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生物化学与分子生物学（新陈代谢：途径和能学）
这是一篇关于生物化学与分子生物学（新陈代谢：途径和能学）的思维导图，主要内容包括：生物能学，新陈代谢总论、糖代谢、脂质代谢以及氨基酸与核苷酸的代谢。
编辑于2025-01-16 22:39:21- 糖代谢
- 新陈代谢
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复习大纲
主题
第 8 章 糖代谢
本章重点和难点：糖的分解代谢，各种糖代谢途径的相互关系
8．1 糖酵解
8．1．1 酵解与发酵
8．1．2 糖酵解途径
8．1．3 其它单糖进入糖酵解途径
8．1．4 乳酸的生成
8．1．5 乙醇的生成
8．1．6 糖酵解的调节
8．2 三羧酸循环
8．2．1 丙酮酸生成乙酰 CoA
8．2．2 三羧酸循环
8．2．3 三羧酸循环的生物学意义
8．2．4 三羧酸循环的回补反应
8．2．5 乙醛酸循环
8．3 磷酸已糖支路
8．3．1 反应途径
8．3．2 磷酸已糖支路的生物学意义
8.4 糖的合成代谢
8．4．1 葡萄糖的生成
8．4．2 糖异生作用
8．4．3 糖原的合成
第 9 章 脂代谢
本章重点和难点：脂肪酸的分解和合成
9．1 脂类的消化、吸收和转运
9．1．1 脂类的消化和吸收
9．1．2 脂类的转运
9．1．3 贮脂的动用
9．2 甘油三酯的分解代谢
9．2. 1 甘油三酯的水解
9．2．2 甘油代谢
9．2．3 脂肪酸的(氧化
9．2．4 不饱和脂肪酸的(氧化
9．2．5 奇数碳脂肪酸的(氧化
9．2．6 脂肪酸的其它氧化途径
9．2．7 酮体代谢途径
9．3 脂肪的合成代谢
9．3．1 脂肪酸的从头合成
9．3．2 脂肪酸碳链的延长反应
9．3．3 不饱和脂肪酸的合成
9．3．4 各组织中脂肪代谢的关系
9．3．5 脂代谢与糖代谢的特点
9．3．6 脂代谢与糖代谢的关系
9．4 磷脂代谢
9．4．1 甘油磷脂的水解
9．4．2 磷脂的合成
磷脂类 的生物合成
第 10 章 氨基酸代谢
本章重点和难点：尿素循环、氨基酸分解与三羧酸循环的关系，氨基酸的合成
10．1 蛋白质降解及氮平衡
10．1．1 蛋白质的消化吸收
10．1．2 氨基酸代谢库
10．1．3 氮平衡
10．2 氨基酸分解代谢
10．2．1 脱氨基作用
10．2．2 脱羧基作用
10．2．3 氨的去向
10．2．4 氨基酸碳架的去向
10．2．5 由氨基酸衍生的其它重要物质
10．2．6 氨基酸代谢缺陷症
10．3 氨基酸合成代谢
10．3．1 氨基酸合成中的氮源和碳源
10．3．2 脂肪族氨基酸合成途径
10．3．3 芳香族氨基酸合成途径
10．3．4 氨基酸合成的调节
10．3．5 几种重要的氨基酸衍生物的合成
氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物
第 11 章 核酸的降解和核苷酸代谢
本章重点和难点：嘌呤环的合成、嘧啶环的合成、脱氧核糖核苦酸的合成
11．1 核酸和核苦酸的分解代谢
11．1．1 核酸的降解
11．1．2 核苷酸的降解
11．1．3 嘌呤碱的分解
11．1．4 嘧啶碱的分解
11．2 嘌呤核苷酸的合成
11．1．1 从头合成
11．1．2 补救途径
11．3 嘧啶核苷酸的合成
11．3．1 从头合成
11．3．2 补救途径
11．4 脱氧核糖核苷酸的合成
11．4．1 核糖核苷酸的还原
11．4．2 胸腺嘧啶核苷酸的合成
11．5 辅酶核苷酸的合成
11．5．1 烟酰胺核苷酸的合成
11．5．2 黄素核苷酸的合成
11．5．3 辅酶 A 的合成
第 12 章 生物氧化与氧化磷酸化
本章重点和难点：电子传递、ATP 的生物合成
12．1 生物能学简介
12．1．1 化学反应的自由能
12．1．2 自由能变化与化学反应平衡常数的关系
12．1．3 标准自由能变化的加和性
12．1．4 高能磷酸化合物
12．1．5 生物氧化的概念和特点
12．2 线粒体电子传递
12．2．1 电子传递过程
12．2．2 电子传递链
12．2．3 电子传递链有关的酶和载体
12．2．4 电子传递链的抑制剂
12．3 氧化磷酸化作用
12．3．1 氧化磷酸化的概念
12．3．2 P／O 比和由 ADP 形成 ATP 的部位
12．3．3 电子传递和 ATP 形成的偶联及调节机制
12．3．4 氧化磷酸化的偶联机理
12．3．5 氧化磷酸化的解偶联
生物化学与分子生物学 （新陈代谢：途径和能学）
新陈代谢总论
新陈代谢是生物体内所有有序的化学变化的总和，是生物体与环境之间以及生物体内物质和能量交换的过程，也是生物体内物质和能量自我更新的过程。 细胞是进行新陈代谢的基本单位。
基本概念和原理
概念
代谢途径的连续酶促反应称为中间代谢。 中间代谢的产物称为中间物（intermediate）。 不同生物普遍存在的一些共有途径，称为中心代谢途径。
所有参与代谢反应的物质，统称为代谢物。
有机生化反应在生物体出现的条件
机体需要。
机体在进化的过程中产生合适的酶。
原理
（1） 新陈代谢包括 物质代谢和能量代谢两个方面。
合成代谢(同化作用):生物体利用能量将小分子物质合成自身大分子物质的全部代谢过程
分解代谢(异化作用):生物体将体内较大较复杂的物质分解为轻小简单物质并释放能量的过程
合成代谢和分解代谢采取的途径并不相同， 只有在某些代谢环节上，两种代谢可以共同利用同一途径， 这种公用途径叫做两用代谢途径。
（2） 代谢反应受自由能驱动
自由能是指能够用于机体做功的那部分能量。能够直接通过提供自由能推动生物体多种化学反应的是腺嘌呤核苷三磷酸分子即ATP。
（3） 核苷酸衍生物是能量和活性基团的载体
（4） 代谢的基本要略在于 形成ATP、还原力和构造元件用于生物合成。
ATP供能的基本方式：
当ATP提供能量时，ATP分子失掉一个γ-磷酰基而变为ADP和磷酸分子。ADP又可在捕获能量的前提下，再与无机磷酸结合形成ATP。ATP和ADP的相互转化是生物机体利用能量的基本方式。
辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的递能作用：
氢负离子：H+、2e-
物质氧化产生的高能位电子和脱下的氢原子通过辅酶Ⅰ（NAD＋）或辅酶Ⅱ（NADP＋）传递给生物合成中需要还原力的反应。
① NADH是辅酶Ⅰ的还原形式，它能进入呼吸链，传递质子和电子给氧，偶联ATP的形成，起到氧化供能的作用，是线粒体中能量产生链中的控制标志物。
② NADPH是辅酶Ⅱ的还原形式，它不进入呼吸链，为生物大分子化合物的合成提供还原力，在还原性生物合成中起氢负离子供体的作用。
FMN和FAD的递能作用
2H+、2e-
FMN 和 FAD 都能接受两个电子和两个氢原子它们都在氧化还原反应中，特别是在氧化呼吸链中起传递电子和氢原子的作用
辅酶A在能量代谢中的作用
CoA 的巯基在酶促转乙酰基的反应中，起着接受或提供乙酰基的作用,乙酰-CoA 形成的硫醋键和 ATP的高能磷酸键相似，都在水解时释放出大量的自由能
（5） 代谢在分子、细胞和整体三个水平上的调节
新陈代谢的调节控制
主要反应机制
酶催化反应的 基本机制概述
亲核体 亲电子体
亲核体指其功能相关的官能团富有并能给出电子的化合物。
作为载体
还原型从弱到强→ 亲核体<亲核体1
亲电子体指缺电子并能接受电子的化合物。
有机化合物共价键（共用电子对2） 断裂方式。 如：C-C、C-H
异裂断键
碳负离子2——质子0
共振（平衡负电荷）
碳正离子0——氢负离子2e-
共振（平衡正电荷）
降低体系能量使体系更加稳定。 均可引起构型变化。
均裂断键
自由基1——自由基1
基团转移反应
亲电子基团转移， 本质是电子的转移。
在生化反应中，基团转移（或称亲核体的取代反应）是指 亲电子基团从一个亲核体转移到另一亲核体的过程。
酰基转移
起始于亲核体向酰基的羰基原子进攻
磷酰基转移
转移起始于亲核体向磷酰基的磷原子进攻
葡糖基转移
一般发生的是双取代，转移过程是一个亲核体取代葡萄糖环上 C1处的另一亲核体的过程
氧化还原反应
e-转移
氧化还原反应的实质是电子的得失，在生物体的能量代谢反应中，从代谢物转移的电子，通过一系列的传递体转移到氧，并伴随能量的释放，电子的传递通过辅酶来完成。
电子供体
NAD＋＋H＋＋2e－⇌NADH
反应中NADH为电子供体，NAD＋为电子受体。
在生物体的能量代谢中，NADH提供出两个电子，进入电子传递链。
电子的最终受体常是氧，与H+结合后生成水。
消除、异构化和重排反应
质子的转移
（1）消除反应：
氢原子+其他基团
单键饱和中心发生消除反应后形成双键， 消除掉的分子通常是H2O、NH3、R—OH、或R—NH2。 消除反应有三种反应机制：
协同机制 经过碳正离子的机制:酶消除反应时酸性基团以此机制进行 经过碳负离子的机制:酶消除反应时碱性基团以此机制进行
顺式消除
反式消除
（2）异构化反应：
质子的转移导致 酮—烯醇互变异构
异构化反应是指质子从一个碳原子转移到另一个碳原子上，由此发生了双键位置的改变。醛糖-酮糖互变反应是代谢中最常见的异构化反应。
（3）分子重排反应：
重排是C—C键断裂，随即又重新形成的反应，其结果是碳骨架发生了变化。例如奇数碳原子脂肪酸的氧化和某些氨基酸的降解反应。
碳碳键的形成和断裂
C—C键的形成与断裂是分解代谢与合成代谢的实质， 这类反应主要有三种类型。
（1）羟醛缩合反应：也称醛醇缩合反应，如醛缩酶所催化的果糖-1,6-二磷酸反应。
（2）克莱森酯缩合反应：此反应由柠檬酸合酶催化，是一个羟醛-克莱森酯缩合的反应。
（3）β-酮酸的氧化脱羧反应：此类反应由异柠檬酸脱氢酶或脂肪酸合酶催化。
自由基反应
自由基反应是指化合物分子中的共价键均裂成游离基而进行的反应。例如，光照会破坏辅酶B12，当Co—C键均裂时，产生5′-脱氧腺苷自由基和钴胺素。
新陈代谢的研究方法
使用酶的抑制剂
阻断代谢途径，使某种代谢中间物积累，以此测定该中间代谢物
碘乙酸抑制醛缩酶作用，使酵母发醇液中积累果糖-1,6-二磷酸
利用遗传缺陷症
遗传缺欠症病人，因先天性基因的突变缺乏某一种酶，使该酶的前体不能进一步参加代谢过程，从而引起该前体物的积累，测定此前体物质
研究遗传缺欠产生的苯丙酮尿症使苯丙氨酸的代谢途径得到了阐明
气体测量法
利用代谢过程中气体的消耗或产生以及氧化碳的变化量来探知新陈代谢情况
瓦氏呼吸器可利用此方法的测量
同位素示踪法
利用同位素标记化合物来研究代谢反应及代谢产物的物理化学性质
放射性同位素示踪法
核磁共振波谱法
根据核磁共振谱(NMR 谱)可反映分子中各个原子所处的状态
其他方法:色谱-质谱联用法
生物能学
定量研究活细胞中发生的能量转换和 作为能量转换基础的化学过程的性质与作用
热力学的一些基本概念
化学反应中自由能的变化 及意义
化学反应的自由能变化 ΔG
对于可逆反应：
aA＋bB⇋cC＋dD
反应式中，a、b、c、d是参加反应A、B、C、D四种物质的分子数。
ΔG＝ΔH－TΔS
自由能可以被看成是促使化学反应达到平衡的一种驱动力。 当化学反应达到平衡时，焓和熵的变化在数值上是相等的， 这时自由能的变化是0。
标准自由能变化
驱动整个反应系统趋向于平衡的力
计算依据
标准状态
标准状态定位温度为25℃，大气压为1atm（101325Pa）的纯物质， 溶液中溶质的标准状态通常定义为单位活度或浓度为1mol/L。
但此时的标准状态，氢离子浓度为1mol/L，pH=0 与实际的生化反应状态有很大的出入。
标准生成(fromation)自由能：规定为全程在标准状态下，由稳定单质生成1mol化合物反应的自由能变化。
① 化合物的标准生成自由能恒小于等于零； ② 单质的标准生成自由能规定为0； ③ 每个化合物都有自己的标准生成自由能。
《化学和物理手册》
通过标准生成自由能可以计算出一个反应的标准自由能变化。
