代謝(Metabolism) Metabolism, the sum of all of the enzyme-catalyzed reactions in a living organisms, is highly coordinated and purposeful cell activity.

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1 代謝(Metabolism) Metabolism, the sum of all of the enzyme-catalyzed reactions in a living organisms, is highly coordinated and purposeful cell activity. 。

2 Metabolic pathway are promoted by sequential enzyme systems
Metabolic pathway are promoted by sequential enzyme systems. Enzymes are the simplest units of metabolic activity, each catalyzing a specific chemical reaction. 代謝途徑是由一個接連一個的酵素作用所組成的，酵素是代謝活性中最簡單的單位，每個酵素催化一個特異的化學反應。大部分的代謝過程是循途徑(pathway)方式進行。

3 代謝途徑(metabolic pathway)

4 代謝途徑中的關鍵酵素，都受到協調式(coordinated manner)的活化（activation）或抑制(inhibition)機制所調節

5 Catabolism (degradation)
Catabolism: Organic nutrient molecules are degraded by stepwise reactions into smaller, simpler end products. Catabolism過程常伴隨自由能釋出，但大部分的自由能是以ATP（energy-carrying molecule）或以高能的電子即NADH or FADH2 (energy-rich hydrogen atom)形式儲存。NADH與FADH2進入呼吸鏈(respiratory chain)將電子轉移給O2並伴隨大量的ATP生成。

6 Anabolism (biosynthesis)
Anabolism (biosynthesis) : Small precursors or building block molecules are built up into large macromolecular components of cells. Anobolism過程需輸入自由能包括ATP分解成phosphate與ADP或AMP並需供給高能的電子(NADPH)。

7 Amphibolism Amphibolism : It serves in both catabolic and anabolic processes. The citric acid cycle is an amphibolic pathway. It not only functions in the oxidative catabolism of carbohydrate, fatty acids, and amino acids, but also provides precursors for many biosynthetic pathways.

8 圖9.10 無定向的檸檬酸循環

9 Catabolic pathways converge to few end products
例如: 主要產能的營養物其Catabolism可分為三個時期: 第一時期: 多糖體(polysaccharides)、脂質(fats)與各種蛋白質(proteins)分解成種類不多的建材分子(building-block molecule)如單糖、脂肪酸、甘油與各種胺基酸。 第二時期: 建材分子進一步分解成共同產物Acetyl-CoA. 第三時期: 經由轉胺作用(transamination)與檸檬酸循環(citric acid cycle)形成NH3、H2O與CO2三個主要產物。

10 圖 16.1 細胞呼吸作用三階段中的蛋白質、脂肪和醣類的代謝作用。
圖 細胞呼吸作用三階段中的蛋白質、脂肪和醣類的代謝作用。 階段 1 ：脂肪酸、葡萄糖和一些胺基酸產生乙醯輔酶 A 。 階段 2 ：檸檬酸循環中氧化醯基，包括取得電子的四個步驟。 階段 3 ：電子被NADH和FADH2 攜帶注入粒線體（在細菌則為漿膜）電子攜帶者─呼吸鏈─最後將氧還原為水。此電子流最後會產生 ATP 。 P.652

11 Biosynthetic(Anabolic) pathways diverge to yield many product
例如許多脂類分子是由acetyl-CoA衍生而來。

12 圖12.22 類異戊二烯的生合成

13 Gibbs 自由能（Gibbs free energy；G），表示在恆溫及恆壓下一個反應進行時可以作功的能量總和。
焓（Enthalpy；H），是指反應系統中的熱含量。 熵（Entropy；S），是一個系統中亂度或是無秩序的一個定量表示 p.524

14 細胞為恆溫系統，它們僅在恆溫的狀況下有功能（它們也在恆壓下執行功能）。
細胞需要的自由能來源 細胞為恆溫系統，它們僅在恆溫的狀況下有功能（它們也在恆壓下執行功能）。 熱流不能作為細胞的能量來源，因為熱能僅在其通過一個較低溫的區域或物體時才能作功。 細胞可以且必須使用的能量是自由能，以 Gibbs 自由能功能 G 來描述。 p.525

