一、新陈代谢 二、新陈代谢的特点和调节 三、新陈代谢的研究方法 四、生物能及其存在形式 第八章 代谢总论及生物能 一、新陈代谢 二、新陈代谢的特点和调节 三、新陈代谢的研究方法 四、生物能及其存在形式

一、新陈代谢(代谢 Metabolism ) 第1页 新陈代谢: 代谢的功能： 从环境中获得营养 转变为自身需要的结构元件 装配成自身的大分子 形成或分解生物特殊功能所需的生物分子 提供生命所需的一切能量。 新陈代谢:营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称。 实质是： 　错综复杂的化学反应相互配合，彼此协调，对周围转环境高度适应而成的一个有规律的总过程。 代谢的功能： 从环境中获得营养 转变为自身需要的结构元件 装配成自身的大分子 形成或分解生物特殊功能所需的生物分子 提供生命所需的一切能量。

（一）分解代谢和合成代谢、物质代谢和能量代谢 生物小分子合成为生物大分子 需要能量 合成代谢 （同化作用） 分解代谢 （异化作用） 物质代谢 新陈代谢 能量代谢 释放能量 生物大分子分解为 生物小分子

物质代谢特点 同一种物质，分解代谢和合成代谢选择不同的途径，使代谢增加了灵活性和应变能力。 同一种物质的两种过程是在细胞的不同部位进行（真核细胞中常见）。 代谢物（中间产物）； 中间代谢； 主要代谢途径； 两用代谢途径；

初级代谢和次级代谢 初级代谢： 次级代谢： 初级代谢产物： 氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。 次级代谢产物： 　抗生素、激素、生物碱、毒素等类型。 1 概念不同 2 产物不同 初级代谢的产物，即为初级代谢产物。如单糖或单糖衍生物、核苷酸、维生素、氨基酸、脂肪酸等单体以及由它们组成的各种大分子聚合物，如蛋白质、核酸、多糖、脂质等生命必需物质。通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素等类型。次级代谢产物可积累在细胞内，但通常都分泌到细胞外，有些与机体的分化有一定的关系，并在同其它生物的生存竞争中起着重要的作用。 3 存在范围不同 初级代谢的代谢系统、代谢途径和代谢产物在各类生物中都基本相同，它是一类普遍存在于各类微生物中的一种基本代谢类型。 次级代谢只存在于某些微生物中，并且代谢途径和代谢产物因生物不同而不同，就是同种生物也会由于培养条件不同而产生不同的次级代谢产物。 4 对微生物的作用不同 通过初级代谢，能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，因此初级代谢产物，通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止，重则导致机体发生突变或死亡，是一种基本代谢类型。 次级代谢产物一般对菌体自身的生命活动无明确功能，不参与细胞结构组成，也不是酶活性必需的，不是机体生长与繁殖所必需的物质，即使在次级代谢的某个环节上发生障碍，也不会导致机体生长的停止或死亡，至多只是影响机体合成某种次级代谢产物的能力。但许多次级代谢产物通常对人类和国民经济的发展有重大影响。 5 同微生物生长过程的关系 初级代谢自始至终存在于生活的菌体中，同菌体的生长过程呈平行关系，只有微生物大量生长，才能积累大量初级代谢产物。 次级代谢则是在菌体生长到一定时期内（通常是微生物的对数生长期末期或稳定期）产生的，它与机体的生长不呈平行关系，一般可明显地表现为菌体的生长期和次级代谢产物形成期二个不同的时期。 6 对环境条件的敏感性或遗传稳定性上明显不同 初级代谢产物对环境条件的变化敏感性小（即遗传稳定性大），而次级代谢产物对环境条件变化很敏感，其产物的合成往往因环境条件变化而停止。 7 相关酶的专一性不同 相对来说催化初级代谢产物合成的酶专一性强，催化次级代谢产物合成的某些酶专一性不强，因此在某种次级代谢产物合成的培养基中加入不同的前体物时，往往可以导致机体合成不同类型的次级代谢产物。 另外，催化次级代谢产物合成的酶往往是一些诱导酶，它们是在菌体对数生长末期或稳定生长期里，由于某种中间代谢产物积累而诱导机体合成的一种能催化次级代谢产物合成的酶，这些酶通常因环境条件变化而不能合成。 8 两者既有区别性又有连续性 在微生物的新陈代谢中，先产生初级代谢产物，后产生次级代谢产物。 初级代谢是次级代谢的基础，它可以为次级代谢产物合成提供前体物和所需要的能量；初级代谢产物合成中的关键性中间体也是次级代谢产物合成中的重要中间体物质，比如糖降解过程中的乙酰CoA是合成四环素、红霉素的前体；在菌体生长阶段，被快速利用的碳源的分解物阻遏了次级代谢酶系的合成；因此，只有在对数后期或稳定期，这类碳源被消耗完之后，解除阻遏作用，次级代谢产物才能得以合成。 而次级代谢则是初级代谢在特定条件下的继续与发展，可避免初级代谢过程中某种（或某些）中间体或产物过量积累对机体产生的毒害作用。 初级代谢：在微生物的新陈代谢中，一般将微生物从外界吸收各种营养物质，通过分解代谢和合成代谢，生成维持生命活动的物质和能量的过程，称为初级代谢。 初级代谢产物：是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。在不同种类的微生物细胞中，初级代谢产物的种类基本相同。此外，初级代谢产物的合成在不停的进行着，任何一种产物的合成发生障碍都会影响微生物正常的生命活动，甚至导致死亡。 次级代谢：是指微生物在一定的生长时期,以初级代谢产物为前体,合成一些对微生物的生命活动无明确功能的物质的过程。 次级代谢产物：通过次级代谢合成的产物称为次级代谢产物，大多是分子结构比较复杂的化合物。根据其作用，可将其分为抗生素、激素、生物碱、毒素等类型。