化学反应的标准自由能变化是指反应物自由能的总和与产物自由能总和之差， 标准生成自由能变化的符号用ΔGϴ表示。
标准自由能变化和 化学平衡的关系
生物化学标准状态
重新定义与化学和物理学不同的标准状态。
不同之处在于， 溶液。
当它们是反应物或产物时 它们的浓度不包括在标准自由变化的方程中
标准转换常数
基于生物化学标准状态下的常数。
为了区分，基于此生物化学标准状态的物理常数， 书写时加上一撇。
（生化）标准自由能变化
在生化标准条件下，所发生的标准自由能变化，用ΔGϴ′表示。
计算
标准自由能变化与 平衡常数的关系
背 x10^-3
[A]、[B]、[C]、[D]代表反应物和生成物的摩尔浓度。
实际自由能变化
未达到平衡时
指数的运算（估算） 2^m<ln(?)<3l l<?<m
偶联反应的标准自由能变化具有可加性
也可以将两个化学方程式合成一个 总化学方程式计算
ATP与磷酰基转移
概念
生命系统将产能过程（分解、熵增、氧化）跟需能过程（合成、负熵、还原）有效地偶联起来。
这种偶联有赖于通用的媒介物——化学能载体ATP
细胞能量系统中的通用货币
4个负电荷
高能磷酸化合物
机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，能释放出大于25kJ/mol的自由能，这类化合物称为高能磷酸化合物。这些分子中的酸酐键，能释放出大量自由能。
ATP水解的两步
1. 基团转移到目标物上。
通常情况下的活化过程就是将基团转移到底物上， 这个基团通常是磷酸基团。
2. 基团分离析出。
ATP水解的自由能变化是最大的负值
ATP的β磷酐键和γ磷酸酐键 水解的产生的自由能分别为：
化学基础
静电排斥引起键张力，因电荷分离而缓解
Pi因共振杂化而稳定
产物比反应物稳定 导致自由能显著下降。
细胞中ATP水解实际自由能变化
ATP水解自由能的变化时不固定的， 在不同的细胞中也会不同。
在细胞内的条件下ATP水解的实际自由能称为磷酸化势——ΔGp。
影响因素
（1）当pH升高时ATP释放的自由能明显升高。
（2）细胞内Mg2＋与ATP4－、ADP2－以及HPO42－形成复合物会影响ATP的自由能。
其他一些2价阳离子如Mn2＋对ATP水解的标准自由能变化也有复杂的影响。
计算
其他高能化合物
类型
磷酸化合物
ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用
各种核苷三磷酸参与不同生物合成的关系示意图
合成磷脂
CTP
合成糖原
UTP
磷酸脂键水解自由能降低P-O
产物
子主题
1,3-二磷酸甘油酸
共振
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）
产物互变异构变得稳定
P-N
磷酸肌酸
硫酯C-S
乙酰辅酶A
琥珀酰CoA
高能化合物自由能变化大的原因
静电排斥引起键张力，因电荷分离而缓解
产物稳定
产物因电离而稳定
产物因异构化而稳定
产物因共振二稳定
ATP通过基团转移提供能量
基团的流动
ATP不是通过简单的水解提供能量，而是通过集团的转移。
ATP水解生成的基团
磷酸基
焦磷酰基
腺苷酰基
无机多磷酸 ployP
积累
ATP系统的动态平衡
细胞内的ATP和ADP总是保持相应的平衡状态。
细胞所处的能量状态由能荷表示
糖代谢
一、糖酵解（EMP途径） Embden-Meyerhof-Parnas 人名 pathway
意义： 是一切生物体内糖代谢的普遍共有途径。 为生命活动产生部分能量，对厌氧菌来说是获取能量主要的方式。 中间产物可作为合成其他物质的原料。 为有氧分解做准备。
亚细胞定位 ——细胞溶胶
膜 葡萄糖转运蛋白 协助扩散
主要有三个蛋白质家族可以胜任。
概述
糖酵解概念
糖酵解又称EMP途径，是指在无氧条件下葡萄糖进行分解，降解成丙酮酸并生成ATP的过程，该反应发生在细胞质中。
糖酵解是最基本的代谢途径，是葡萄糖分解代谢所经历的共同阶段。
糖酵解作用的反应式
细胞质溶胶
整个过程分为两个阶段、十步反应，需要十种酶，三个关键酶/限速酶
糖酵解的全部反应过程可分为两个阶段：
（1）第一阶段（前5步反应）：葡萄糖通过磷酸化分解为三碳糖，形成两分子3-磷酸甘油醛，消耗2个ATP。
（2）第二阶段（后5步反应）：两分子3-磷酸甘油醛转变为两分子丙酮酸，此过程产生4个ATP。
因此，糖酵解全过程净产生2个ATP。
糖酵解第一阶段——准备阶段 5
1||| 己糖激酶(Mg2+ )
葡萄糖活化
-ATP
葡萄糖+ ATP Þ 葡萄糖-6-磷酸+ADP
①此反应必须有 Mg2+的存在; ②己糖激酶是一种调节酶，受其催化的反应产物 G-6-P 和ADP 的变构抑制; ③参与反应的 ATP 必须与 Mg形成 Mg2+ - ATP 复合物，未形成复合物的 ATP 分子对己糖激酶有强竞争性抑制作用; ④此反应为限速步骤
葡萄糖的磷酸化:AIP 的磷酸基团在酶催化螞彐鏂下转移到葡萄糖分子上，形成葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)
2||| 磷酸葡萄糖异构酶
葡萄糖-6-磷酸 Û 果糖-6-磷酸
葡萄糖分子发生了异构化，葡萄糖的羰基从 C1转移到了 C2，使葡萄糖从醛式转变成酮式的果糖
①磷酸葡萄糖异构酶活性部位的催化残基是 Lys 和 His; ②磷酸葡萄糖异构酶具有绝对的底物专一性和立体专一性; ③催化反应的实质包括一般的酶促酸-碱催化机制
3||| 磷酸果糖激酶(Mg2+)
果糖活化
-ATP
果 糖 -6- 磷 酸十ATP Þ 果糖-1.6二磷酸+ADP
①磷酸果糖激酶（PFK）是一种变构酶，它的催化效率很低，此反应为限速步骤 活性受到许多因素的控制;
②低浓度的ATP是该酶的激活剂 而高浓度 ATP 可降低该酶对果糖-6-磷酸的亲和力;
③当 pH 下降时，H+对该酶有抑制作用
4||| 醛缩酶
共价键断裂
果糖-1,6 二磷酸 Û 二羟丙酮磷酸+甘油醛-3-磷酸
果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶的作用下发生裂解反应生成一分子一羟丙酮磷酸和一分子甘油醛-3-磷酸
醛缩酶活性部位的催化残基是Cys、His
5||| 丙糖磷酸异构酶
磷酸二羟丙酮 Û 甘油醛-3-磷酸
羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸
①在酶的催化下，二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸可以互变它们之间是醛酮化合物的互变异构关系;
②磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸维持在反应的平衡状态
糖酵解第二阶段——放能阶段 5
x2
1||| 甘油醛-3-磷酸脱氢酶
脱氢
高能键+NADH+H+
甘油醛-3-磷酸+Pi+NAD+ Û 1.3-二磷酸甘油酸 +NADH+H+
甘油醛-3-磷酸发生氧化和磷酸化反应，醛基氧化释放的能量推动了反应产物 1.3-磷酸甘油酸的形成。
产物是一个酰基磷酸，具有高能磷酸基团转移势能作用
第一次产生高能磷酸键与NADH
2||| 磷酸甘油酸激酶(Mg2+)
底物水平磷酸化
+ATP
1.3-二磷酸甘油酸+ ADP Þ 3-磷酸甘油酸+ ATP
1.3-二磷酸甘油酸将其连接在碳 1位上的高能磷酸基团转移到 ADP 分子上形成 ATP分子，1.3-二磷酸甘油酸则转变为 3-磷酸甘油酸
底物水平磷酸化产生 ATP
3||| 磷酸甘油酸变位酶
3-磷酸甘油酸 Û 2-磷酸甘油酸
分子内化学基团移位的反应
4||| 烯醇化酶
脱水 消除反应
高能键+H2O
2-磷酸甘油酸 Û 磷酸烯醇式丙酮酸+H20
①反应需要二价阳离子的作用;
②-OH 的消除速度是该反应的限速步骤
5||| 丙酮酸激酶(Mg2+ )
底物水平磷酸化
+ATP
磷酸烯醇式丙酮酸+ ADP +H+ Þ 丙酮酸+ ATP
①丙酮酸激酶的催化活性需要2价阳离子参与; ②丙酮酸激酶是糖酵解途径中的一个重要变构调节酶; ③底物水平磷酸化产生 ATP
糖酵解 1G物料结算 （细胞溶胶）
-2+2x2=+2ATP
2 NADH
细胞溶胶内NADH的再氧化
~3/5ATP
2 丙酮酸
柠檬酸循环/三羧酸循环 （TGA循环）/Krebs循环 Hans Krebs
丙酮酸的无氧去路
乳酸发酵剩余途径
乳酸脱氢酶
动物在激烈运动发生供氧不足时，丙酮酸作为NADH的受氢体使细胞在无氧条件下重新生成NAD＋，丙酮酸的羰基被还原，生成乳酸。反应式为：
2丙酮酸+2NADH＋2H＋→ 2乳酸+2NAD+
在无氧条件下，每分子葡萄糖代谢形成乳酸的总方程式为：
C6H12O6（葡萄糖）＋2ADP＋2Pi→2C3H6O3（乳酸）＋2ATP＋2H2O
酒精发酵剩余途径
酵母在无氧条件下，将丙酮酸转变为乙醇和CO2，这一过程包括两个反应步骤。
酒精发酵
丙酮酸脱羧酶
丙酮酸→乙醛＋CO2
丙酮酸脱羧形成乙醛：
催化这一步反应的酶是丙酮酸脱羧酶。该酶在动物细胞中不存在。它以硫胺素焦磷酸（TPP）为辅酶。
乙醇脱氢酶
乙醛＋NADH＋H＋→乙醇＋NAD＋
乙醛还原成乙醇同时产生氧化型NAD＋：
催化这一反应的酶是含有4个亚基的乙醇脱氢酶。它的每个亚基结合一个NADH和一个Zn2＋。
2ATP
糖酵解作用的调节
关键酶——磷酸果糖激酶
磷酸果糖激酶是哺乳动物酵解途径的重要调节酶，是糖酵解关键限速步骤中的关键酶。
ATP、ADP、AMP 对磷酸果糖激酶的调节：
ATP既是磷酸果糖激酶的底物，又是该酶的别构抑制剂。ATP对该酶的抑制可以被AMP和ADP解除。
磷酸果糖激酶为四聚体酶，有R和T两种构型状态。 每个亚基上都有两个ATP的结合位点， 一个是底物位点，一个是抑制物位点。
其中，底物结合位点在R、T两种状态下都能与ATP结合，
该酶的另一底物——果糖-6-磷酸则在R状态时优先和该酶结合。
而抑制物位点只在T状态下与ATP结合。
能量过剩，别构抑制
高浓度的ATP与T状态的位点结合而作为变构抑制剂，使得R状态变为T状态，降低果糖-6-磷酸的结合，从而抑制催化活性。
AMP和ADP可以解除ATP对该酶的抑制。当酶处于R状态时，AMP优先与酶结合。
能量缺失，抑制解除。
2,6-二磷酸果糖对磷酸果糖激酶的调节：
果糖-2,6-二磷酸是一个变构激活剂。在肝脏中果糖-2,6-二磷酸能控制磷酸果糖激酶的构象转变，维持构象间平衡，提高磷酸果糖激酶和果糖-6-磷酸的亲和力，并能降低ATP的抑制效应。
己糖激酶和丙酮酸激酶 对糖酵解的调节作用
（1）己糖激酶的调节作用：
己糖激酶的催化作用受到它催化生成的产物葡萄糖-6-磷酸的抑制。当磷酸果糖激酶不活跃，果糖-6-磷酸的浓度增加必然使葡萄糖-6-磷酸的浓度增加，使得己糖激酶受到抑制。
（2）丙酮酸激酶的调节作用：
① 果糖-1,6-二磷酸对丙酮酸激酶的激活作用促进EMP的进行。
② ATP、丙氨酸、乙酰CoA、长链脂肪酸对丙酮酸激酶有抑制作用。它们的浓度增加说明能量贮存足够，对丙酮酸激酶的变构抑制效应使酵解过程减慢。
丙酮酸及下游产物过多，别构抑制
③ 血液中葡萄糖浓度影响酶活性。当葡萄糖浓度降低时，丙酮酸激酶磷酸化（不活跃形式），抑制EMP的进行；反之，丙酮酸激酶去磷酸化（活跃形式），促进EMP的进行。如图17-1所示。
低糖，磷酸化抑制
其他六碳糖加入糖酵解
果糖
肌肉：己糖激酶
肝，只含葡糖激酶C6羟基无法磷酸化， 要经六种酶催化后C3（甘油醛）转化成磷酸二羟丙酮进入糖酵解。
半乳糖
五步转化为6-磷酸葡糖进入糖酵解
甘露糖
两步转化为6-磷酸果糖进入糖酵解
第一阶段进入 都要经历两次磷酸化
二、线粒体中的有氧代谢
柠檬酸循环/三羧酸循环 （TGA循环）/Krebs循环 Hans Krebs
亚细胞定位 ——线粒体基质
丙酮酸通过 线粒体内膜上的丙酮酸载体 进入线粒体
一、丙酮酸进入柠檬酸循环的准备阶段——形成乙酰CoA