15 此處 [A]、[B]、[C] 及 [D] 是達到平衡點時參與反應組成物的莫耳濃度。
標準自由能變化與平衡常數直接相關 此處 [A]、[B]、[C] 及 [D] 是達到平衡點時參與反應組成物的莫耳濃度。 依據此生物化學的標準狀態所得到的物理常數稱為標準轉換常數（standard transformed constants）， （請注意多數的書本以 ΔG°’ 記號而非ΔG’°來表示。) p.525

16 一個化學反應的標準自由能變化僅是平衡常數另一種數學式的表示而已。
實際的自由能變化依賴著反應物和生成物的濃度 ΔG 和ΔG ’°對於任何反應 aA + bB cC + dD 如以下方程式的關係存在 p.526

17 表 13-2 TABLE 1-1 p.526

18 表 13-3 TABLE 1-1 p.526

19 當ΔG是大且負值時，反應傾向正方向進行；當 ΔG是大且正值時，反應傾向逆方向進行。
在式中濃度項目所表示的影響通常為質量作用（massaction），而 [C]c[D]d／[A]a[B]b 項目則稱為質量作用比（mass-action ratio；Q）。 當ΔG是大且負值時，反應傾向正方向進行；當 ΔG是大且正值時，反應傾向逆方向進行。 一個反應是否為自發性是由ΔG 值所決定，而不是ΔG ’°。一個反應的ΔG ’° 為正值時則反應可往前進行（如果ΔG 為負值）。 p.528

20 連續性化學反應的標準自由能變化ΔG ’°是可加成的。對於總反應 A C 而言， 是由個別反應的標準自由能變化 和 相加而成： = + 。
標準自由能變化是可以加成的 連續性化學反應的標準自由能變化ΔG ’°是可加成的。對於總反應 A C 而言， 是由個別反應的標準自由能變化 和 相加而成： = 。 p.529

21 Bioenergetics ATP (adenosine triphosphate) is the universal currency of free energy in biological systems. 起初ATP被認為與肌肉的活力(activity)有關(1929)，之後陸陸續續的研究發現，它也存在其他形式的細胞中，而且動、植物與微生物皆存在。 In 1941, Fritz Lipmann saw the broad significance of these observations and postulated the unifying concept that ATP is the primary and universal carrier of chemical energy in cells.

22 13.3 磷醯基轉移和 ATP ATP 水解的自由能變化是極大且負值的
在標準狀況下 ATP 水解的自由能變化為 kJ/mol，但活體細胞中真實的 ATP 水解的自由能是不一樣的：ATP、ADP 還有 Pi 在細胞內的濃度不相同且遠低於標準狀況的 1.0 M。 p.536

23 圖4.8 ATP的構造

24 4.3 ATP扮演的角色 ATP的水解

25 圖 13.1 ATP 水解伴隨大量自由能變化的化學基礎。
①水解作用造成電荷分離，減低了ATP 上四個負電荷的電荷排斥作用。②產物 Pi 利用形成共振混合（resonance hybrid）的方式來穩定，在此磷酸根中四個磷與氧的鍵結有著相同程度的雙鍵特徵，並且氫離子並不永久地與任何一個氧結合（有一些程度的共振穩定化現象也存在於參與酯或酐鍵結的磷酸中，但是相對地其發生共振的型式較 Pi 為少）。③產物 ADP2－會立即離子化，釋放出一個質子至氫離子濃度極低的溶液中（pH 7）。利於 ATP 水解的第四個因素（圖上未表示）為其產物 Pi 以及 ADP 相較於ATP ，有著較大程度的水合作用，如此與反應物相比較進一步穩定了產物。 P.539 第 13 章 生物能量學原理

