b．具有奇數碳原子脂肪酸的氧化、某些氨基酸的降解屬于這一類反應。

4．碳-碳鍵的形成與斷裂反應

分解代謝與合成代謝實質就是以碳-碳鍵的形成與斷裂為基礎的反應過程。

（1）羥醛縮合反應

羥醛縮合反應又稱醛醇縮合反應。如醛縮酶所催化的果糖-1,6-二磷酸反應

圖19-4  羥醛縮合反應的機制

（2）克萊森酯縮合反應

這個反應是在檸檬酸合酶的作用下發生的。這是一個羥醛-克萊森酯縮合的反應，又稱醛醇-克萊森酯縮合反應。它包括以下3個步驟：

①乙酰-CoA負碳離子的形成是由于特定酶的組氨酸殘基以堿性催化奪去乙酰基的一個質子。CoA的硫酯鍵使烯醇式負碳離子通過共振而穩定；

②乙酰-CoA負碳離子對草酰乙酸的羰基碳進行親核進攻，反應所得檸檬酰-CoA仍然保持與酶成鍵；

③檸檬酰-CoA的水解，形成檸檬酸及CoA。

（3）β-酮酸的氧化脫羧反應

這類反應是在異檸檬酸脫氫酶或脂肪酸合酶的催化下發生的。如在檸檬酸循環中由異檸檬酸脫氫酶催化的脫羧過程中，由NAD＋還原形成NADH，異檸檬酸氧化后形成β-酮酸的中間體草酰琥珀酸，此β-酮酸發生脫羧反應，形成α-酮戊二酸。

六、新陳代謝的研究方法—測定中間代謝物的方法

1．使用酶的抑制劑

酶的抑制劑可使代謝途徑受到阻斷，結果造成某一種代謝中間物的積累，從而為測定該中問代謝物提供可能。如碘乙酸由于抑制了醛縮酶的作用而造成酵母發酵液中積累果糖-1,6-二磷酸。

2．利用遺傳缺欠癥研究代謝途徑

（1）患有遺傳缺欠癥的病人，由于先天性基因的突變，在體內表現為缺乏某一種酶，致使為該酶作用的前體不能進一步參加代謝過程，從而造成這種前體物的積累。這些代謝中間物因不能進一步利用而出現在血液中或隨尿排出體外。測定這些代謝中間物有助于闡明有關的代謝途徑；

（2）如由遺傳缺欠產生的苯丙酮尿癥的研究使苯丙氨酸的代謝途徑得到了闡明，如圖19-5所示；

（3）利用微生物的遺傳突變型研究代謝途徑，這種突變型微生物可能造成酶或代謝途徑的缺乏。

圖19-5  苯丙氨酸的代謝途徑

3．氣體測量法

氣體測量法是用以研究包含有氣體變化的生物化學反應，這種方法主要是利用代謝過程中氣體的消耗或產生二氧化碳的變化量來探知新陳代謝情況。瓦氏呼吸器可用于此方法的測量。

圖19-6  瓦氏呼吸器的結構示意圖

4．同位素示蹤法

（1）用同位素來標記化合物具有無比優越性，因它不改變被標記化合物的化學性質；

（2）化合物的標記，可根據需要來選定不同的同位素和不同標記部位；

（3）最常使用的方法是放射性同位素示蹤法；

（4）放射性同位素可用人工方法制得。他們有一定的半壽期或稱半衰期，是不穩定的同位素。

表19-2  常用的放射性同位素

5．核磁共振波譜法（NMR）

（1）核磁共振現象

核磁共振現象是指原子核是帶有正電荷的粒子，由于它的旋轉產生一定方向的磁場（即磁矩），當以適當頻率的電磁波照射于外加磁場中的自旋核，處于低能態的自旋核吸收電磁波的能量，從低能態躍遷到高能態的現象。

（2）核磁共振譜

出現核磁共振現象時的核產生一種核磁共振信號，從而給出核磁共振譜（即NMR譜）。據此核磁共振譜可反映分子中各個原子所處的狀態。