丙酮酸转变为乙酰CoA
（1）总反应式：
线粒体基质
丙酮酸脱氢酶系
从丙酮酸转变为乙酰CoA是在丙酮酸脱氢酶复合体的作用下完成的， 涉及五步反应、三种酶、五种辅基
反应步骤
该反应由丙酮酸脱氢酶组分（E1）催化。 辅酶：TPP
丙酮酸脱羧反应：
丙酮酸＋TPP Þ 羟乙基-TPP＋CO2 羟乙基-TPP+氧化型E2 Û 乙酰二氢硫辛酰胺-E2+TPP
丙酮酸脱氢酶组分的催化反应步骤：
发生在TPP辅基的催化反应，形成羟乙基-TPP-E1；
羟乙基-TPP-E1在E2的存在下将羟乙基氧化形成乙酰基，并转移到E2辅基硫辛酰胺上，形成乙酰二氢硫辛酰胺-E2。
由二氢硫辛酰转乙酰基酶（E2）催化， 辅基：氧化型硫辛酰胺 辅酶：辅酶A
酰基转移反应
乙酰二氢硫辛酰胺-E2+辅酶A Û 乙酰辅酶A+还原型E2
E2催化，将其结合的乙酰基转移到CoA-SH分子上，
形成乙酰CoA：
还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶
酰基转移 + 电子传递
还原性依次降低
二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）， 辅酶：FAD、NAD＋
再氧化
还原型E2+FAD Û 氧化型E2+FADH2 FADH2+NAD+ Û NADH+FAD+H+
步骤
E3催化E2中二氢硫辛酰胺的再氧化
还原型二氢硫辛酰转乙酰基酶氧化，形成氧化型的（二氢）硫辛酰转乙酰基酶：
这一步反应是使氧化型硫辛酰胺再生的反应。
氧化型E3转变成还原型E3，从而使其完成了它的全部反应过程。
FADH2
还原型的E3亚基再氧化：
还原型E3二硫键的再氧化由该酶结合着的辅基FAD接受—SH基的氢原子，形成FADH2，接着又将氢原子转移给NAD＋，于是恢复其氧化型。
NADH
电子转移
砷化物对硫辛酰胺的毒害作用
砷化物的毒害作用机制是与丙酮酸脱氢酶复合体中的E2辅基硫辛酰胺的巯基发生共价结合，使还原型硫辛酰胺变为失去催化能力的砷化物。
这类砷化物抑制丙酮酸脱氢酶复合体的机制同样表现在对α-酮戊二酸脱氢酶的抑制作用上。
丙酮酸活化 1G物料总结 （线粒体基质）
2 乙酰辅酶A
柠檬酸循环 8
脂质代谢
生酮氨基酸
2 NADH
电子传递链/呼吸链
~5ATP
2 CO2
柠檬酸循环 8
概述
柠檬酸循环又称三羧酸循环，是在细胞的线粒体基质中进行的。起始于四个碳的化合物——草酰乙酸与循环外两个碳的乙酰CoA缩合生成具有三个羧基的柠檬酸。
其中间产物与氨基酸的代谢相关
线粒体基质
3 反应过程
柠檬酸循环总共经历三个阶段，8个步骤， 需要8种酶
柠檬酸生成阶段 C6-柠檬酸
柠檬酸合酶
缩合反应
H+
草酰乙酸+乙酰-CoA+H20 → 柠檬酸+CoA-SH+H+
C4+C2 → C6
①柠檬酸合酶是柠檬酸循环中的单向的限速酶; ②柠檬酸合酶属于调控酶，其活性受 ATP、NADH、琥珀酰-CoA、酯酰-CoA 等的抑制 ③氟乙酰-CoA、丙酮基-CoA 抑制反应的进行
依次结合草酰乙酸，乙酰辅酶A，水
乌头酸酶
脱水、水合反应
柠檬酸 ⇌ 顺乌头酸+H20 ⇌ 异柠檬酸
①柠檬酸异构化形成异柠檬酸; ②乌头酸酶含有 Fe-S聚簇,Fe-S 聚簇与柠檬酸结合，并参与底物的脱水和再水合作用
氧化脱羧阶段
异柠檬酸脱氢酶
氧化脱羧反应
CO2.+NADH+H+
异柠檬酸+NAD+ Þ a-酮戊二酸 +CO2.+NADH+H+
C6 → C5
①异柠檬酸氧化脱羧是一个氧化-还原步骤是柠檬酸循环中第一次氧化脱羧反应(共两次)，氧化的中间产物是草酰琥珀酸;
②异柠檬酸脱氢酶需要以NAD*或NADP*为辅酶;
③异柠檬酸脱氢酶是一个变构调节酶: 异柠檬酸、Mg2*、NAD*、ADP 对酶有协同作用, NADH、ATP 对该酶有抑制作用
α-酮戊二酸脱氢酶复合体
氧化脱羧
CO2 + NADH+高能化合物
丙酮酸脱氢酶系
反应：α-酮戊二酸 + NAD+ + CoASH Þ 琥珀酰-CoA + CO2 + NADH
C5 → C4
特点：
① 第二次氧化脱羧反应
② 需要 NAD+ 和 CoA 作为辅助因子
③ 与丙酮酸脱氢酶复合体结构类似
α-酮戊二酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶复合体的比较
酮酸的电子传递和酰基转移
1. α-酮戊二酸脱氢酶复合体
组成
α-酮戊二酸脱氢酶 (E1)
二氢硫辛酰转琥珀酰酶 (E2)
二氢硫辛酰脱氢酶 (E3)
辅助因子
TPP
硫辛酸
CoA
FAD
NAD+
Mg2+
调控
受产物琥珀酰-CoA和NADH的抑制
受高能荷的抑制
不受磷酸化、去磷酸化共价修饰的调节
2. 丙酮酸脱氢酶复合体
组成
丙酮酸脱氢酶组分 (E1)
二氢硫辛酰转乙酰基酶 (E2)
二氢硫辛酸脱氢酶 (E3)
辅助因子
TPP
硫辛酰胺
CoA
FAD
NAD+
Mg2+
调控
由产物[NADH]/[NAD+]和[乙酰-CoA]/[CoA]的比值控制
当[NADH]/[NAD+]和[乙酰-CoA]/[CoA]的比值高时，抑制丙酮酸脱羧作用的进行
E1的磷酸化和去磷酸化是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式
Ca2+通过激活磷酸酶的作用，也使丙酮酸脱氢酶活化
草酰乙酸再生阶段 C4-琥珀酸
琥珀酰-CoA 合成酶
底物水平磷酸化
GTP
反应：琥珀酰-CoA + Pi + GDP Û 琥珀酸 + GTP + CoASH
特点：
① 产生高能磷酸键，柠檬酸循环中唯一直接产生高能磷酸键的步骤
② 在哺乳动物中形成 GTP，在植物和微生物中直接形成 ATP
琥珀酸脱氢酶
脱氢
FADH2
反应：琥珀酸 + FAD Û 延胡索酸 + FADH2
特点：
① 唯一嵌入到线粒体内膜的酶，直接连在电子传递链上
② 具有严格的立体专一性，丙二酸是其强抑制剂
延胡索酸酶
水合
反应：延胡索酸 + H2O Û 苹果酸
特点：生成的是 L-苹果酸
苹果酸脱氢酶
脱氢
NADH
反应：苹果酸 + NAD+ Û 草酰乙酸 + NADH + H+
特点：
① L-苹果酸的羟基氧化成羰基生成草酰乙酸
② 苹果酸脱氢酶的辅酶是 NAD+
反应特点
（1）柠檬酸循环的每轮循环中有2个C原子以乙酰CoA的形式进入，有2个C原子被氧化成CO2排出。
（2）每一次循环有4次氧化反应（脱氢），产生3分子NADH和1分子FADH2，其中还包括两次脱羧反应。
（3）循环中有一次底物水平磷酸化反应，生成1分子GTP。
（4）具有3个调节酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体。
（5）在柠檬酸循环中虽然没有氧分子直接参与，但柠檬酸循环只能在有氧条件下才能进行。
因为柠檬酸循环所产生的3个NADH和一个FADH2分子只能通过电子传递链和氧分子才能够被再次氧化。
三羧酸循环 1G物料总结 （线粒体基质）
4 CO2
6 NADH
2 FADH2
2 GTP
~2*10ATP
2H＋
1G化学总结算
总化学反应式
1G
糖酵解 1G物料结算 （细胞溶胶）
丙酮酸活化 1G物料总结 （线粒体基质）
三羧酸循环 1G物料总结 （线粒体基质）
30/32 ATP
6CO2
2+8 NADH
2个NADH在细胞溶胶
穿梭途径1
FADH2
穿梭途径2
NADH
10水
23/25 ATP
2 FADH2
2水
3 ATP
电子传递链/呼吸链 12 水+30/32 ATP
NADH~2.5 ATP
穿梭途径2
FADH2~1.5 ATP
穿梭途径1
2 ATP
2 GTP
四、柠檬酸循环的调控
丙酮酸脱氢酶复合体的调控
（1）产物控制：
由产物[NADH]/[NAD＋]和[乙酰CoA]/[CoA]的比值控制。NADH与乙酰CoA的抑制作用是和酶的作用底物即NAD＋和CoA竞争酶的活性部位，是竞争性抑制。
乙酰CoA抑制E2， NADH抑制E3。 当[NADH]/[NAD＋]和[乙酰CoA]/[CoA]的比值高时，抑制丙酮酸脱羧作用的进行。
（2）磷酸化和去磷酸化的调控：
E1的磷酸化和去磷酸化是使丙酮酸脱氢酶复合体失活和激活的重要方式。 在E2分子上结合着激酶和磷酸酶。
激酶使丙酮酸脱氢酶组分磷酸化而失活，
磷酸酶则是脱去丙酮酸脱氢酶的磷酸基团使其活化。
Ca2＋通过激活磷酸酶的作用，也使丙酮酸脱氢酶活化。
柠檬酸循环本身制约系统的调节
柠檬酸循环中柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶是反应的关键酶。柠檬酸循环中酶的活性主要依靠底物提供的情况推动，并受其生成产物浓度的抑制。循环中最关键的底物为乙酰CoA、草酰乙酸和产物NADH。
柠檬酸合酶
柠檬酸
草酰乙酸的竞争性抑制剂
NADH
异柠檬酸脱氢酶的产物
抑制异柠檬酸脱氢酶
琥珀酸-CoA
结构与乙酰-CoA相似
竞争性反馈抑制
异柠檬酸脱氢酶
NADH
产物之一
强烈抑制异柠檬酸脱氢酶
a-酮戊二酸脱氢酶
NADH
抑制
琥珀酸-CoA
抑制
NADH浓度下降
α-酮戊二酸脱氢酶活性升高
ATP和ADP对柠檬酸循环的影响
ATP
抑制柠檬酸合酶
抑制柠檬酸脱氢酶
抑制a-酮戊二酸脱氢酶
ADP
异柠檬酸脱氢酶的变构促进剂
增加对底物的亲和力
机体静息状态
ATP消耗下降
ATP浓度上升
对异柠檬酸脱氢酶产生抑制效应
Ca2+对柠檬酸循环的影响
刺激糖原降解
启动肌肉收缩
对许多激素的信号起中介作用
激活丙酮酸脱氢酶系
激活异柠檬酸脱氢酶
激活a-酮戊二酸脱氢酶
通过激活磷酸酶
五、柠檬酸循环的生理意义
柠檬酸循环是机体获得能力的主要途径；是糖、蛋白质、脂肪在体内氧化的共同途径；是糖、蛋白质、脂肪的枢纽。
六、柠檬酸循环的双重作用
柠檬酸循环具有分解代谢 和合成代谢双重作用。
柠檬酸循环既是绝大多数生物体主要的分解代谢途径， 又是准备提供大量自由能的重要代谢系统，在许多合成代谢中都利用柠檬酸循环的中间产物作为生物合成的前体来源。
其他合成代谢要利用 的中间产物
乙酰CoA
脂肪酸的合成
生酮氨基酸
α-酮戊二酸
氨基酸合成——谷氨酸
琥珀酰CoA
奇数氨基酸
延胡索酸
苹果酸
草酰乙酸
添补反应
补充合成代谢消耗的中间产物
合成反应导致 草酰乙酸直接或间接减少
丙酮酸羧化酶
标注
-ATP
丙酮酸+CO2+ATP+H2O→草酰乙酸+ADP+Pi
激活剂（乙酰CoA）
乙醛酸途径
植物的乙醛酸循环体 与线粒体（琥珀酸，α-酮戊二酸）
（1）概述：
乙醛酸途径又称乙醛酸循环，这一途径在动物体内并不存在，只存在于植物和微生物中，作为TCA循环的补充，通过乙醛酸途径使乙酰CoA转变为草酰乙酸从而进入柠檬酸循环。
乙醛酸循环及其与三羧酸循环的关系
乙醛酸循环体
天冬氨酸转氨酶
草酰乙酸 天冬氨酸跨膜转运
柠檬酸生成阶段
柠檬酸生成阶段 C6-柠檬酸
异柠檬酸裂解酶
乙醛酸+琥珀酸
C6→C2+C4
琥珀酸回到线粒体基质 进入三羧酸循环第五步
FADH2、NADH
苹果酸合酶
乙醛酸循环体
乙醛酸+乙酰CoA→苹果酸
C2+C2→C4
苹果酸回到线粒体基质 进入三羧酸循环第七步
NADH
乙醛酸途径的总反应：
乙醛酸途径开始于草酰乙酸与乙酰CoA的缩合。线粒体中的草酰乙酸不能通过线粒体膜而进入乙醛酸循环体中，必须由天冬氨酸转换酶的作用下接受谷氨酸的α-氨基形成天冬氨酸进入乙醛酸循环体中，再经天冬氨酸转换酶把氨基转移到α-酮戊二酸分子上，本身又形成草酰乙酸。
总反应式：
2乙酰CoA＋2NAD＋＋FAD→草酰乙酸＋2CoASH＋2NADH＋FADH2＋2H＋
乙醛酸循环的意义：
① 提高了生物体利用乙酰CoA的能力。某些微生物甚至能以乙酸等二碳化合物作唯一的碳源和能源。
跨过氧化脱羧途径，产生更多的草酰乙酸，有利于糖异生途径的进行。
利用更多的乙酰辅酶A
② 乙醛酸循环开辟了一条从脂肪转变成糖的途径。
提高脂肪转化为糖的效率