26 其他的磷酸化化合物以及硫酯類也擁有大的水解自由能
磷酸烯醇丙酮酸（Phosphoenolpyruvate）（圖13-3）含有一個磷酸酯鍵結，其水解時會產生烯醇（enol）形式的丙酮酸，而此直接產物會立即經由互變異構化成為更穩定的酮形式的丙酮酸。因為反應物（磷酸烯醇丙酮酸）只有一種化學形式（烯醇），而產物丙酮酸（pyruvate）卻有兩種可能的形式，所以產物相對地會比反應物來的穩定。此因素導致磷酸烯醇丙酮酸擁有大的標準水解自由能：ΔG'°＝61.9 kJ/mol 。 P.539 第 13 章 生物能量學原理

27 圖 磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的水解。 經由丙酮酸激酶（pyruvate kinase）的催化，此反應產生的產物（丙酮酸）會產生自發性的互變異構化。磷酸烯醇丙酮酸是不可能發生互變異構化的，因此水解後的產物會相對地比反應物穩定。Pi 的共振穩定也會發生，如同圖 13-1 所示。 P.540 第 13 章 生物能量學原理

28 圖 13-14 FIGURE 1-18(a) 圖13-14　1,3-二磷酸甘油酸的水解。水解的直接產物是 3-磷酸甘油酸，其伴隨一個未解離的羧酸基，但是解離會立即發生。此離子化和共振結構使產物比反應物還穩定。Pi 的共振穩定更進一步貢獻負自由能變化。 p.539

29 圖 13-15 FIGURE 1-18(a) 圖13-15　磷酸肌酸的水解。磷酸肌酸中磷—氮鍵結的斷裂會產生肌酸，肌酸藉由形成共振混合而穩定。而另一產物 Pi 也會產生共振穩定。 p.539

30 圖 13-16 FIGURE 1-18(a) 圖13-16　乙醯輔酶 A 的水解。乙醯輔酶 A 為一硫酯，其具有一個大且負值的標準水解自由能。硫酯包含一個取代氧酯中氧原子的硫原子。輔酶 A（CoA 或 CoASH）的完整結構在圖 8-38。 p.540

31 表 13-6 TABLE 1-1 p.540

32 從磷酸烯醇丙酮酸轉移磷醯基到 ADP Transfer of the Phosphoryl Group from Phosphoenolpyruvate to ADP 糖解反應最後一步驟是以丙酮酸激酶（pyruvate kinase）催化一個磷醯基從磷酸烯醇丙酮酸轉移到 ADP，此反應需要 K＋和 Mg2＋或 Mn2＋： P.579

33 另外，含三碳的化合物，1,3-二磷酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate）（圖13-4），含有一個酐鍵介於其 C-1 上的羧基與磷酸之間。水解此醯基磷酸（acyl phosphate）伴隨著一個大且負值的標準自由能變化（ΔG'°＝49.3 kJ/mol）。 當水被加入 1,3-二磷酸甘油酸中的酐鍵時，3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate），其擁有兩個同等的可能的共振結構（圖13-4）。將直接產物（3-磷酸甘油酸）移除以及形成共振穩定的離子，有利於反應趨前進行。 P.541 第 13 章 生物能量學原理

34 圖 ,3-二磷酸甘油酸的水解。 水解的直接產物是3-磷酸甘油酸，其伴隨一個未解離的羧酸基，但是解離會立即發生。此離子化和共振結構使產物比反應物還穩定。Pi 的共振穩定更進一步貢獻負自由能變化。 P.541 第 13 章 生物能量學原理

35 磷醯基從 1,3-二磷酸甘油酸轉移到 ADP Phosphoryl Transfer from 1,3-Bisphosphoglycerate to ADP 磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase）把 1,3-二磷酸甘油酸羧基上的高能磷醯基轉移到 ADP ，形成 ATP 和 3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate）： P.576

