第十一章生物代谢

第十一章生物代谢 • 生物代谢是指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）交换过程。本章讨论的生物代谢主要是涉及有机物质在细胞内的合成和分解过程。 • 合成代谢一般是指将简单的小分子物质转变成复杂的大分子物质的过程。分解代谢则是将复杂的大分子物质转变成小分子物质的过程。

糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2和H2O。糖、脂和蛋白质的合成代谢途径各不相同，但是它们的分解代谢途径则有共同之处，即糖、脂和蛋白质经过一系列分解反应后都生成了酮酸并进入三羧酸循环，最后被氧化成CO2和H2O。

第一节,糖的代谢 • 糖代谢包括分解代谢和合成代谢。 • 动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。 • 植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。

一、葡萄糖的分解代谢 • 葡萄糖进入细胞后，在一系列酶的催化下，发生分解代谢过程。葡萄糖的分解代谢分两步进行： • （1）糖酵解：葡萄糖  丙酮酸。此反应过程一般在无氧条件下进行，又称为无氧分解。 • （2）三羧酸循环：丙酮酸 CO2 + H2O 。由于此氧化过程是通过柠檬酸等几种三元羧酸的循环反应来完成的，通常称为三羧酸循环或柠檬酸循环。由于分子氧是此系列反应的最终受氢体，所以又称为有氧分解。 • 三羧酸循环在线粒体中进行（有氧条件）。所以，糖酵解是三羧酸循环和氧化磷酸化的前奏。如果供氧不足，NADH不进入呼吸链，而是把丙酮酸还原成乳酸。

1．糖酵解 • 糖酵解在细胞胞液中进行（无氧条件），是葡萄糖经过酶催化作用降解成丙酮酸，并伴随生成ATP的过程。 • 它是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解的共同代谢途径。

糖原的磷酸化 • 细胞内糖原在磷酸化酶和脱枝酶催化下形成1-磷酸葡萄糖

反应（1） • 催化该反应的酶为磷酸己糖激酶。凡是能够催化ATP的磷酰化反应的酶称为激酶。激酶一般需要Mg2+或其它二价金属离子激活。

和反应（2）反应（3） • 6-磷酸葡萄糖异构化，转变成6-磷酸果糖 • 6-磷酸果糖磷与ATP反应，生成1, 6-二磷酸果糖。

反应（4） • 在醛缩酶催化下，1, 6-二磷酸果糖分解为3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮。

反应（5） • 两个磷酸丙糖在磷酸丙糖异构酶催化下可以互变。达到平衡时，磷酸二羟丙酮占96%，3-磷酸甘油醛占4%。由于3-磷酸甘油醛能够进入第三阶段继续分解，浓度不断降低，所以磷酸二羟丙酮可以不断转变成3-磷酸甘油醛，并驱动1, 6-二磷酸果糖向裂解方向进行。

反应（6） • 3-磷酸甘油醛在磷酸甘油醛脱氢酶催化下脱氢氧化生成1,3-二磷酸甘油酸。此反应是在NAD+和磷酸存在下进行的，NAD+是脱氢反应的氢受体，磷酸起分解硫酯键和形成新高能磷酸酯键作用。

反应（7） • 1,3-二磷酸甘油酸与ADP作用生成3-磷酸甘油酸和ATP

反应（8） • 3-磷酸甘油酸的变位反应，催化这一反应的酶是磷酸甘油酸变位酶，变位的产物为2-磷酸甘油酸。

反应（9） • 2-磷酸甘油酸的烯醇化反应，此反应是烯醇化酶催化的脱水反应，得到另一个高能磷酸酯类化合物，即磷酸烯醇式丙酮酸。

反应（10） • 在丙酮酸激酶的催化下，将磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酰键转移到ADP上，形成ATP和烯醇式丙酮酸。此反应基本上是一个不可逆反应过程。烯醇式丙酮酸在pH 7.0条件下，迅速重排成丙酮酸（非酶促反应过程）。