生物氧化—— 电子传递和氧化磷酸化作用 （3NADPH、FADH2）
亚细胞定为 ——线粒体内膜
一、 氧化-还原电势
氧化磷酸化是指NADH和FADH2上的电子通过一系列电子传递载体传递给氧气， 并利用所释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程
氧化-还原反应是指发生电子转移的化学反应，通常为可逆反应。 电子供体为还原剂，电子受体为氧化剂，构成一个氧化还原电子对。
电子从负极流向正极， 电子传递过程电势增加
-
+
在电子传递的过程中不断释放，以质子浓度梯度的形式保存，并被ATP合成酶利用。
二、 电子传递链/呼吸链
（1）概述：
呼吸链是典型的多酶氧化还原体系，又称电子传递链。它是指代谢物上脱下的氢经一系列递氢体或电子传递体的依次传递，最后传给分子氧从而生成水的全部体系。
位于原核细胞的质膜和真核细胞线粒体的内膜上。
生物体有NADH呼吸链和FADH2呼吸链。
电子传递链的组分和 电子传递的过程：
电子传递链主要由蛋白质复合体组成，大致分为4个部分：NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶）、琥珀酸-Q还原酶（琥珀酸脱氢酶）、细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶，其排列顺序和主要成员如图所示。
硫铁蛋白（铁硫中心：Fe-S）/非血红素
Cys-SH
Fe-S
转移电子给辅酶Q
2Fe-2S
转移电子给c1
4Fe-4S
Fe2＋
细胞色素（Cyt）是一类含有血红素辅基 的电子传递蛋白的总称。
血红素/铁卟啉
同时将质子定向地从基质转移到膜间隙
类型
a
17C烃链
a a3
b
b562/bH b566/bL
c
与蛋白质Cys-SH结合
c1
c
细胞色素c
在线粒体内外膜间隙中游离
球形
由104个氨基酸构成的单一多肽链
唯一能溶于水的细胞色素
唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素
接受复合体III传来的电子
沿着线粒体内膜外表面移动
2 细胞色素c（red）
将电子传递给复合物IV
辅酶Q /泛醌
脂溶性辅酶 在线粒体内膜中游走
与VA相近
对2-羰基，接受电子和质子
还原能力： NADPH>FADH2>NADH>FMNH2>[Fe-S]>QH2>Cyt b>[2Fe-2S]>Cyt c>Cu+>Cyt a>水
存在一个以异戊二烯为单位构成的碳氢长链
在不同生物中长度不同
哺乳动物具有10个异戊二烯单位，简写为Q_10
传递H和电子
接受NADH-Q还原酶催化脱下的电子和氢原子
QH2
接受线粒体其他黄素酶类脱下的电子和氢原子
QH2
NADH呼吸链和FADH2呼吸链 不同途径。
复合体Ⅰ NADH-Q还原酶（NADH脱氢酶）
NADH
由42个不同多肽链构成
包括一个FMN辅基的黄素蛋白
至少6个铁硫中心
FMN Fe-S
通过FMN将基质中NADH上的氢负离子和一个质子
FMNH2
硫铁蛋白（铁硫中心：Fe-S）/非血红素 转移给辅酶Q
Cys-SH
Fe-S
2Fe-2S
4Fe-4S
Fe2＋
2H+
辅酶Q
脂溶性辅酶 在线粒体内膜中游走
与VA相近
对2-羰基，接受电子和质子
还原能力： FADH2>NADH>FMNH2>QH2
接受NADH-Q还原酶催化脱下的电子和氢原子
QH2
复合体Ⅱ 琥珀酸-Q还原酶（琥珀酸脱氢酶）
琥珀酸脱氢酶
镶嵌在线粒体内膜的酶蛋白
含有4种不同的蛋白质亚基
每个亚基都含有血红素和泛醌结合的位点
将电子从琥珀酸传递到FAD 不离开酶
FADH2
细胞色素b562
通过铁硫中心传递给泛醌
Fe2＋
辅酶Q
接受线粒体其他黄素酶类脱下的电子和氢原子
QH2
共同途径
复合体Ⅲ 细胞色素还原酶
非常大的蛋白质 具有两个相同单体的二聚体 每个单体有一个功能核心
设有2 QH2
1||| QH2
内表面 （半醌阴离子）Q·-
Q循环
2个b型细胞色素
细胞色素bL（red）
细胞色素bH（red）
Q
Q-
QH2
外表面 1e+2H+
1个铁硫蛋白（2Fe-2S 中心）
将基质中的电子定向的从还原型Q传递到膜间隙的细胞色素c
Fe2＋
1个细胞色素c1
血红素与蛋白质的Cys-SH结合
细胞色素c1（red）
2||| QH2
循环一次，将2个质子转移到间隙
细胞色素c
在线粒体内外膜间隙中游离
球形
由104个氨基酸构成的单一多肽链
唯一能溶于水的细胞色素
唯一处于线粒体膜间隙的细胞色素
接受复合体III传来的电子
沿着线粒体内膜外表面移动
2 细胞色素c（red）
将电子传递给复合物IV
复合体Ⅳ 细胞色素氧化酶 细胞色素c氧化酶
细胞色素c（red）
嵌在线粒体内膜的跨膜蛋白
有13个亚基
Ⅰ
该酶有4个氧化还原活性中心
Ⅰ、Ⅱ
CuA双核中心
2Cu+
血红素a
2Fe2+
CuB-血红素a3双核中心
Cu+
Fe2+
O2
2O-
O2-
水
水
将电子从细胞色素c传递给O2
水
电子转递过程总结
NADH氧化呼吸链（以NADH为电子供体）：
NADH→复合体Ⅰ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2
a．电子由NADH转移到NADH-Q还原酶的FMN辅基上，形成FMNH2，后者再将电子转移到该酶的Fe-S中心，使Fe3＋转变为Fe2＋。
b．电子从NADH-Q还原酶转移到CoQ上，形成CoQH2。
c．在细胞色素还原酶的作用下电子从CoQH2转移到细胞色素c。
d．细胞色素c与细胞色素还原酶上的Cytc1和细胞色素氧化酶接触，传递电子。
e．细胞色素c上的电子转移到细胞色素氧化酶上，复合体Ⅳ通过铁离子和CuA、CuB价态的改变进行电子传递，最终传给分子氧。
可使线粒体NADH所携带的还原当量通过氧化呼吸链彻底氧化并释放能量。
FADH2氧化呼吸链（以FADH2为电子供体）：
来自FADH2的电子首先传递给复合体Ⅱ中的辅基Fe-S，然后将电子传递给CoQ，再通过CoQ进入电子传递链的主链，过程与NADH传递链相同。
琥珀酸→复合体Ⅱ→CoQ→复合体Ⅲ→Cytc→复合体Ⅳ→O2
电子传递抑制剂
电子传递抑制剂是指能够阻断呼吸链中某部位电子传递的物质。
通过利用专一性电子传递抑制剂选择性地阻断呼吸链中某个传递步骤，再测定链中各组分的氧化-还原态情况，可以研究电子传递链的顺序。
电子传递体的抑制剂
鱼藤酮、安密妥、杀粉蝶菌素
阻断NADH-Q还原酶中的电子传递
阻断电子由NADH向辅酶Q的传递
抗霉素A
干扰细胞色素还原酶中电子从细胞色素bH的传递作用
氰化物、叠氮化物、 一氧化氮
阻断电子在细胞色素氧化酶中的传递
氰化物和叠氮化物与血红素a3的高铁形式作用
一氧化碳抑制a3的亚铁形式
三、 氧化磷酸化作用
线粒体结构
外膜
孔道蛋白
内膜
氧化磷酸化作用机制
氧化磷酸化是指NADH和FADH2上的电子通过一系列电子传递载体传递给O2，并利用所释放的能量使ADP磷酸化形成ATP的过程，电子传递过程中释放的能量用于形成ATP，这个过程又称为氧化呼吸或呼吸代谢。
氧化磷酸化的过程需要O2作为最终电子受体，是需氧生物合成ATP的主要途径。
氧化磷酸化的全过程：
*5/4
25/20 ATP
*1/2
3/6ATP
NADH P/O=2.5 FADH_2 P/O=1.5
磷氧比 P/O
每消耗1摩尔氧原子 所消耗的无机磷酸-产生ATP的摩尔数。
ATP的合成部位：
ATP合成由ATP合酶催化，其合成部位如下：
能量通过估算而来
① 第1个部位是由复合体Ⅰ将NADH上的电子传递给CoQ的过程；
1 ATP
② 第2个部位是由复合体Ⅲ将分子由CoQ传递给细胞色素c的过程；
1 ATP
③ 第3个部位是由复合体Ⅳ将电子从细胞色素c传递给氧的过程。
0.5 ATP
能量偶联
电子传递所释放出的自由能必须通过一种保留形式使ATP合酶能够利用， 这种能量的保存和ATP合酶对它的利用称为能量偶联或能量转换。
《化学渗透学说》是目前广为接受的 一种氧化磷酸化偶联机制，具体内容如下：
电子传递释放的自由能和ATP合成是与一种跨线粒体内膜的质子梯度相偶联的；
即电子传递的自由能驱动质子从线粒体基质跨过内膜进入膜间隙，而线粒体内膜不允许质子回流，从而形成跨线粒体内膜的质子电化学梯度以储存能量，当质子顺浓度梯度通过ATP合酶时，质子电化学电势就驱动ATP的合成。
ATP合成机制
ATP合酶
ATP的合成是由ATP合酶催化完成的。ATP合酶是由两个主要的单元Fo和F1构成，又称为FoF1-ATP酶。
Fo单元起质子通道的作用
质子流通过ATP合酶同时释出与酶牢固结合的ATP分子：
跨膜疏水蛋白复合体 三种亚基
a
b
c
8~15个形成环状结构
F1单元（球状结构）起催化ATP合成的作用。 五种亚基
δ
单元连接
OSCP 偶合因子6，F6
α3β3
β亚基为ATP合成部位
当前认为
① 质子梯度的作用是促使ATP从酶分子上解脱下来。
ATP合酶分子与ADP和Pi的结合，有促使ATP分子从酶上解脱下来的作用。
表明ATP合酶分子上的核苷酸结合部位在催化过程中有相互协同的作用。
② ATP合酶的作用是由质子动力所驱动的。 这种动力是由pH梯度和膜电势产生的。
某些氨基酸残基在pH梯度的条件下可以发生质子化或去质子化。 使构象松弛
LTO 结合变换机制
质子流引发构象的转变
L, loose 松弛
结合ADP、Pi
促使紧密状态松弛
其转换为T
T, tight 紧密
质子流的能量促使其转变为O
催化合成ATP
O, open 开放
释放ATP
每合成一个ATP有2-3个质子跨膜转运
ATP合成酶复合体在产生ATP的同时，也参与了ATP的跨膜运输。在这些细胞器的内膜上，ATP合成酶复合体可以将ATP从基质侧运输到膜间隙侧。
氧化磷酸化的解偶联和抑制
一般情况下，电子传递和磷酸化是紧密结合的，但是在有些情况下，电子传递和磷酸化可被解偶联。
特殊试剂的解偶联作用。
解偶联剂
能量不能存储
以热能的形式散失。
电子传递可正常进行。
2.4-二硝基苯酚，DNP
将质子带入膜内
其作用是通过消除跨膜质子梯度而使电子传递和 ATP 形成两个过程分离，不再紧密关联。不抑制电子传递过程，使电子传递产生的自由能最终都变为热能。
这种试剂使电子传递不再与ATP生成偶联，造成过分地消耗氧和燃料底物，但能量得不到贮存。
氧化磷酸化抑制剂
能量不能利用
电子传递不能正常进行， 与解偶联剂共存时，可恢复电子传递。
寡霉素
ATP合酶-F0
其作用是既抑制氧的利用也抑制 ATP 的形成，不直接抑制电子传递链上电子载体的作用，而是干扰由电子传递的高能状态形成ATP 的过程，使电子传递不能进行
离子抑制剂
能量能存储，利用速率降低
缬氨霉素
将K+带入膜内
其作用是与某些离子结合并作为它们的载体使这些离子能够穿过膜, 增加线粒体内膜对除了质子外其他一价阳离子的通透性而破坏氧化磷酸化过程
激素控制褐色脂肪线粒体氧化磷酸化解偶联机制使产生热量：
褐色脂肪组织（又称褐色脂肪），由含大量甘油三脂和线粒体的细胞构成，其作用是非颤栗性产热，对新生儿有保护敏感机体组织的作用，对冬眠动物有维持体温的作用。
褐色脂肪的产热机制是线粒体氧化磷酸化解偶联的结果。这是通过线粒体中的激素产热素起作用。
四、 细胞溶胶内NADH的再氧化
细胞溶胶内的NADH不能透过线粒体内膜进入线粒体氧化。通过两种“穿梭”途径解决NADH再氧化问题。
（1）甘油-3-磷酸穿梭途径：
骨骼肌、昆虫飞行肌
此穿梭途径起电子载体作用的是甘油-3-磷酸。甘油-3-磷酸可以容易地穿梭于线粒体的内膜，起到穿梭搬运作用，其机制如图19-27所示。
甘油-3-磷酸脱氢酶
细胞溶胶、线粒体内膜
① 电子从NADH转移到二羟丙酮磷酸形成甘油-3-磷酸；
无需载体，自由穿梭于线粒体内膜
② 甘油-3-磷酸脱氢酶的电子对转移到线粒体甘油-3-磷酸脱氢酶的辅基FAD分子上；