36 磷酸肌酸（phosphocreatine）（見圖13-5）的磷－氮鍵結可以被水解而產生游離的肌酸和 Pi 。Pi 的釋放和肌酸的共振穩定利於正向反應。相同地，磷酸肌酸水解的標準自由能變化為很大的負值－43.0 kJ/mol 。 在所有磷酸基釋放的反應中， Pi 具有幾種不同的共振形式（圖13-1），它能夠使產物相對的比反應物來得穩定，並貢獻一個已經是負值的自由能。表 13-6 列出幾個磷酸化合物水解過程中所產生的標準自由能。

37 圖 13.5 磷酸肌酸的水解。 磷酸肌酸中磷-氮鍵結的斷裂會產生肌酸，肌酸藉由形成共振混合而穩定。而另一產物 Pi 也會產生共振穩定。
圖 磷酸肌酸的水解。 磷酸肌酸中磷-氮鍵結的斷裂會產生肌酸，肌酸藉由形成共振混合而穩定。而另一產物 Pi 也會產生共振穩定。 P.541 第 13 章 生物能量學原理

38 圖 乙醯輔酶 A 的水解。 乙醯輔酶 A 為一硫酯，其具有一個大且負值的標準水解自由能。硫酯包含一個取代氧酯中氧原子的硫原子。輔酶 A（CoA 或 CoASH）的完整結構在圖 8-41 。 P.542 第 13 章 生物能量學原理

39 琥珀醯輔酶 A 轉化為琥珀酸 琥珀醯輔酶 A 和乙醯輔酶 A 相似，都具有一個硫酯鍵伴隨很強的負標準水解自由能（ΔG’°約等於－36 kJ/mol）。在檸檬酸循環的下一個步驟，為此鍵結打斷所釋放出來的能量，用來驅使 GTP 或是 ATP 的磷酸酶鍵合成，此反應的標準自由能僅為－2.9 kJ/mol 。琥珀酸（succinate）是藉由下列的反應形成的： 催化這個雙向可逆反應的酵素稱為琥珀醯輔酶 A 合成酶（succinyl-CoA synthetase）或是琥珀酸硫激酶（succinic thiokinase）；兩名稱都指出反應中有核苷三磷酸參與。 P.661

40 BOX 螢火蟲的閃爍：ATP 的發光報導 BOX 1-2 FIGURE 1 p.544

41 在所有細胞型態中核苷酸之間可以互相轉磷酸化
ATP 是代謝反應中生成的主要高能量磷酸化合物，例如：在糖解作用、氧化磷酸化反應，以及行光合作用細胞的光磷酸化作用。不同的酵素會從 ATP 將磷醯基攜帶至其他的核苷酸上。 (1)核苷二磷酸激酶（nucleoside diphosphate kinase）催化以下的反應： p.545

42 (3)酵素肌酸激酶（creatine kinase）能用來催化此可逆反應:
(2)由 ATP 作磷醯基的轉移導致 ADP 的堆積，例如：當肌肉劇烈收縮時，ADP 會堆積且干擾依賴ATP 的收縮反應。在 ATP 極度被需求期間，細胞會將ADP 的濃度降低，且在同時藉由腺嘌呤核苷酸激酶（adenylate kinase）的作用來獲得 ATP： (3)酵素肌酸激酶（creatine kinase）能用來催化此可逆反應: p.545

43 ATP provides energy by group transfers not by simple hydrolysis。ATP的水解是經由原子團的移轉並非簡單的水解。
以熱力學的觀點此水解反應必會自然發生(自由能為負值)，但以動力學的觀點而言此反應並不一定會進行。

44 糖解反應的預備階段需要ATP 葡萄糖之磷酸化 Phosphorylation of Glucose 在糖解反應的第一步驟中，葡萄糖的第六號碳經由磷酸化而被活化並產生葡萄糖 6-磷酸（glucose 6-phosphate）以利後續的反應進行，在這個過程中以 ATP作為磷醯基的供應者：

