第三章物质能量与代谢

➢ The first law of thermodynamics states:
Energy cannot be created of destroyed
➢ The second law of thermodynamics states:
When one form of energy is converted to another,
无氧呼吸（无氧酵解）
有氧呼吸（有氧氧化）
➢ 1.糖酵解概念 ➢ 在无氧或缺氧情况下。葡萄糖或糖
原在细胞胞液中分解生成乳酸，同时 释放少量能量的过程。
糖酵解具体反应过程分为四个阶段：
➢ 第一阶段：起始物葡萄糖或糖原转变成1，6-二磷 酸果糖，这—阶段是耗能的过程。
➢ 第二阶段：1，6-二磷酸果糖分解为3-磷酸甘油醛 和磷酸二羟丙酮。
➢ 激活剂
凡是能提高酶活性的物质，都称为激活剂 ，其中大部分是无机离子或简 单的有机化合物。作为激活剂的金属离子有：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、 Zn2+、 及Fe2+等离子，无机阴离子如：Cl-、 Br－、 I－、CN－、PO43－等 都可作为激活剂
酶的抑制剂 ➢ 可逆与不可逆抑制剂
➢ 竞争性与非竞争性抑制剂
①三羧酸循环是体内糖、脂肪和蛋白质三大营养物 质分解代谢的最终共同途径；
②三羧酸循环是糖、脂肪和氨基酸代谢联系的通路。
糖的有氧氧化的生理意义
氧化供能。每分子葡萄糖彻底氧化时，可净生成 36或38分了ATP，所以糖的有氧氧化是机体供能 的主要方式。
O R1 H
C ① CH ② N
O R3
C③
CH
H ④N
O C
H2N C CH N C CH N C CH
H
H
O R1
O R2
OR
丙
胃蛋白酶 胰凝乳 弹性 胰蛋白酶
蛋白酶 蛋白酶
⑤ Rm CH
N COOH H
辅助因子的作用
➢ 无机金属离子——辅助因子 ➢ 有机化合物——辅酶——传递H+或电子
NADP+和FAD 的传递H+和 电子作用
3.糖酵解的能量生成
糖酵解释放的能量较少，均为底物磷酸化生成， 每分子葡萄糖经糖酵解可净生成2分子ATP。
4.糖酵解的生理意义
①机体相对缺氧时补充能量的一种有效方弍；
②某些织织如皮肤、红细胞、睾丸、视网膜等， 即使在有氧时糖酵解也是获得能最的主要方式；
③一些病理情况下，如严重贫血、大量失血、 呼吸障碍、循环障碍等，糖酵解过程加强、甚 至可因糖酵解过度、乳酸堆积而发生乳酸性酸 中毒。恶性肿瘤细胞中的糖代谢也以糖酵解为 主，浪费了大量能源物质。
有氧氧化
1. 概念
➢ 葡萄糖或糖原在有氧条件下．彻底氧化成CO2和H2O， 并释放大量能量的过程。
2. 糖有氧氧化的具体反应过程
➢ 从糖到丙酮酸的反应过程是在胞液中进行的，而丙酮 酸以后的氧化是在线粒体内进行的。
有氧氧化整个过程分为3个阶段
1. 葡萄糖或糖原氧化分解成丙酮酸。这一阶段与糖酵解反应基本相同，所 不同的是生成的NADH+H+通过α-磷酸甘油和苹果酸两种载体进入线粒体 内经呼吸链氧化成H2O，并释放能量生成4～6分子ATP。
（2）
当底物浓度很高时所有的酶都被底物饱和而转变为 ES复合物，即[E]=[ES]，酶促反应达到最大速度 Vmax，所以
Vmax = k3[ES] = k3[E]
（3）
V = Vmax *[S]
Km +[S] 米氏方程，Km米氏常数
Km值是酶的特征常数
①Km值对应于酶所催化底物的浓度，远低于Km的底物浓度将使反应速度产生较 大的变化，表现为一级反应，即反应速度与底物浓度成正比，但速度仍比Vmax 低得多；远高于Km的底物浓度对反应速度增幅有限，表现为零级反应，即底物 浓度增加到一定程度后，再增加底物浓度，反应速度上升不明显，趋向一个极限。 ②因为Km值对于特定的酶而言是常数，使得通过简单的比较Km值可以分析来自 不同组织或者生物体的同类酶（或者改变/突变的）的效率。 ③对于有多种底物的酶，通过比较每一种底物的Km值，可以比较酶对不同底物 的相对催化效率，较小的Km值对应于较大的酶特异性，也意味着酶更倾向于催 化该底物。(其中Km值最小的称该酶的最适底物。) ④测量不同化合物对酶Km值的影响，可以确定这些化合物在反应中的作用是激 活剂还是抑制剂
3. 乙酰CoA进入三羧酸循环，彻底氧化成CO2和H2O，并释放大量能量。由 于此循环过程第一个生成物是含有3个羧基的柠檬酸，故称为三羧酸循环 或柠檬酸循环，最早由Krebs提出．故也称Krebs循环。
三羧酸循环
三羧酸循环的特点