③ 二羟丙酮磷酸通过线粒体内膜扩散到细胞溶胶，FADH2将电子传递给CoQ进入电子传递链。
甘油磷酸穿梭途径将NADH电子转移进入电子传递链，进行氧化磷酸化所利用的电子传递中介体是FAD而不是NAD＋，使最后生成的ATP分子数比以NAD＋作为传递体时少1个。
1.5 ATP
（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭途径： malate-aspartate shuttle
心肌、肝脏细胞、肾
在心脏和肝脏细胞溶胶内NADH的电子进入线粒体是通过苹果酸-天冬氨酸穿梭途径。
苹果酸脱氢酶
细胞溶胶
① 细胞溶胶内NADH的电子由苹果酸脱氢酶传递给草酰乙酸使之转变成苹果酸，同时NADH氧化为NAD＋；
苹果酸-α-酮戊二酸载体
膜
出入
② 苹果酸通过苹果酸-α-酮戊二酸载体穿过线粒体膜；
苹果酸脱氢酶
线粒体基质
③ 进入线粒体内膜的苹果酸在线粒体内膜基质被NAD＋氧化，失去电子转变为草酰乙酸，NAD＋又形成NADH；
2.5 ATP
天冬氨酸氨基转移酶
天冬氨酸 + α-酮戊二酸
谷氨酸-天冬氨酸载体
膜
出入
④ 基质内的草酰乙酸通过转氨基作用形成天冬氨酸，通过谷氨酸-天冬氨酸载体转移到细胞溶胶一侧，再通过转氨基作用成为草酰乙酸。
天冬氨酸氨基转移酶
细胞溶胶
草酰乙酸+谷氨酸
五、 氧化磷酸化的调控
[ATP]/[ADP]在细胞内对电子传递速度起着重要的调节作用，同时对还原型辅酶的积累和氧化也起调节作用。 ADP作为关键物质对氧化磷酸化作用的调节称为呼吸控制。
（1）当细胞利用ATP做功时，细胞内ATP水平迅速下降，同时ADP的浓度迅速升高，电子传递速度加快；
（2）当ATP在细胞内积累时，ADP的浓度很低。这时电子传递变缓或停止，还原型辅酶浓度增加以致不能再接受电子，因此整个呼吸链也受到抑制或停止。
三、磷酸戊糖途径
动植物细胞 亚细胞定位 ——细胞质基质
NADPH
C3
C4
C5
C6
C7
一、戊糖磷酸途径的主要反应
1 概述
磷酸戊糖途径是葡萄糖氧化分解的一种方式，是糖代谢的第二条重要途径。此途径在胞浆中进行，广泛存在于动植物细胞内，其核心反应式为：
葡萄糖-6-磷酸＋2NADP＋＋H2O→核糖-5-磷酸＋2NADPH＋2H＋＋CO2
2 反应过程
戊糖磷酸途径划分为两个阶段，即氧化阶段和非氧化阶段
（1）第一阶段—— 氧化阶段：
由G-6-P脱氢生成6-磷酸葡糖酸内酯开始，然后水解生成6-磷酸葡糖酸，再氧化脱羧生成5-磷酸核酮糖。NADP＋是所有上述氧化反应中的电子受体。
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶
醛基脱氢
NADPH
葡萄糖-6-磷酸 + NADP+ → 6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯 + NADPH + H+
C1醛基氧化为羧基，与C5羟基酯化
限速酶
內酯酶
水解成链
6-磷酸葡萄糖酸-δ-内酯 → 6-磷酸葡萄糖酸
6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶
脱氢，C6→C5
NADPH
二氧化碳
6-磷酸葡萄糖酸 + NADP → 核酮糖-5-磷酸 + CO2 + NADPH + H+
（2）第二阶段—— 非氧化阶段：
5-磷酸核酮糖（核酮糖-5-磷酸）经过一系列转酮基及转醛基反应，经过磷酸丁糖、磷酸戊糖及磷酸庚糖等中间代谢物最后生成3-磷酸甘油醛及6-磷酸果糖，这两者可重新进入糖酵解途径而进行代谢。
C_5异构
核酮糖-5-磷酸异构酶
酮-烯醇互变异构
核酮糖-5-磷酸 ↔ 核糖-5-磷酸
核苷酸的合成
核酮糖-5-磷酸差向异构酶
C3位羟基构型转变为L型
以满足转酮酶的要求
核酮糖-5-磷酸 ↔ 木酮糖-5-磷酸
转酮酶-TPP
木酮糖-5-磷酸 C1和C2构成转移基团
转移到另一个底物的醛基上，剩下的部分成为醛
转酮酶-TPP
C_5+C_5→C_3+C_7 C_5+C_4→C_3+C_6
-2
甘油醛-3-磷酸
+2
木酮糖-5-磷酸 + 核糖-5-磷酸 ↔ 甘油醛-3-磷酸 + 景天庚酮糖-7-磷酸
进入糖酵解第二阶段
转醛酶
景天庚酮糖-7-磷酸 的C1、C2和C3构成转移基团
转移到另一个底物的醛基上，剩下的部分成为醛
木酮糖-5-磷酸 + 赤藓糖-4-磷酸 ↔ 甘油醛-3-磷酸 + 果糖-6-磷酸
进入糖酵解第二、一阶段
转醛酶
C_3+C_7→C_4+C_6
-3
+3
果糖-6-磷酸
景天庚酮糖-7-磷酸 + 甘油醛-3-磷酸 ↔ 赤藓糖-4-磷酸 + 果糖-6-磷酸
转酮
进入糖酵解第一阶段
C_3 C_4 C_5 C_6 C_7
非氧化反应阶段均为可逆反应，保证了细胞能以满足自己对糖代谢中间产物以及大量还原力的需求。
总反应
二、戊糖磷酸途径反应速度的调控
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶，其活性受NADP＋/NADPH的比值的调节。NADPH竞争性抑制葡萄糖-6-磷酸脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。
2 转酮酶和转醛酶
转酮酶和转醛酶催化的反应都是可逆反应。根据机体对葡萄糖-6-磷酸和5-磷酸核糖的需要，戊糖磷酸途径和糖酵解途径可灵活地相互联系。
（1）机体需要大量核糖-5-磷酸时，可见于细胞分裂期，化学反应关系式为：
核苷酸的合成
5葡萄糖-6-磷酸＋ATP → 6核糖-5-磷酸＋ADP＋H＋
（2）机体对NADPH的需要和对核糖-5-磷酸的需要处于平衡状态，戊糖磷酸途径氧化阶段处于优势阶段，化学反应关系
葡萄糖-6-磷酸＋2NADP＋＋H2O → 核糖-5-磷酸＋2NADPH＋2H＋＋CO2
（3）机体需要的NADPH远远超过核糖-5-磷酸，因此葡萄糖-6-磷酸彻底氧化为CO2。
脂肪酸合成代谢
葡萄糖-6-磷酸＋12NADP＋+6H2O → 12NADPH＋12H＋＋3CO2
生物意义
（1） 戊糖磷酸途径是细胞产生还原力（NADPH）的主要途径
（1）NADPH在还原性生物合成中起供氢体作用。例如从乙酰CoA合成脂肪酸、胆固醇，α-酮戊二酸与NADPH及氨生成谷氨酸等反应。
（2）NADPH是谷胱甘肽还原酶的辅酶，在红细胞中戊糖磷酸途径提供的还原力可保证红细胞中的谷胱甘肽处于还原状态。细胞需要大量的还原型谷胱甘肽来维持血红蛋白运输氧的功能。红细胞内的NADPH如果被氧化，从会使细胞因缺乏NADPH而容易破裂，从而造成严重的溶血性贫血症，严重者甚至因大量红细胞破裂导致死亡。
（2） 戊糖磷酸途径是细胞内不同结构糖分子的重要来源
戊糖磷酸途径为各种单糖的相互转变提供条件。其中间产物是合成核酸、核苷酸、各种辅酶、辅基的重要原料
光合作用
植物叶绿体
光合色素与光反应
光合膜：产生ATP、NADPH、氧气
光能的吸收
水的光解
电子传递与光合磷酸化
暗反应/碳反应
叶绿体基质
类型
Calvin循环（C_3途径）
1, 5二磷酸核酮糖（BuBP）羧化/加氧酶 rubisco
光呼吸
C5+O2
CO_2固定
→3-磷酸甘油酸
还原阶段
3-磷酸甘油醛
两条去路
进入糖酵解 2
BuBP再生 10
C_4途径
热带禾本科植物 更充分利用CO2
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）+CO_2 → 草酰乙酸
转运到维管束鞘细胞
景天酸代谢
如仙人掌 夜间吸收CO2（液泡）
磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）+CO_2 → 草酰乙酸
转运进入叶绿体
糖原的分解和生物合成
动物：肝脏细胞（肝糖原）、肌肉细胞（肌糖原）。 植物：淀粉 细胞溶胶
一、糖原
1 概述
糖原和淀粉是由多个葡萄糖分子聚合形成的高聚物，统称为葡聚糖。糖原是动物细胞中葡萄糖的贮存形式。在葡聚糖中，葡萄糖有两种连接形式：一种是以α（1→4）糖苷键相连；另一种以α（1→6）糖苷键相连。
2 糖原的生物学意义
（1）糖原是贮存能量的、容易分解利用的多糖。
（2）糖原是葡萄糖的一种高效能的贮存形式。
概要
二、糖原的降解
糖原的降解是从它们的大分子上按照顺序一个个地移去葡萄糖残基的过程。糖原的降解需要糖原磷酸化酶、糖原脱支酶和磷酸葡萄糖变位酶3种酶共同作用，若全部降解为葡萄糖，还需要6-磷酸葡萄糖酶。
此过程不产生能量
糖原磷酸化酶 糖原脱支酶、 磷酸葡糖变位酶
糖原磷酸化酶
磷酸解
α(1→4)
糖原 + Pi → 糖原(n-1个残基) + 葡萄糖-1-磷酸
反应特点
从糖原分子非还原末端葡萄糖残基的C1与相邻葡萄糖的C4原子之间的糖苷键断裂
产生新的非还原末端
酶形式
磷酸化酶a：有催化活性
磷酸化酶b：几乎无活性
两者可相互转变
糖原磷酸化酶的特异性
作用范围
只能脱下糖原分子直链部分的葡萄糖残基
分支部分，作用到距离糖原分支点前4个葡萄糖残基处
调节机制
别构调节
活化：AMP
抑制：葡萄糖-6-磷酸
辅助因子
磷酸吡哆醛 (PLP)：必需辅助因子
糖原脱支酶
分支糖基转移和α(1→6)-糖苷键的水解
分支糖原→直链糖原+葡糖糖
双重功能
糖基转移酶： 转移葡萄糖残基
磷酸化酶作用停止后，将α(1→4)连接的三个葡萄糖残基转移到另一个分支的非还原性末端
3
糖原脱支酶： 分解葡萄糖α(1→6)-糖苷键
暴露出α(1→6)-糖苷键的葡萄糖残基，水解产生葡萄糖和α(1→4)糖苷键相连的葡萄糖残基
1
磷酸葡萄糖变位酶
葡萄糖-1-磷酸 → 6-磷酸葡萄糖
转移磷酸基团
作用步骤
磷酸基团转移到葡萄糖-1-磷酸的第6位碳原子的羟基上，形成葡萄糖-1,6-二磷酸中间体
葡萄糖-1,6-二磷酸C1位的磷酸基团转回到磷酸葡萄糖变位酶丝氨酸残基
葡萄糖-1,6-二磷酸转变成葡萄糖-6-磷酸，变位酶恢复活化形式
活性条件
需有少量的葡萄糖-1,6-二磷酸存在
葡萄糖-6-磷酸酶
水解
6-磷酸葡萄糖 → 葡萄糖+Pi
葡萄糖-6-磷酸酶是专门水解葡萄糖-6-磷酸的酶。
此酶主要存在于肝细胞、肾细胞以及肠细胞光滑内质网膜的内腔面上，肝细胞必需依靠葡萄糖-6-磷酸酶才能维持血糖的相对稳定水平。
三、糖原的生物合成
细胞溶胶
1-磷酸葡萄糖
UTP
1 糖基供体
在糖原生物合成中，糖基的供体是尿苷二磷酸葡萄糖，简称UDP-葡萄糖或UDPG。葡萄糖-1-磷酸与尿苷三磷酸（UTP）作用，生成尿苷二磷酸葡萄糖：
其他多糖合成的供体 —— 淀粉：ADPG 蔗糖：ADPG/UDPG
葡萄糖-1-磷酸＋UTP→UDP-葡萄糖（UDPG）＋PPi
2 催化糖原合成的三种酶
UDP-葡萄糖焦磷酸酶
活化
- UTP
2个高能键
催化反应
葡萄糖-1-磷酸 + UTP → UDP-葡萄糖 + 2Pi
生物学意义
1-磷酸基团亲核进攻UTP的β磷酸酐键
使葡萄糖变为更活泼的形式
概要
糖原合酶
α(1→4)
催化反应
UDP-葡萄糖 → 糖原（增加一个葡萄糖分子）
反应特点
葡萄糖分子转移到已存在的糖原分子的非还原性末端
形成α(1→4)糖苷键
产物为直链形式
需要引物（生糖原蛋白）的存在
不需要ATP参加反应
糖原分支酶
水解α(1→4) α(1→6)
催化反应
断开α(1→4)糖苷键，形成α(1→6)糖苷键
作用
使直链糖原形成多分支的多聚糖
在上述三种酶的作用下，完成糖原合成过程。
四、糖原代谢的调控
在糖原的分解和合成途径中糖原磷酸化酶和糖原合酶是关键酶，也是限速酶，它们受到别构调节、共价修饰调节和激素的调节。
糖原代谢的调控方式
糖原磷酸化酶
能量不足，促进
分解代谢加快
促进/激活激酶
磷酸化作用
磷酸化酶b（无活性）
磷酸化酶a（活性）
磷酸化
磷酸化酶激酶 磷蛋白磷酸酶-1（PP1）
别构作用
AMP激活磷酸化酶b
肝中不受AMP影响
ATP抑制磷酸化酶a
糖原合酶
能量不足，抑制
合成代谢减慢
抑制磷酸酶
磷酸化作用