乙醇发酵 • 在酵母或其他微生物作用下，丙酮酸可转变成多种有机化合物，是发酵法产生乙醇、乙酸、丙酮和丁酸的基本机制。称为生醇发酵。 • 酵母中含有多种酶系，可以催化不同的反应过程。生醇发酵的化学反应中，从葡萄糖到丙酮酸这一段反应与葡萄糖的酵解完全相同。 • 生成的丙酮酸在酵母催化下，脱羧产生乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原成乙醇。乙醇在人体及动物体中可以氧化成乙醛，再转变成乙酰CoA进入三羧酸循环氧化。

乳酸发酵 • 在无氧条件下，糖酵解产生的丙酮酸能够被NADH还原成乳酸。催化此反应的酶为乳酸脱氢酶。在供氧不足时，人体的大多数组织都能通过糖酵解途径生成乳酸

2．三羧酸循环 • 葡萄糖通过糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下，将进入三羧酸循环进行完全氧化，生成H2O 和CO2，并释放出大量能量。丙酮酸的有氧氧化包括两个阶段： • 第一阶段：丙酮酸的氧化脱羧（丙酮酸  乙酰辅酶A，简写为乙酰CoA） • 第二阶段：三羧酸循环（乙酰CoA  H2O 和CO2，释放出能量）

（1）丙酮酸的氧化脱羧 • 丙酮酸氧化脱羧反应是连接糖酵解和三羧酸循环的中间环节。此反应在真核细胞的线粒体基质中进行。 • 丙酮酸在丙酮酸脱氢酶系催化下，脱羧形成乙酰CoA。丙酮酸脱氢酶系是一个非常复杂的多酶体系，主要包括：三种不同的酶（丙酮酸脱羧酶E1、二氢硫辛酸乙酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3），和6种辅因子（TTP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+）。

①丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP：TPP(焦磷酸硫胺素) 的噻唑环中, 氮原子和硫原子之间碳原子上的氢，具有较大的酸性，容易形成TPP碳负离子亲核进攻丙酮酸的羰基碳原子，形成加成中间物。后者经丙酮酸脱羧酶E1催化脱羧，生成羟乙基-TPP（CH3CHOH-TPP）。 • ②乙酰硫辛酰胺的生成：硫辛酸与二氢硫辛酸乙酰转移酶E2的赖氨酸残基的氨基结合，形成硫辛酸-酶E2复合物，即硫辛酰胺（氧化型）。硫辛酰胺与羟乙基-TPP作用，使羟乙基氧化成乙酰基，并同时将乙酰基转移到硫辛酰胺6-位的硫原子上，形成乙酰硫辛酰胺（还原型）。

③乙酰CoA的生成：在二氢硫辛酸乙酰转移酶E2的催化下，乙酰硫辛酰胺（还原型）上的乙酰基转移给辅酶A (CoA-SH) ，生成乙酰-CoA和二氢硫辛酰胺（二氢硫辛酸-酶E2复合物）。 • ④二氢硫辛酰胺的氧化：二氢硫辛酰胺在二氢硫辛酸脱氢酶E3（含有辅基FAD）催化下，脱氢氧化成硫辛酰胺（氧化型），并将氢传递给辅基FAD。 • ⑤NAD+被FADH2还原。

（2）三羧酸循环 • 丙酮酸氧化脱羧产物乙酰CoA与草酰乙酸（三羧酸循环中与乙酰CoA结合点）结合生成柠檬酸进入循环。在循环过程中，乙酰CoA被氧化成 H2O 和CO2，并释放出大量能量。

（1）柠檬酸合成酶 （2）顺乌头酸酶（3）异柠檬酸脱氢酶（4）-酮戊二酸脱氢酶系（5）琥珀酰CoA合成酶（6）琥珀酸脱氢酶（7）延胡索酸酶（8）L-苹果酸脱氢酶

①乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 • 这是循环的起始步骤。在柠檬酸合成酶催化下，乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸。 • 乙酰CoA中的甲基氢原子比较活泼，在柠檬酸合成酶作用下，脱去质子形成碳负离子，并亲核进攻草酰乙酸中的羰基碳原子，形成不稳定的柠檬酰CoA，再经水解反应，得到柠檬酸和CoA。

②柠檬酸异构化生成异柠檬酸 • 在顺乌头酸酶催化下，柠檬酸经过脱水，然后再加水过程，生成异柠檬酸。催化脱水和加水这两步反应的是同一种酶，由于其中间产物为顺乌头酸，所以称为顺乌头酸酶。