45 只有在特異的酵素存在下反應才能進行。代謝中的不可逆反應雖然是伴隨著large and negative free-energy change之自發反應(spontaneous reaction)，但反應幾乎不會進行，必須在特異的酵素存在下，反應始能進行。可見在代謝過程中，酵素是控制反應進行的關鍵。

46 其他的磷酸化化合物以及硫酯類也擁有大的水解自由能
磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate；PEP）（圖 13-13）含有一個磷酸酯鍵結，其水解時會產生烯醇（enol）形式的丙酮酸。 另外， 含三碳的化合物， 1 , 3 - 二磷酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate）（圖 13-14）。 水解此醯基磷酸（acyl phosphate）伴隨著一個大且負值的標準自由能變化（ΔG ’°= kJ/mol）。 p.538

47 數百種的受質在經過許多酵素的催化下，其氧化作用的電子只會轉移到少數幾種通用的電子攜帶者上。
少數的輔酶和蛋白質能當作電子攜帶者 數百種的受質在經過許多酵素的催化下，其氧化作用的電子只會轉移到少數幾種通用的電子攜帶者上。 NAD、NADP、FMN 和 FAD 是水溶性的輔酶，在電子轉移的過程中，這些輔酶能進行可逆性的氧化還原反應。 p.552

48 NADH 和 NADPH 與去氫酶作用作為可溶性的電子攜帶者
菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adeninedinucleotide；NAD；氧化態為 NAD+）及其類似物，菸鹼醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adeninedinucleotide phosphate；NADP；被氧化為 NADP+），是由兩個核苷酸藉由其磷酸基團形成磷酸酐鍵聯結而成。因為菸鹼醯胺環的結構和嘧啶類似，這些化合物有時候也可以稱做吡啶核苷酸（pyridine nucleotides）。 p.552

49 圖 13-24 FIGURE 1-18(a) p.553

50 大部分使用 NAD 或 NADP 作為輔酶的去氫酶都具有一保留性結構域，稱為羅斯曼摺疊（MichaelRossmann)。
典型的羅斯曼摺疊含有六條平行的 β 摺板（β sheets）和四個連結的 α 螺旋（α helices）。 飲食缺乏菸鹼酸與維生素形式的 NAD 和 NADP會造成癩皮病 NAD 和 NADP 中類似吡啶的環狀結構是衍生自維生素中的菸鹼酸（niacin，圖 13-26），菸鹼酸則是由色胺酸合成。 p.554

51 圖 13-25 FIGURE 1-18(a) 圖13-25　羅斯曼摺疊。這個結構模體在是許多去氫酶 NAD結合位置皆可被發現。(a) 其包含了一對結構類似的模體，各有三條平行的 β 摺板和兩個 α 螺旋（β-α-β-α-β）。(b) 酵素乳酸去氫酶的核酸結合結構域（由 PDB ID 3LDH 取得），在有 NAD（以球及棒結構顯示）結合時，透過氫鍵與離子鍵結合至成對的羅斯曼摺疊 β-α-β-α-β 結構模體（以綠色表示），而形成較為延伸的構形。 p.554

52 表 13-8 TABLE 1-1 p.554

53 黃素核苷酸（flavin nucleotides）這類輔酶是從維生素核黃素衍生而來。
黃素核苷酸緊密地與黃素蛋白結合 黃素蛋白（flavoproteins）（表 13-9）是使用黃素單核苷酸（FMN）或黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）（圖 13-27）為輔酶，催化氧化還原反應的酵素。 黃素核苷酸（flavin nucleotides）這類輔酶是從維生素核黃素衍生而來。 p.555

54 表 13-9 TABLE 1-1 p.555

55 圖 13-27 圖13-27　FAD 和 FMN 的氧化及還原態的化學結構。圖中，虛線以上即為 FMN 的結構（氧化態）。核黃素核苷酸能接受兩個氫原子（兩個電子與兩個質子），這兩個氫原子都會出現在核黃素的環系統上。當 FAD 或 FMN 僅接受一個氫原子時，便形成帶有一個穩定自由基的半醌態。 p.556