糖原合酶b（无活性）
磷酸化
糖原合酶a（活性）
糖原合酶激酶 磷蛋白磷酸酶-1（PP1）
由激素信号引起的糖原降解途径 G蛋白信号传导（cAMP为第二信使）
@
磷酸化酶激酶活化
磷酸化酶b（无活性）→磷酸化酶a（活性）
激素对糖原代谢的调节举例
（1）肾上腺素和胰高血糖素 对糖原代谢的调控：
糖原分解
① 概述：
肝脏中的糖原代谢主要受胰高血糖素的调控， 在肌肉及其他各种组织中受肾上腺素和正肾上腺素（又称去甲肾上腺素）的调控。
② 调控机制：
a．胰高血糖素对PP1的抑制效应：
当胰高血糖素或肾上腺素使细胞内的cAMP浓度升高时，cAMP-依赖性蛋白激酶的活性增加，最终经过一系列的调节作用导致PP1的活性受到抑制；
b．肾上腺素对PP1的抑制效应
PP1磷酸化抑制
PP1抑制剂磷酸化
抑制PP1
（2）胰岛素对糖原代谢的调节作用
糖原合成
胰岛素的主要作用是刺激糖原的合成，降低血糖浓度。 通过去磷酸化作用使糖原合酶解除抑制， 同时使磷酸化酶激酶和磷酸化酶a由于去磷酸化而受到抑制。
糖异生及其他
动物器官：主要在肝、肾细胞 亚细胞定位：胞浆、内质网、线粒体
大部分是糖酵解的逆反应，有三步是不可逆的。
一、糖异生作用
糖异生作用是指以非糖物质为前体合成葡萄糖的作用，是非糖物质转化成糖代谢的中间产物后，在相应的酶催化作用下，绕过糖酵解的三步不可逆反应，并利用糖酵解途径的其他酶，生成葡萄糖的过程。
糖异生作用并不是糖酵解作用的直接逆反应。 其中有三步反应是不可逆的。 针对这三步不可逆反应糖异生采取了迂回措施。
不可逆反应
己糖激酶
葡萄糖 + ATP → 6-磷酸葡萄糖 + ADP
磷酸果糖激酶
6-磷酸果糖 + ATP → 1,6-二磷酸果糖 + ADP
丙酮酸激酶
磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP → 丙酮酸 + ATP
糖异生的迂回措施
丙酮酸羧化酶
生物胞素
- ATP
丙酮酸 + ATP+CO2 → 草酰乙酸 + ADP
添补反应
x2
苹果酸穿梭
线粒体基质→细胞溶胶
谷氨酸-天冬氨酸载体
线粒体基质
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶 (PEPCK)
磷酸化
- GTP
草酰乙酸 + GTP → 磷酸烯醇式丙酮酸 + GDP + CO2
x2
果糖-1,6-二磷酸酶
果糖-1,6-二磷酸 + H2O → 果糖-6-磷酸 + Pi
关键调控酶
葡萄糖-6-磷酸酶
葡萄糖-6-磷酸 + H2O → 葡萄糖 + Pi
细胞溶胶
2 糖异生的的总反应
糖异生是两分子丙酮酸形成一分子葡萄糖的总反应，可用下式表示：
合成1G
消耗6个高能键
2 还原力
由葡萄糖经酵解途径形成丙酮酸可产生两个ATP分子。 由丙酮酸合成葡萄糖需消耗4个ATP分子和两个GTP分子即6个高能磷酸键。
结果是，糖异生需消耗4个额外的高能键。
3 糖异生作用的调节
促进：能量、分解产物
糖异生作用和糖酵解作用相互制约又相互协调的关系主要是通过两种途径不同的酶活性和浓度起作用。糖异生中6-磷酸葡萄糖酶、1,6-二磷酸果糖酶、丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶是糖异生作的关键酶。
磷酸果糖激酶（PFK）和 1,6-二磷酸果糖磷酸酶的调节：
1,6-二磷酸果糖酶是糖异生作用中最关键的调控酶， 磷酸果糖激酶是糖酵解作用中最关键的调控酶。
ATP、柠檬酸是1,6-二磷酸果糖（酯）酶的激活剂；
AMP和2,6-二磷酸果糖是1,6-二磷酸果糖酶的抑制剂，可降低糖异生作用，并激活磷酸果糖激酶的活性，从而加速糖酵解。
（2）丙酮酸激酶、 丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶之间的调节：
① 丙酮酸激酶受高浓度ATP和丙氨酸的抑制；受到1,6-二磷酸果糖的正反馈激活。
② 丙酮酸羧化酶的活性受乙酰CoA和ATP激活，受ADP抑制。凡可转变为乙酰CoA的脂酸代谢产物都能促进糖异生作用。
③ 磷酸烯醇丙酮酸羧激酶的活性受GTP促进，从而增进糖异生作用；ADP的浓度升，高磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶受到抑制，从而使糖异生作用停止进行。
二、糖的其他代谢途径
乳酸再利用（可立氏循环，Cori cycle）
肝细胞质基质
NADH
丙酮酸
乳酸属于代谢的一种最终产物，只能再转变为丙酮酸。肌肉细胞内的乳酸扩散到血液并随着血流进入肝脏细胞，在肝细胞内通过糖异生途径转变为葡萄糖，又回到血液随血流供应肌肉和脑。这个循环过程称为可立氏循环。
乳酸脱氢酶
肝
逆反应→
丙酮酸
需要进入线粒体完成羧化过程
乳糖的生物合成和分解
（1）乳糖的生物合成：
乳糖的活化：UDP-葡萄糖在1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶的催化下， 转变为UDP-半乳糖；
非乳腺组织：半乳糖基转移酶催化UDP-半乳糖的半乳糖基向N-乙酰葡糖胺分子上转移，反应式如下：
UDP-D-半乳糖＋N-乙酰-D-葡糖胺→D-半乳糖基-N-乙酰-D-葡糖胺＋UDP
N-乙酰胞壁酸(MurNAc)
哺乳期乳腺内：α-乳清蛋白激活乳腺中的半乳糖基转移酶，使其专一性立刻发生变化，并以极高的速度将半乳糖基转移到葡萄糖分子上形成乳糖，反应式如下：
UDP-D-半乳糖＋D-葡萄糖→D-乳糖＋UDP
乳糖（葡萄糖+半乳糖）
（2）乳糖的分解代谢：
消化道内乳糖酶催化乳糖分解，微生物β-半乳糖苷酶水解乳糖。乳糖被水解后形成半乳糖和葡萄糖，反应式如下：
乳糖＋H2O→D-半乳糖那个＋D-葡萄糖
糖蛋白的生物合成
脂质代谢
一、概论
脂肪酸及其衍生物主要的四种功能
生物膜的组成成分
与蛋白质共价结合可使蛋白住锚定在生物膜上
作为燃料分子，以三酰甘油的形式存储
作为激素和胞内信使
三脂酰甘油等脂质是水不溶性的，消化作用的酶却是水溶性的，导致脂质的消化在脂质-水的界面处发生。
二、三酰甘油的消化、吸收和转运
消化系统、循环系统
饮食
三酰甘油
脂肪的消化
消化系统
胃脂肪酶
胰脂肪酶
脂肪酸和2-单酰甘油
胆汁盐包裹形成微团进行转运
脂肪的消化开始于胃中的胃脂肪酶，彻底消化在小肠内由胰脏分泌的胰脂肪酶完成。
吸收和转运
吸收
小肠上皮黏膜细胞
转化为三酰甘油，与载脂蛋白包装在一起，形成称为乳糜颗粒的脂蛋白。
进入淋巴系统
A~E五类载脂蛋白
功能
稳定脂蛋白结构
识别受体
激活脂蛋白代谢酶
脂蛋白按密度大小可分为
血浆脂蛋白
乳糜颗粒
极低密度脂蛋白（VLDL）
低密度脂蛋白（LDL）
高密度脂蛋白（HDL）
释放到血液
转运到肌肉和脂肪组织 在毛细血管中
ApoC-II载脂蛋白激活 脂蛋白脂肪酶
分解为脂肪酸和甘油
脂肪经消化后的产物脂肪酸和2-单酰甘油经由小肠上皮黏膜细胞吸收，随后又经由黏膜细胞转化为三脂酰甘油，三脂酰甘油和蛋白质一起包装成乳糜微粒，被释放到血液，有的与血流中心的清蛋白结合运行，有的被吸收进入门静脉血液，并以游离酸形式被送入肝脏。在脂蛋白脂肪酶和三酰甘油脂肪酶的作用下，三酰甘油水解为甘油和游离脂肪酸；
去向
甘油的去向
肝和肾
甘油激酶、3-磷酸甘油脱氢酶
转化为磷酸二羟丙酮进入糖酵解/糖异生途径
脂肪酸的去向
肌肉：氧化提供能量
脂肪：三酰甘油贮存
三、脂肪酸的分解代谢
进入线粒体
脂肪酸的活化
细胞溶胶
脂酰辅酶A合酶/硫激酶
活化
- 2个高能键
脂肪酸在进入线粒体基质前需活化成脂酰-CoA的形式。此反应是由脂酰辅酶A合酶催化的，作用时需要消耗一分子ATP。
反应方程式如下：
脂肪酸＋ATP＋H-SCoA→脂酰-CoA＋AMP＋2Pi
进入线粒体
短链<10
渗透进入
长链>10 肉碱-脂酰转运机制：
脂酰肉碱移位酶I
线粒体外膜
① 细胞溶胶中的脂酰辅酶A通过肉碱脂酰转移酶Ⅰ（位于线粒体内膜外侧）催化与肉碱结合，同时脱下CoA；
肉碱+脂酰-CoA → 脂酰肉碱
脂酰肉碱移位酶
线粒体内膜
进入基质
脂酰肉碱移位酶II
线粒体基质
③ 再通过肉碱脂酰转移酶Ⅱ（位于线粒体基质）将脂酰基转移到基质的CoA上，再次形成脂酰辅酶A。
脂酰-CoA + 肉碱
肉碱
脂肪酸的氧化
偶数碳脂肪酸的β氧化
亚细胞定位：线粒体基质 过氧化物酶体（氧化产生H2O2，能量以热能的形式释放）
脂肪酸β-氧化发生在线粒体中，一个轮回产生一个比的起始物脂酰-CoA缩短了两个碳原子的新的脂酰-CoA和一分子乙酰CoA，
脂肪酸的β-氧化过程：
1||| 脂酰-CoA脱氢酶
2、3脱氢， 双键
+ FADH2
脂酰-CoA
FADH2
反式
烯酰CoA
2||| 反式Δ^2烯酰-CoA水合酶
水合
3-OH
→L-3-羟脂酰CoA
3||| L-3-羟脂酰CoA脱氢酶
3脱氢
+ NADH
→NADH + β-酮脂酰CoA
4||| 硫解酶
硫解
-2C
→乙酰-CoA+脂酰-CoA（-2C）
C2n
16C
n=8
n-1次循环
n 乙酰-CoA
柠檬酸循环 8
n FADH2
3n NADH
n GTP
~10n ATP
n-1 FADH2
n-1 NADH
~4(n-1) ATP
~80+28=108 ATP
脂肪酸的活化
-2
净生成量：106 ATP
β-氧化总反应式：
软脂酰-CoA＋7CoA＋7FAD+7NAD+→8乙酰CoA＋7FADH2＋7NADH＋7H＋
不饱和脂肪酸的氧化
from：高等植物
不饱和脂肪酸的氧化部位是线粒体，其活化和跨越线粒体内膜的方式与饱和脂肪酸相同，也经β-氧化而降解，此外还需要两个酶： 烯酰-CoA异构酶、烯酰-CoA还原酶。
每多一个双键，则 少产生一个FADH2/多使用一个NADPH
天然的不饱和脂肪酸双键多为顺式的， 部分双键在奇数位置。
不饱和脂肪酸 的氧化过程
（1）含一个双键的 不饱和脂肪酸的氧化：
含一个双键的不饱和脂肪酸降解时，需β-氧化的酶和烯脂酰CoA异构酶，将不饱和脂肪酸分解产物中的顺式双键的中间产物变为反式双键。
烯酰-CoA异构酶
异构
第一步脱氢跳过，少产生一个FADH2
（2）含一个以上双键的 不饱和脂肪酸的氧化：
含一个以上双键的不饱和脂肪酸如亚油酰CoA在降解时，需β-氧化的酶、烯脂酰CoA异构酶和2,4-二烯脂酰CoA还原酶。
2，4-二烯酰-CoA还原酶
还原
多使用了一个NADPH
烯酰-CoA异构酶
奇数碳脂肪酸氧化
from：某些海洋动物 反刍动物
（2n+1）C → n 乙酰CoA+丙酰CoA 如17碳直链脂肪酸经β-氧化→7乙酰CoA＋1丙酰-CoA。
β氧化最后产生丙酰-CoA
丙酰-CoA羧化酶
羧化
- ATP
CO_2
需要生物素作为辅酶
丙酰CoA+CO_2+ATP+H_2O → D-甲基丙二酰-CoA
甲基丙二酰-CoA消旋酶
D-甲基丙二酰-CoA→L-甲基丙二酰-CoA。
甲基丙二酰-CoA变位酶
分子重排
在以维生素B12作为辅基，发生羰基-CoA基团转移到甲基并置换一个氢的反应。
L-甲基丙二酰-CoA → 琥珀酰CoA
转化为琥珀酸-CoA进入柠檬酸循环
α-氧化、 ω-氧化
α氧化
植烷酸
植烷酸C3有甲基取代基
不是脂酰-CoA脱氢酶的底物
脂肪酸α羟化酶
C2羟基化
脱羧
-C
硫激酶活化
降植烷酰-CoA
ω氧化
少见，相关酶存在于内质网的微粒体中
ω碳羟基化、单加氧
成为羧基
ω碳氧化成羧基，使两边均可与CoA结合，进行β氧化 可以加速长链脂肪酸的氧化降解速度。
酮体
饥饿/糖尿病，草酰乙酸通过糖异生途径参与葡糖糖的合成。 由于草酰乙酸不足，导致乙酰CoA积累过多
酮体：乙酰乙酸、丙酮、D-β-羟丁酸
肝细胞线粒体基质
亦可重新被利用，生成乙酰-CoA回到正常代谢中
脂肪酸降解后， 生成的乙酰CoA有以下几种去路：
乙酰-CoA的四种代谢结局
直接在线粒体基质进入柠檬酸循环
转运到线粒体基质进行脂肪酸生物合成
在内质网进行胆固醇的生物合成