③异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸 • 这是三羧酸循环中的第一个氧化脱羧反应。催化此反应的酶为异柠檬酸脱氢酶。反应的中间产物是草酰琥珀酸，这是一个不稳定的-酮酸，进一步发生脱羧反应，生成-酮戊二酸。

④-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA • 这是三羧酸循环中的第二个氧化脱羧反应。催化此反应的酶为-酮戊二酸脱氢酶系。-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似, 即由-酮戊二酸脱氢酶E1、琥珀酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3，以及6种辅因子, TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+ 组成，但是在酶的结构和功能上则有些差别。

⑤琥珀酰CoA转变成琥珀酸 • 琥珀酰CoA生成琥珀酸的反应是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸酯键的步骤。 • 琥珀酰CoA中的硫酯键是一个高能键。在琥珀酰合成酶催化下，琥珀酰CoA的分解反应与GDP磷酰化反应偶联，直接产生高能磷酸酯类化合物GTP。GTP主要用于蛋白质合成或在二磷酸核苷激酶作用下，与ADP作用，生成ATP。

⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸 • 这是三羧酸循环中第三个氧化反应。催化此反应的酶为琥珀酸脱氢酶，氢受体是酶的辅基FAD。

⑦延胡索酸水化生成苹果酸 • 在延胡索酸酶催化下，延胡索酸加水生成L-苹果酸。此反应是一个立体选择性加成反应。

⑧苹果酸脱氢生成草酰乙酸 • 苹果酸在L-苹果酸脱氢酶催化下，脱氢氧化生成草酰乙酸。这是三羧酸循环的第四个氧化反应，氢受体为NAD+。此反应是三羧酸循环的终点。

3．葡萄糖分解代谢过程中能量的产生 • 葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：直接产生ATP；生成高能分子NADH或FADH2，后者在线粒体呼吸链氧化并产生ATP。 • 糖酵解：1分子葡萄糖 2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4 个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。（2）有氧分解（丙酮酸生成乙酰CoA及三羧酸循环）产生的ATP、NADH和FADH2 • 丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸 乙酰CoA，生成1个NADH。三羧酸循环：乙酰CoA  CO2和H2O，产生一个GTP（即ATP）、3个NADH和1个FADH2。

（3）葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量 • 糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的NADH和FADH2 ，进入线粒体呼吸链氧化并生成ATP。线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATP的最主要途径。 • 葡萄糖分解代谢总反应式 • C6H6O6 + 6 H2O + 10 NAD+ + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi  6 CO2 + 10 NADH + 10 H+ + 2 FADH2 + 4 ATP • 按照一个NADH能够产生3个ATP，1个FADH2能够产生2个ATP计算，1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生38个ATP： • 4 ATP +（10  3）ATP + （2  2）ATP = 38 ATP

二、糖原的合成代谢 • 糖原的合成代谢是指人和动物体内多糖的合成。糖原合成的原料主要有两类：一类是以葡萄糖为合成基本原料（其它单糖，如半乳糖和果糖等可以通过转变成磷酸葡萄糖来合成糖原），这种过程称为糖原生成作用；另一类是由非糖物质，如乳酸、甘油、丙酮酸以及某些氨基酸为原料合成葡萄糖，再转变成糖原，这一过程称为糖异生作用。

1，糖原生成作用 • 由葡萄糖合成糖原过程在细胞胞液中进行。葡萄糖在己糖激酶的作用下，形成6-磷酸葡萄糖，6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖变位酶催化下，转变成1-磷酸葡萄糖。此反应需要1,6-二磷酸葡萄糖作为中间物。1-磷酸葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸酶催化下，与三磷酸尿苷（UTP）作用生成UDP-葡萄糖。 • 然后，以糖原为引物，在糖原合成酶催化下，UDP-葡萄糖中的葡萄糖以-1,4-糖苷键与引物相连，生成比引物糖原多一个葡萄糖残基的多糖。通过不断的循环，即可得到大分子量的糖原。 • 此过程合成的-1,4-葡萄糖多聚体再在分枝酶作用下，发生4  6 糖苷键转移，形成具有1, 6-糖苷键的有分枝的糖原。