二、新陈代谢的特点 第5页 在温和条件下进行(由酶催化)； 步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性； 二、新陈代谢的特点　　　第5页 在温和条件下进行(由酶催化)； 步骤繁多、彼此协调，逐步进行，有严格顺序性； 各代谢途径相互交接 ，形成物质与能量的网络化交流系统。 精密的调控机制保证机体最经济地利用物质和能量。 各代谢途径之间存在许多重复出现的基元(通用活化载体).

三、新陈代谢的研究手段和研究方法 对于A-> B -> C -> D -> E -> F…X -> Y -> Z 　？ 如何研究细胞个体或群体对各种物质的分解和合成的过程，以及各种内外因子对代谢过程的调节和影响？通常采取的方法和手段有：　

1. 研究手段 整体细胞（holcell） 无细胞制剂 亚细胞组分制剂 酶提取液和提纯酶 人工重组体系 通常采用静息细胞来进行实验。理由是：静息细胞仍含有各种酶系统；在限制条件下，可对有限底物进行分解和合成若干物质。 优点：细胞保持了正常状态。 缺点： 不能正确判断某种物质对代谢途径的变化； 不能知晓反应发生在细胞的何种部位； 不能确定催化各步反应所需的酶及调节因子； 由于细胞的通透性使许多物质不能进入细胞. 无细胞体系系指在活体外重组的细胞成分的任何混合物,可以研究诸如转录,转译, DNA复制等过程.利用无细胞体系合成蛋白质则是将含有转译及转录的细胞或大肠杆 菌的萃取物加入胺基酸,能量(如ATP等)及辅等,在适当条件下即可在活体外合成蛋白 质. 破碎完整细胞，其特点： 除去了细胞膜的障碍，对一些不能渗透到细胞的物质 可以参加代谢用； 用透析法可除去许多小分子物质或辅酶，故可进行更多物质的代谢研究。 缺点是完整细胞破坏，同时体系仍很复杂 亚细胞组分制剂：此法能对细胞各组分分别进行实验研究，从而了解与物质的中间代谢反应有关的酶系在细胞内的分布和作用情况，推知某些代谢反应究竟在细胞的哪一部分发生，使代谢研究深入到细胞器水平。 酶提取液和提纯酶：酶对底物的专一性。该法深入到个别代谢反应的作用历程和机理的水平。 人工重组体系：将某些系列反应的酶或亚细胞组分逐一分离，然后再按已知的知识，将它们重新组合进行代谢试验研究，使发生于整体细胞、细胞器或粗酶提取液的复杂反应在试验内重演（也称试管试验）。