线粒体内转化为酮体
酮体的形成
酮体的形成
肝脏线粒体
（1）酮体的合成发生在肝、肾细胞的线粒体内。
裂合酶
3 乙酰CoA→乙酰CoA+乙酰乙酸
乙酰乙酸
脱羧
丙酮
还原
D-β-羟丁酸
（2）肝脏线粒体中的乙酰CoA去向，主要取决于草酰乙酸的可利用性。
（3）肝中酮体生成的酶类很活泼，但没有能利用酮体的酶类；因此，肝脏线粒体合成的酮体，迅速透过线粒体并进入血液循环，送至全身。
（4）血液或尿中的酮体过高都可导致昏迷，有时甚至死亡。
肝外组织使用酮体作为燃料
肝外各组织
在肝外组织中，D-β-羟丁酸转化成两个分子的乙酰CoA，进入TCA生成ATP，由此提供能量给肝外组织。
9．4 磷脂代谢 9．4．1甘油磷脂的水解
消化系统
磷脂酶A_2
水解C2
脂肪酸+溶血磷脂
胰磷脂酶A2与胰脂肪酶相同，在界面上优先进行催化反应。
脂肪酸代谢的调节
脂肪酸分解代谢 与脂肪酸合成 是协同受调控的。
脂肪酸进入线粒体的调控
（1）在细胞内，脂肪酸分解代谢的调控主要是通过线粒体控制脂肪酸进入线粒体内来实现的。
（2）脂酰基进入线粒体的速度是限速步骤，长链脂酸生物合成的第一个前体丙二酸单酰CoA的浓度增加，可抑制肉碱脂酰转移酶Ⅰ，限制脂肪氧化。
合成代谢旺盛 抑制分解代谢
丙二酰-CoA是 肉碱脂酰转移酶Ⅰ强劲的抑制剂。
（3）[NADH]/[NAD＋]比率高时，β-羟脂酰CoA脱氢酶受到抑制。
（4）乙酰CoA浓度高时，能够抑制硫解酶， 抑制氧化（脂酰CoA有两条去路：氧化和合成甘油三酯）。
分解代谢亢进 抑制分解代谢
产物抑制
心脏中脂肪酸氧化的调节
乙酰CoA羧化酶
软脂酰-CoA别构抑制
柠檬酸作为激活剂
（1）脂肪酸、NADPH和乙酰CoA是合成柠檬酸的关键化合物。
（2）柠檬酸是在脂肪酸生物合成中执行第一步反应的乙酰CoA羧化酶的专性活化剂。
柠檬酸浓度高代表分解代谢亢进 柠檬酸进入细胞溶胶促进脂肪酸合成代谢
共价调节
激素的调节
（1）在脂肪酸分解代谢的调节过程中，有胰高血糖素和肾上腺素两种重要的激素。 乙酰CoA羧化酶磷酸化抑制
促进分解代谢
抑制合成代谢
（2）胰岛素和肾上腺素、胰高血糖素的作用相反，胰岛素刺激三脂酰甘油以及糖原的形成，胰高血糖素和胰岛素的比例对脂肪酸代谢的速度和方向起着决定性作用。 磷脂酶磷酸化，乙酰CoA羧化酶去磷酸化
促进合成代谢
抑制分解代谢
膳食的改变 引起相关酶水平调整
膳食条件长时期改变，对与脂肪酸代谢相关的酶会发生水平的变化。例如，禁食后大鼠肝中脂肪酸合酶及乙酰CoA羧化酶的浓度都降低了4到5倍。
六、脂质的生物合成
脂肪酸的生物合成
亚细胞定位： 细胞溶胶
原料：乙酰-CoA
随着链不断变长，疏水性也越来越强， 受疏水相互作用影响向生物膜系统靠近。
原料准备
乙酰CoA的转运（三羧酸转运体系）：
线粒体基质→细胞溶胶
脂肪酸合成在细胞溶胶中进行，但是脂肪酸合成的原料底物为产生于线粒体的乙酰CoA，乙酰CoA要经过三羧酸转运体系形成柠檬酸中间体才能透过线粒体膜。
穿梭机制产生出的NADPH可用于脂肪酸合成中的还原反应。 每产生1分子NADPH，就有1个乙酰CoA进入细胞溶胶。
三羧酸转运体系 柠檬酸-丙酮酸循环
线粒体
柠檬酸
细胞溶胶
柠檬酸裂解酶
C6→C4+C2
-ATP
→草酰乙酸+乙酰CoA
苹果酸脱氢酶
苹果酸
（2）苹果酸-天冬氨酸穿梭途径： malate-aspartate shuttle
苹果酸酶
脱羧、还原
NADPH
丙酮酸+CO2
丙二酸单酰-CoA的形成
乙酰-CoA羧化酶
羧化
- ATP
ATP+HCO_3^-+乙酰-CoA→丙二酸单酰-CoA
乙酰CoA羧化酶是3种蛋白质的复合体，包括生物素羧基载体蛋白（BCCP）、生物素羧化酶和转羧酶。
脂肪酸合成的起始步骤为乙酰CoA在乙酰CoA羧化酶催化作用下生成丙二酸单酰-CoA。
脂肪酸合成
脂肪酸合酶复合体
在动物细胞中，脂肪酸合酶包含7种酶和一个酰基载体蛋白（ACP），ACP使脂酰基从一个酶反应转移到另一个酶反应中，所有这些酶全都定位于单一的多功能多肽链。 在酵母中，脂肪酸合酶由ACP及6个酶构成，所不同的是它们定位为两个多功能的多肽链。
酰基载体蛋白（ACP） -SH
1||| 乙酰-CoA：ACP转酰酶(MAT)
启动
乙酰-CoA→乙酰-ACP→乙酰-KS
2||| 丙二酸单酰-CoA：ACP转酰酶(MPT)
装载
丙二酸单酰-CoA→丙二酸单酰-ACP
3||| β-酮酰-ACP合酶(KS) -SH
缩合 C_3+C_n→C_n+2 +C
CO2
14C以下
n<=14
乙酰-KS+丙二酸-ACP→乙酰乙酰-ACP+CO_2
n+2
4||| β-酮酰-ACP还原酶(KR)
还原
- NADPH
末端C为α碳，β酮基被还原
D-β-羟丁酰-ACP
5||| β-羟酰-ACP脱水酶(DH)
脱水
水
α，β-反式-丁烯酰-ACP
6||| 烯酰-ACP还原酶(ER)
还原
- NADPH
丁酰-ACP
移位
丁酰-KS
ACP
最多循环7次
软脂酰（16C）-ACP
反应在延伸达16个碳原子时停止，最终产物为软脂酰-ACP时，软脂酰-ACP硫酯酶开始催化水解反应。达到软脂酰释放
7||| 软脂酰-ACP硫酯酶(TE)
水解释放
-水
软脂酸（16C）
由脂肪酸合酶催化反应总结 最多循环7次
C_2n
乙酰CoA 7丙二酸单酰-CoA
-7ATP
n-1
8 乙酰CoA
n
- 14 NADPH
一半来自于三羧酸转运体系
2n-2
+7-1= +6 水
n-2
脂肪酸合成的总反应：
7分子丙二酸单酰-CoA的形成反应：
合成一分子软脂酸消耗的乙酰CoA和丙二酸单乙酰CoA的总结果如下式：
从起始物乙酰CoA到产物软脂酸的总反应式：
脂肪酸合成途径与β氧化的比较
脂肪酸碳链的加长和去饱和
脂肪酸合成停止在16碳软脂酸，链的延长和去饱和则需其他的酶来完成。
① 碳链的延长：
碳链的延长发生在线粒体和内质网中 软脂酸C16→硬脂酸C18
线粒体
碳源：乙酰单元的加成和还原； 还原剂：NADPH
滑面内质网
酰基载体：CoA 碳源：丙二酸单酰-CoA； 还原剂：NADPH
② 碳链的去饱和：
脂肪酸去饱和酶
氧化，顺式双键
最常见的两个饱和脂肪酸软脂酸和硬脂酸是棕榈酸（16，Δ9）和油酸（18，Δ9）的前体。在脂肪酰-CoA去饱和酶催化下经氧化形成。
电子传递体系
两种酶+一个细胞色素
哺乳动物缺少 C9以外添加双键的酶
植物
Δ^9
6
12
15
不直接作用于游离的脂肪酸， 可对磷脂上的脂肪酸，去饱和。
多不饱和脂肪酸（PUFA）与必需脂肪酸
脂酰甘油 的生物合成
脂肪组织 内质网
脂酰甘油由两个前体合成， 即脂酰-CoA和3-磷酸甘油，过程如下。
（1）脂酰-CoA：
由脂肪酸的活化形成。
（2）甘油-3-磷酸：
由糖酵解的中间体磷酸二羟丙酮形成；
磷酸二羟丙酮 Û 甘油醛-3-磷酸
由甘油磷酸化形成。
甘油异生途径 丙酮酸
甘油-3-磷酸与脂酰-CoA两者经酯化形成单酰-甘油和二脂酰-甘油； 三酰甘油来自1,2-二酰甘油-3-磷酸，经2步反应生成。 酰基转移酶
1-单酰甘油-3-磷酸
溶血磷脂
1，2-二酰甘油-3-磷酸
磷脂酸
三酰甘油
磷脂类 的生物合成
膜结构脂质— 磷脂、糖脂和固醇 亚细胞定位：内质网
（1）甘油磷脂的合成：
磷脂酰胞苷转移酶
活化
- CTP
1，2-二酰甘油-3-磷酸+CTP→CDP-二酰甘油+PPi
几种甘油磷脂 的生物合成
CDP-二酰甘油+丝氨酸
磷脂酰丝氨酸
真核生物合成途径：磷脂酰乙醇胺的乙醇胺基被丝氨酸取代生成磷脂酰丝氨酸，合成途径与磷脂酰乙醇胺相同。
磷脂酰乙醇胺
真核生物合成途径：合成途径与磷脂酰胆碱相似，但使用CDP-乙醇胺代替CDP-胆碱。
真核生物
二酰甘油
乙醇胺
磷脂酰胆碱
真核生物合成途径：起始于胆碱（摄入），胆碱→磷酸胆碱→CDP胆碱。 CTP：磷酸胆碱磷脂酰胞苷转移酶：限速酶，细胞溶胶中无活性，进入内质网后活化。 CDP胆碱+二酰甘油→磷脂酰胆碱
真核生物
二酰甘油
胆碱
一般途径（大肠杆菌）：磷脂酰乙醇胺的氨基经3次甲基化生成磷脂酰胆碱， 甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸，催化酶为甲基转移酶。
标注
CDP-二酰甘油+肌醇
磷脂酰肌醇
CDP-二酰甘油+甘油
磷脂酰甘油
心磷脂
磷酸二羟丙酮+脂酰CoA+烷基醇
醚磷脂
1-烷基二羟丙酮磷酸合酶
脂键→醚键
缩醛磷脂
醚磷脂C1的支链脱饱和生成缩醛磷脂。
（2）鞘磷脂的合成：
鞘磷脂的生物合成发生在内质网上 ，主要的合成方式为：
从头合成 神经酰胺
软脂酰-CoA与丝氨酸起始
在内质网上，在3-酮鞘氨醇合酶催化下软脂酰-CoA与丝氨酸缩合形成3-酮鞘氨醇；
CO2
3-酮衍生物在3-酮鞘氨醇还原酶催化作用下被还原形成二氢鞘氨醇，反应以NADP和H＋为辅助因子；
- NADPH
二氢鞘氨醇（氨基）与脂酰-CoA反应生成N-脂酰-二氢鞘氨醇， 再经FAD脱氢，形成神经酰胺；
神经酰胺 起始
鞘磷脂是磷脂酰胆碱转移磷酸胆碱给神经酰胺形成的。磷酸胆碱转移酶位于高尔基体膜的腔侧。
磷脂酰胆碱
类二十烷酸 的生物合成
胆固醇的全生物合成
胆固醇及其衍生物的生物合成大多在内质网中进行的， 极少部分发生在线粒体中。
胆固醇的全生物合成可分为5个阶段：
（1）步骤Ⅰ：甲羟戊酸的合成 （原料：3 乙酰CoA）。
乙酸(C_2)→甲羟戊酸(C_6)
（2）步骤Ⅱ：自甲羟戊酸到异戊烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸的生成。
→异戊二烯衍生物(C_5)
（3）步骤Ⅲ：三十碳（角）鲨烯的合成。
(5+5+5)*2
→（角）鲨烯(C_30)
（4）步骤Ⅳ：（角）鲨烯二步环合形成羊毛固醇。
3-OH：极性头
→羊毛固醇(C_30)
（5）步骤Ⅴ：从羊毛固醇至胆固醇， 约20步， 需要大量具有还原力的NADH和NADPH。
还原、去甲基（-3C）
→胆固醇(C_27)
蛋白质、核酸的降解和 氨基酸、核苷酸的代谢
蛋白质的降解和 氨基酸的代谢
蛋白质降解和氨基酸的分解代谢
一、蛋白质降解
蛋白质降解特性
（1）细胞和细菌有选择地降解异常蛋白质。
（2）正常的胞内蛋白质的个性决定它们被排除的速度。
（3）细胞中蛋白质降解的速度根据它的营养及激素状态而有所不同。
内源蛋白质降解机制
真核细胞中蛋白质的降解有两种途径，即溶酶体的降解机制和ATP-依赖性的以细胞溶胶为基础的机制。
（1）溶酶体降解途径：
溶酶体与自体吞噬泡融合，分解内容物
组织蛋白酶
溶酶体是具有单层膜被的细胞器，含约50种水解酶，包括不同种的蛋白酶，大部分都是无活性的。
其降解蛋白质是无选择性的。
溶酶体的蛋白质降解途径是细胞内蛋白质降解的主要途径。
病理反应伴随着溶酶体活性的升高。
产后子宫萎缩
（2）ATP-依赖性的泛素-蛋白酶体途径：
1||| 泛素活化
x n
泛素-COOH
泛素是一个小分子碱性蛋白质（76 aa），具有高度保守的氨基酸序列。泛素可选择性地给非正常的蛋白质加以标记，泛素与蛋白质共价连接。
它无处不在，且在真核细胞中含量丰富。
泛素活化酶，E_1-SH
活化
- ATP
→ 泛素-CO-S-E_1
泛素的羧基端通过硫酯键与泛素活化酶（E1）偶联。
泛素-载体蛋白，E_2-SH
泛素-CO-S-E_1 → 泛素-CO-S-E_2
泛素随即转接到某一小蛋白质的巯基上成为“泛素-载体蛋白质”（E2）。
2||| 泛素标记
泛素-蛋白质连接酶，E_3-SH
宣布无用的蛋白+n 泛素-CO-S-E_2 → 宣布无用的蛋白-NH-(CO-泛素)_n + n HS-E_2
泛素-蛋白质连接酶（E3）将活化了的泛素从E2转移到蛋白质赖氨酸的ε氨基上，形成了一个异肽键。
重复以上步骤，多个泛素分子（Lys 48）依次一前一后地与目的蛋白质分子相连接，形成多泛素链。
3||| 标记蛋白降解
泛素缀合酶（UCDEN）
泛素连接的蛋白质， 在ATP-依赖的反应过程中被降解。