糖原合成的途径

2，糖异生作用 • 糖异生作用是指从非糖物质转化为葡萄糖和糖原的过程。糖异生作用由肾上腺皮质激素促进，主要是在肝脏中进行，其途径基本上是糖酵解途径的逆过程。 • 在糖酵解中有三个酶催化的反应是不可逆的，因此，这三个逆反应需要由不同的酶催化进行。由己糖激酶和磷酸果糖激酶所催化的两个反应的逆反应，是由两个特异性的磷酸酶（磷酸酯酶）水解磷酸酯键完成的。而由丙酮酸激酶催化的反应，其逆反应包括两个反应，分别由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸激酶催化。

非糖物质主要包括氨基酸脱氨基形成的酮酸（生糖氨基酸），以及氨基酸代谢产生的乙酰乙酸（可形成丙酮和-羟基丁酸，又称为生酮氨基酸）和脂肪产物甘油经-磷酸甘油脱氢酶脱氢形成的磷酸丙糖等。非糖物质主要包括氨基酸脱氨基形成的酮酸（生糖氨基酸），以及氨基酸代谢产生的乙酰乙酸（可形成丙酮和-羟基丁酸，又称为生酮氨基酸）和脂肪产物甘油经-磷酸甘油脱氢酶脱氢形成的磷酸丙糖等。

第二节、光合作用 • 光合作用是糖合成代谢的主要途径。 • 绿色植物、光合细菌或藻类等将光能转变成化学能的过程，即利用光能，由CO2和H2O合成糖类化合物并释放出氧气的过程，称为光合作用。 • 光合作用的总反应式可表示如下：

一、叶绿体及光合色素 1．叶绿体 • 叶绿体由外膜和内膜组成，内外膜之间有间隙。膜内为基质，包含有许多可溶性酶，是进行暗反应的场所。基质内还分布着具有膜结构特点的片层状类囊体。类囊体含有大量可进行光反应的光合色素。

2．叶绿素 • 绿色植物叶绿体中接受光能的主要组分是叶绿素，包括叶绿素a和叶绿素b。其它的光合色素是类胡萝卜素等。光合细菌和藻类中还含有叶绿素c和藻胆色素等。 • 叶绿素是一类含镁的卟啉衍生物，带羧基的侧链与一个含有20个碳的植醇形成酯。叶绿素a与b之间的差别在于吡咯环上的一个基团不同。

光吸收 • 叶绿素不溶于水，能溶于有机溶剂。叶绿素分子是一个大的共轭体系，在可见光区有很强的吸收。不同的叶绿素分子，它们的特征吸收也不相同：叶绿素a为680 nm, 叶绿素b为460 nm。

3．类胡萝卜素 藻胆色素 • 类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素等。胡萝卜素是一个含有11个共轭双键的化合物，有多个异构体，常见的是-胡萝卜素。叶黄素是-胡萝卜素衍生的二元醇。 • 在藻青蛋白和藻红蛋白分子中含有藻胆色素。

二,光合作用机制 • 绿色植物的光合作用由光反应和暗反应组成。 • 光反应是光能转变成化学能的反应, 即植物的叶绿素吸收光能进行光化学反应，使水分子活化分裂出O2、H+和释放出电子，并产生NADPH和ATP。即光合磷酸化反应和水的光氧化反应。 • 暗反应为酶促反应，由光反应产生的NADPH在ATP供给能量情况下，使CO2还原成简单糖类的反应。即二氧化碳的固定和还原反应。

1．光反应 （1）光反应系统 • 光反应过程使由叶绿素的两种光合系统，即光系统I (PS I) 和光系统II (PS II) 共同完成的。 • PS I 和PS II又被称为光反应中心。所有放氧的光合细胞中，叶绿体的类囊体膜中都包含有PS I 和PS II。

光系统II (PS II) • PS II有一个能够捕获光能的复合体, 是由大约200个叶绿素分子、50个类胡萝卜素分子以及12条多肽链等组成的跨膜复合物。光能首先被该系统的色素分子所吸收，所以常称为天线色素。

反应中心含有50个叶绿素a，以及质体醌等电子供体和受体。由天线色素吸收的光能以激发能形式转移入反应中心，并产生一种强氧化剂和一种弱还原剂。由于反应中心在波长680 nm 处有最大吸收，又称为P680 (P指色素，680是最大吸收波长nm)。

第十一章 生物代谢