➢ 每循环1周消耗1个乙酰基，反应过程中有4次脱氢（其中3 次以NAD+为受氢体，1次以FAD为受氢体）和2次脱羧反 应，可产生12个ATP（其中11分子ATP为氧化磷酸化生成， 1分子ATP经底物水平磷酸化生成）。
➢
有氧呼吸(aerobic respiration)
(1) 糖酵解（glycolysis） (2)丙酮酸氧化脱羧（oxidation and
decarboxylation of pyruvate） (3) 柠檬酸循环（citric acid cycle） (4) 电子传递链（chain of electron transport）
biological systems) ➢ S is the entropy熵(a measure of disorder)
➢ T is the absolute temperature (in Kelvin units)
DG = DH - TDS ➢ If DG is negative, free energy is released ➢ If DG is positive, free energy is consumed
酶的抑制剂 ➢ 可逆与不可逆抑制剂
➢ 竞争性与非竞争性抑制剂
反馈抑制
➢ 酶促反应在细胞中往往不 是独立发生的
➢ 在代谢过程中局部反应对 催化该反应的酶所起的抑 制作用，称为反馈抑制
➢ 细胞自行调节其代谢的一 种机制
➢ 维持细胞稳态的重要机制
酶作为生物催化剂的特点
➢ 1.酶易失活 ➢ 2.酶具有很高的催化性 ➢ 3.酶具有高度专一性 ➢ 4.酶活性受到调节和控制 ➢ 5.酶的化学本质
移项 ([E] — [ES]) * [S] / [ES] =(k2+k3) / k1 令：Km = (k2+k3) / k1
[ES]= [E]*[S]
Km+[S]
（1）
因为当底物浓度很高时，酶反应速率（v）与[ES] 成正比，即
V = k3[ES] ,代入（1）式得：
V = k3[E][S] / (Km+[S])
酶的特异性（专一性）
➢ 特殊的三维空间结构和构象 ➢ 酶的活性位点或酶的活性中心 ➢ 钥匙和锁 刚性模式 ➢ 酶的活性位点“柔性学说”
辅助因子的作用
➢ 无机金属离子——辅助因子 ➢ 有机化合物——辅酶——传递H+或电子
NADP+和FAD 的传递H+和 电子作用
反馈抑制
➢ 酶促反应在细胞中往往不 是独立发生的
2.ATP是细胞内的能量通货
• ATP水DP+Pi+ 自由能 DG = -30.5 KJ/mol
3.细胞呼吸产生ATP
➢ 生物体在生命活动过程中．必须不断从外 界摄取养料(如食物、氧气及水，，在体内 径过一系列的化学变化，释放出能量用于 生命活动，或转变为人体的组成成分；同 时，体内原有的物质又不断地分解，并向 体外排泄。即生物体在其生存期间与周围 环境不断地进行物质交换，这种物质交换 过程叫做物质代谢，又称新陈代谢。
第三章
物质代谢与 能量转换
生活中的几个问题
饮食：民以食为天 代谢性疾病与药物：是药三分毒 能源：煤是工业的粮食，石油是工业的血液
手机电池 基本问题：生物分子的合成与分解，细胞工厂
物质代谢、能量转换和信号转导构 成了细胞最基本的活动形式，也是生命 的基本特征之一。在温和的条件下细胞 无时无刻地发生着数以千计的生物化学 反应，而这些反应无不需要酶的参与。
➢ 三羧酸循环中有3个不可逆反应，即柠檬酸合成酶、异柠 檬酸脱氢酶及α-酮戊二酸脱氢酶系所催化的反应在生理条 件下是不可逆的，所以使整个循环不可逆。上述3种酶为 三羧酸循环的关键酶。
➢ 三羧酸循环的起始物是草酰乙酸，它可参与其他代谢而不 断更新。
➢ 异柠檬酸脱氢酶是三羧酸循环的主要调节酶和限速酶。
三羧酸循环的生理意义
1、酶是生物催化剂
➢ 酶 + 底物 酶-底物复合物 酶 + 产物 E + S E-S E + P
酶的催化机理是降低活化能
酶的特异性（专一性）
➢ 特殊的三维空间结构和构象 ➢ 酶的活性位点或酶的活性中心 ➢ 钥匙和锁 诱导契合 ➢ 酶的活性位点“柔性学说”
氨肽酶
羧肽酶
芳等
碱
Rn ⑥ H
CH N
影响酶促反应速度的因素
➢ pH对酶反应速度的影响
酶的活力受其环境pH的影响，在一定pH下，酶反应具有最大速度， 高于或低于此值，反应速度下降，通常称此pH为酶反应的最适pH
➢ 温度对酶反应速度的影响
温度对酶反应速度也有很大的影响，有一个最适温度。 是钟形曲线。
➢ 酶浓度对酶反应速度的影响
底物浓度足够大，足以使酶饱和，则反应速度与酶浓 度成正比
➢ 第三阶段：3—磷酸甘油醛转变为丙酮酸。 ➢ 第四阶段：乳酸的生成。在无氧情况下，丙酮酸
接受3—磷酸甘油醛脱氢过程中生成的还原型辅酶 Ⅰ（NADH ＋ H＋）中的2个氢原子．还原成乳酸， 乳酸是糖酵解的最终产物 。