2.研究方法 第15页 使用酶的抑制剂 A B C D 利用遗传缺欠症 同位素示踪法 苯环化合物示踪法 核磁共振波谱法 2.研究方法　　第15页 使用酶的抑制剂　A B C D 利用遗传缺欠症 同位素示踪法 　　常用稳定同位素：2H,15N,13C,18O 　　常用放射性同位素：3H,32P,14C 苯环化合物示踪法 核磁共振波谱法 利用遗传缺欠症：先天性基因的突变，缺乏某一种酶. 同位素示踪法：常用稳定同位素：2H,15N,13C,18O 　　　　　　　　　常用放射性同位素：3H,32P,14C

四、生物能及其存在形式 25页 维持生命活动的能量 光能（太阳能） 化学能 光 (高等绿色植物) H20 + CO2 (CH2O) + O2 四、生物能及其存在形式　　25页 维持生命活动的能量 光能（太阳能） 化学能 (高等绿色植物) H20 + CO2 (CH2O) + O2 光 叶绿素 (CH2O) + O2 H20 + CO2 + 能量 生物氧化 体系的概念 体系：研究中所涉及的所有因素的总称。 环境：指与体系相互作用的外部条件。 体系可的3种类型： 开放体系：与环境有物质和能量交换的。生物体是一个开放体系，不断地和环境进行物质与能量的交换。 封闭体系：只有能量传递没有物质交换的。 隔离体系：即无能量，又无物质交换的。

1.自由能(free energy) 第26页 自由能（G） 　在某一系统的总能量中，在恒定的温度、压力及一定体积条件下能够用来做功的那部分能量。　　　 　　　　　　　G = H - T S 利用自由能判断反应的进行方向 ①当过程的 G0‘ = 0：该过程是可逆的。 ②当过程的 G0‘ < 0： 过程可以自发进行。 ③当过程的 G0‘ > 0： 则此过程不能自发进行。 1878年Josiah Willard Gibbs提出自由能的公式：能的主要表现形式：热与功

标准自由能 是在标准条件下自由能的变化。如A、B、C、D的浓度都是1摩尔浓度，若为气体，则是一个大气压。标准自由能变化符号用G°表示。 对于生物化学反应，标准状况规定为反应pH＝7的环境进行，这时的自由能用 G 表示。 O´

自由能变化的可加性　1卡＝4.184焦耳

2.高能化合物 第34页 一般将水解时能够释放 20.9 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 2.高能化合物　　第34页 一般将水解时能够释放 20.9 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能的化合物称为高能化合物。 　高能键：在分子中用“~”表示 　高能化合物 磷酸化合物 非磷酸化合物 硫酯键化合物 甲硫键化合物 磷氧型 磷氮型 烯醇磷酸化合物 酰基磷酸化合物 焦磷酸化合物

几种常见的高能键及高能化合物 磷氧键型（—O~P) 氮磷键型(-N~P) 硫酯键型(-C~S或-O ~S) 甲硫键型(CH3 ~ S) 这些化合物水解后形成的产物都含有很少的自由能，所以说它们都有很高的基团转移势能。

(1)磷氧键型（—O~P) 酰基磷酸化合物 O O + C－O～P－O- H3N－C－O～P－O- HC－OH O- CH2－O－P－O- 1,3－二磷酸甘油 H3N－C－O～P－O- + O O- 氨甲酰磷酸

焦磷酸化合物 －O～P－O- O O- -O－P～O 无机焦磷酸 O-－P～O－P～O－P－O 腺苷 腺苷三磷酸（ATP）

磷酸稀醇式化合物 COO- O 磷酸稀醇式丙酮酸 C －O～P－O- CH2 O-

(2)氮磷键型(-N~P) 胍基磷酸化合物 HN～P－O- O O- C＝NH NH (CH2)3 HC－NH3 + COO- 磷酸精氨酸 N－CH3 CH2－COO- 磷酸肌酸

(3)硫酯键型(-C~S或-O ~S) NH2 O R－C～SCoA N 酰基辅酶A CH O- 9 CH2 -O－S～O－P－O O H 腺苷-5’-磷酰硫酸 R－C～SCoA O 酰基辅酶A

(4)甲硫键型(CH3 ~ S) COO- HC－NH3 + CH2 H3C～S－腺苷 S－腺苷甲硫氨酸

3.高能磷酸化合物 36页表 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 标准自由能变化为－7.3千卡/摩尔（－30.5千焦/摩尔) 3.高能磷酸化合物 36页表 ATP是生物细胞中最重要的高能磷酸酯类化合物。 ATP的磷酸基团转移势能处于所列磷酸化合物的中间部位。通过磷酸酐键水解释放出大于20.92千焦/摩尔的自由能的有机磷酸化合物。 标准自由能变化为－7.3千卡/摩尔（－30.5千焦/摩尔)

（1）ATP是生物能存在的主要形式 37页 ATP的结构特性 ATP－ ADP＋Pi ATP－ AMP＋Pi~ Pi － 酸酐键共振稳定性小 酸酐键磷酸基团之间相邻的负电荷之间相互排斥。 ADP＋Pi比ATP具有更大的共振稳定性。

ATP作为生物能源具有的特点 ATP是一种瞬时自由能供体（能量中转站），不是能量存储形式。 ATP、ADP和Pi在细胞内处于动态平衡状态。 成人：消耗40Kg/日，激烈运动时0.5Kg/分钟

ATP在能量转运中的地位和作用　39页

(2)磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用 O O HN～P－O- HN～P－O- O- C＝NH O- C＝NH 磷酸精氨酸 NH 磷酸肌酸 (CH2)3 HC－NH3 + COO- 磷酸精氨酸 HN～P－O- O O- C＝NH N－CH3 CH2－COO- 磷酸肌酸

能量的传递与储存 能量代谢的实质是？ 生物体的做功、需能反应等。 生物体的做功、需能反应等。 D F + H + 能 D F + H + 能 ATP ADP+Pi ATP ADP+Pi ADP+Pi + 能 ADP+Pi + 能 ADP＋磷酸肌酸 肌酸＋ 脊椎动物 ADP＋磷酸肌酸 肌酸＋ 脊椎动物 无脊椎动物 ＋ 精氨酸 ADP＋磷酸精氨酸 无脊椎动物 ＋ 精氨酸 ADP＋磷酸精氨酸 能量代谢的实质是？

ATP的特殊作用 通过酶和其它生物化学反应相偶联，即可以使多数不能自发进行的反应得以顺利进行。 ATP在生命活动中起极其重要的作用，它是所有生物的“ 能量块”，几乎所有的生物需能反应都由ATP释放能量来驱动。 ATP在能量转运中的地位和作用： 在能量代谢过程中起着“共同中间体作用”，传递能量是能量的中转站或偶联者。 能量代谢实质：ATP的形成与裂解。

思考题： 1.新陈代谢的特点? 2.利用自由能判断反应的进行方向? 3.高能化合物、高能磷酸化合物？ 4.ATP在能量转运中的地位和作用？磷酸肌酸、磷酸精氨酸的贮能作用 下册第22页：2,6　　第44页3,4，6