游离氨基酸
机体对外源蛋白质的需要及其消化作用
消化系统
（1）食物进入胃后，刺激分泌盐酸和蛋白酶原，蛋白酶原经自身催化后转变为活性胃蛋白酶，它催化蛋白质变为较小分子的多肽段。
蛋白酶原→胃蛋白酶
它催化蛋白质变为较小分子的多肽段
（2）蛋白质消化后进入小肠， 受食物中的氨基酸刺激分泌胰蛋白酶、糜蛋白酶等。
水解外侧肽键
（3）肠中还有一种弹性蛋白酶，
能水解Val、Leu、Ser、Ala等各种脂肪族氨基酸羧基形成的肽键
（4）水解后的短肽又经羧肽酶和氨肽酶的作用，最后全部转变为游离氨基酸。
游离氨基酸
氨基酸代谢库
氨基酸代谢库（metabolic pool）是指机体内所有氨基酸的总和，包括外源性氨基酸（通过食物摄入并在消化吸收后以氨基酸形式进入血液的氨基酸）和内源性氨基酸（机体各组织蛋白质分解产生的氨基酸以及机体合成的非必需氨基酸）。这些氨基酸共同构成了机体的氨基酸代谢库，通常以游离氨基酸总量计算。
氨基酸代谢库实际上包括细胞内液、细胞间液和血液中的氨基酸。
氮平衡
氮平衡是研究蛋白质代谢的一个重要指标，它反映了机体摄入氮（I）和排出氮（E）之间的关系。氮平衡的计算公式为：NB = I - E = I - (F+U+S)，其中NB代表氮平衡，I代表摄入氮，E代表排出氮，F代表粪氮，U代表尿氮，S代表皮肤氮
氮平衡的状态可以分为三种情况：
零氮平衡（zero nitrogen balance）
：摄入氮等于排出氮，表明体内蛋白质的合成量和分解量处于动态平衡，一般营养正常的健康成年人就属于这种情况
正氮平衡（positive nitrogen balance）
：摄入氮大于排出氮，表明体内蛋白质的合成量大于分解量。这种情况通常发生在生长期的儿童少年、孕妇和恢复期的伤病员等需要增加蛋白质摄入的情况下
负氮平衡（negative nitrogen balance）
：摄入氮小于排出氮，表明体内蛋白质的合成量小于分解量。这种情况可能发生在慢性消耗性疾病、组织创伤和饥饿等状态下
维持良好的氮平衡对于人体健康非常重要，它通过合理的饮食和生活方式来实现。例如，增加蛋白质摄入、控制氮的丢失等方法可以帮助实现正氮平衡，从而促进生长发育、维持肌肉质量和促进康复。氮平衡的概念及意义在于，氮是构成蛋白质的基本元素，对人体的生长、发育和维持正常功能起着重要作用。氮平衡的正常维持对于人体健康至关重要。
二、氨基酸的分解代谢
脱氨基作用
氨基酸的转氨基作用
氨基酸的α-氨基在氨基转移酶的作用下，转移到一个α-酮酸的酮基上，产生与原有氨基酸相应的酮酸和一个新的氨基酸。
转氨酶/氨基转移酶
α-酮戊二酸（氨基受体）、谷氨酸
乒乓反应/双置换反应 E→AE→PE→E'→BE'→QE'→E
转氨酶又称氨基转移酶，是指催化转氨基反应的酶。 大多数转氨酶需要α-酮戊二酸作为氨基的受体。 氨基转移酶需要有吡哆醛-5′-磷酸（PLP）参与反应。
磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate，PLP）、磷酸吡哆胺
氨基转移反应：
多数氨基经转氨基作用 形成谷氨酸或天冬氨酸。
1||| α-氨基酸＋α-酮戊二酸⇌α-酮酸＋谷氨酸
谷氨酸-天冬氨酸载体
进入线粒体
脱氨：α-酮酸
谷氨酸 氧化脱氨基作用
谷氨酸通过转氨基作用 产生其他氨基酸
天冬氨酸
丙氨酸
2||| 谷氨酸＋草酰乙酸 ⇌ α-酮戊二酸＋天冬氨酸
谷氨酸 氧化脱氨基作用
谷氨酸脱氢酶：
线粒体氧化
谷氨酸＋NAD（P）＋＋H2O⇌α-酮戊二酸＋NH_3＋NAD（P）H＋H＋
定义：谷氨酸脱氢酶是存在于线粒体基质中，既可把NAD＋又可把NADP＋作为它的氧化还原辅酶的酶，是一种别构调节酶。
谷氨酸脱氢酶的调节：谷氨酸脱氢酶能被GTP、ATP所抑制，被ADP激活，因此这种酶的调节作用是可维持氨的低浓度状态，避免氨中毒。
代谢缓慢时，激活
其他的脱氨基作用
非专一性的氨基酸氧化酶
（1）L-氨基酸氧化酶及D-氨基酸氧化酶是两个非专一性的氨基酸氧化酶，可把FAD作为辅酶，催化L-及D-氨基酸的氧化反应。产生的FADH2又被O2再氧化成H2O2。
非氧化脱氨
（2）丝氨酸及组氨酸的脱氨基是非氧化型的脱氨基作用。
联合脱氨基作用
谷氨酸→氨
（1）以谷氨酸脱氢酶为主的联合脱氨基作用：
氨基酸的α-氨基借助转氨作用生成相应的α-酮酸和谷氨酸， 然后谷氨酸在谷氨酸脱氢酶作用下生成α-酮戊二酸，同时释放出氨。
（2）嘌呤核苷酸的联合脱氨基作用：
骨骼肌、心肌、肝脏以及脑的脱氨方式 可能都是以嘌呤核苷酸循环为主。
天冬氨酸+次黄嘌呤(IMP) → 延胡索酸+AMP
① 腺嘌呤核苷酸（AMP）的合成：
AMP+水→IMP+NH_3
腺嘌呤脱氨：
次黄嘌呤核苷酸与天冬氨酸作用形成中间产物腺苷酸代琥珀酸， 后者在裂合酶的作用下分裂成腺苷酸和延胡索酸。
腺苷酸水解后产生游离氨和次黄嘌呤核苷酸。
氨基酸的脱羧基作用
机体内部分氨基酸可进行脱羧而生成相应的一级胺。 催化脱羧反应的酶称为脱羧酶，这类酶的辅酶为磷酸吡哆醛。
氨基酸 ⇌ 胺+CO_2
脱羧：胺
氨的命运
氨基酸经过脱氨基作用等途径将氨基氮转变为氨，氨存在于机体中是有毒物质，因此氨的排泄是生物体维持正常生命活动所必须的。
氨中毒
（1）氨的排泄方式：
排氨：某些水生或者海洋动物以氨的形式将氨基氮排出体外。
联合脱氨基作用
排尿素：绝大多数陆生脊椎动物排泄尿素。
排尿酸：鸟类和陆生爬行动物将脱下的氨转变成尿素，以形成固体尿酸排出体外。
嘌呤的分解代谢：
（2）氨的转运：
谷氨酰胺
从组织转移到肝脏
① 氨的转运主要是通过谷氨酰胺合成酶催化谷氨酸与氨结合而形成谷氨酰胺。
- ATP
② 谷氨酰胺是中性无毒物质，是氨的主要运输形式，谷氨酰胺由血液运送到肝脏，肝细胞的谷氨酰胺酶将其分解为谷氨酸和氨。
葡萄糖-丙氨酸循环：
肌肉中的胺转移到肝脏
谷氨酸+丙酮酸 ⇌ α-酮戊二酸+丙氨酸
一种肌肉氨基转移酶可催化丙酮酸生成丙氨酸，在肌肉中谷氨酸与丙酮酸进行转氨作用形成丙氨酸。
丙氨酸在pH为7时是中性不带电荷的化合物，因此丙氨酸被释放进入血流，并被传送到肝脏，在肝脏中与α-酮戊二酸形成丙酮酸，又可用于糖异生作用。
这样葡萄糖又回到肌肉中，在肌肉中以糖酵解方式降解为丙酮酸。
三、尿素的形成
肝脏
尿素循环的概述
尿素是在肝脏中由尿素循环的一系列酶催化形成的。在尿素循环中，一分子鸟氨酸和一分子氨及二氧化碳结合形成瓜氨酸。 瓜氨酸与另一分子氨结合形成精氨酸。 精氨酸水解形成尿素和鸟氨酸完成一次循环。
尿素中的两个N原子来自一个氨分子和一个天冬氨酸分子，其中C原子来自HCO_3
2 尿素循环机制 ——Hans Krebs
尿素循环包括5步酶反应， 2步发生在线粒体内， 3步发生在细胞溶胶中。
氨甲酰磷酸合成酶（CPS）
氨甲酰磷酸合成酶 Ⅰ（CPS Ⅰ）
氨甲酰磷酸合成
-2 ATP
反应：NH3 + CO3^2- + H2O + 2ATP Û 氨甲酰基磷酸 + 2ADP + Pi
功能：催化氨（NH_4+）和碳酸氢根（HCO^3-）形成氨甲酰磷酸，消耗2分子ATP。
氨甲酰磷酸合成酶 Ⅱ（CPS Ⅱ）
细胞溶胶
前体物质氨甲酰磷酸的合成
鸟氨酸转氨甲酰酶
氨甲酰基转移
反应：鸟氨酸 + 氨甲酰磷酸 → 瓜氨酸 + Pi
功能：将氨甲酰磷酸的氨甲酰基转移到鸟氨酸上，形成瓜氨酸。
线粒体
精氨琥珀酸合成酶
瓜氨酸的合成
- ATP
反应：瓜氨酸 + 天冬氨酸 + ATP → 精氨琥珀酸 + AMP + PPi
功能：天冬氨酸提供第二个氮原子，消耗一分子ATP。
精氨琥珀酸酶
精氨琥珀酸的裂解
反应：精氨琥珀酸 → 精氨酸 + 延胡索酸
功能：精氨酸保留来自游离氨和天冬氨酸的氮。
精氨酸酶
尿素的合成
反应：精氨酸 + H2O → 尿素 + 鸟氨酸
功能：鸟氨酸进入线粒体，参与瓜氨酸的合成，完成鸟氨酸循环。
3 尿素循环的调节
（1）氨甲酰磷酸合成酶Ⅰ承担着尿素循环关键的第一步反应， 它被N-乙酰-谷氨酸别构激活。
肝脏中尿素生成的速度与N-乙酰谷氨酸合酶的浓度直接相关。
（3）尿素循环中的其他酶则是由它们的底物所调控。
四、氨基酸碳骨架的氧化途径
20种氨基酸的碳骨架进行氧化分解，虽然氧化分解途径各异，但它们都集中形成5种产物进入柠檬酸循环，最后氧化为CO_2和水。
各种氨基酸碳骨架的氧化途径
肝、肾
→形成乙酰-CoA的途径
5+5=10
丙酮酸
丙氨酸、
半胱氨酸；
苏氨酸、甘氨酸、丝氨酸
→乙酰乙酰CoA →乙酰CoA
同时形成延胡索酸的途径
苯丙氨酸、酪氨酸。
亮氨酸
赖氨酸、色氨酸。
→α-酮戊二酸途径
5
谷氨酸
组氨酸、脯氨酸
精氨酸、谷氨酰胺。
→形成琥珀酰-CoA的途径
3
丙酰CoA
异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸。
→形成草酰乙酸的途径
2
天冬氨酸、天冬酰胺。
五、生糖氨基酸和 生酮氨基酸
氨基酸在分解代谢上的分类
1. 生糖氨基酸
定义：生糖氨基酸是指那些在代谢过程中能形成丙酮酸、α-酮戊二酸、琥珀酸和草酰乙酸的氨基酸。这些氨基酸可以导致生成葡萄糖和糖原。
氨基酸：甘氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、天冬酰胺、缬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸、甲硫氨酸、精氨酸、半胱氨酸、脯氨酸。
2. 生酮氨基酸
定义：生酮氨基酸是指在分解过程中转变为乙酰乙酰-CoA、乙酰-CoA的氨基酸。
氨基酸：亮氨酸、赖氨酸。
3. 生糖和生酮氨基酸
定义：这些氨基酸既能生酮又能生糖。
氨基酸：异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、色氨酸。
六、氨基酸衍生物
氨基酸与一碳单位
1. 定义
一碳单位是生物化学中具有一个碳原子的基团。在生物体内合成嘌呤、嘧啶、肌酸、胆碱等化合物时，需要某些氨基酸参与，这些氨基酸提供一个碳原子的化学基团。这种参与生物合成的、可以转移一个碳原子的化学基团称为一碳单位。
2. 形式
一碳单位有以下几种形式：
甲基-CH3
亚甲基-CH2-
羟甲基-CH2OH
次甲基-CH=
亚氨甲基-CH=NH
甲酰基-CHO
3. 来源
许多氨基酸可作为一碳单位的来源，包括甘氨酸、苏氨酸、丝氨酸和组氨酸等。
4. 作用
一碳单位与氨基酸代谢密切相关。
参与嘌呤和嘧啶的生物合成以及S-腺苷甲硫氨酸的生物合成，是生物体各种化合物甲基化的甲基来源。
5. 转移
一碳单位与四氢叶酸（THF）在N5,N10位以共价相连，依靠THF转移。
四氢叶酸（THF） / CoF
氨基酸与生物活性物质
生物活性物质是指少量就能发挥明显生物功能的生物分子。 有些氨基酸在神经系统活动中起着重要作用，它们本身属于生物活性物质。
p310
甘氨酸
衍生物
嘌呤碱
核酸及核苷酸成分
与 Gln、Asp、一碳单位CO2共同合成
肌酸
组织中储能物质
与 Arg、Met 共同合成
卟啉
血红蛋白及细胞色素等辅基
与琥珀酰-CoA共同合成
半胱氨酸
衍生物
牛磺酸
结合胆汁酸成分
丝氨酸
生物膜
衍生物
乙醇胺及胆碱
磷脂成分
胆碱由 Met提供甲基
乙酰胆碱
神经递质
酪氨酸
激素
衍生物
儿茶酚胺类
神经递质
肾上腺素由Met 提供甲基
黑色素
皮、发形成黑色
甲状腺激素
激素
组氨酸
衍生物
组胺
神经递质
色氨酸
代谢相关
衍生物
5-羟色胺
神经递质促进平滑肌收缩
即N-乙酰-5-甲氧色胺
退黑素
松果体激素
烟酸
维生素 PP
鸟氨酸
发育相关
衍生物
腐胺亚精胺
促进细胞增殖
与生长发育相关
谷氨酸
衍生物
兴奋性神经递质
谷氨酸
衍生物
y-氨基丁酸
抑制性神经递质
天冬氨酸
衍生物
兴奋性神经递质
天冬氨酸
衍生物
嘧啶碱
核酸及核苷酸成分
与CO2Gln共同合成
七、氨基酸代谢缺陷症（先天性遗传代谢病）
氨基酸代谢中缺乏某一种酶，都可能引起疾患，这种疾病称为代谢缺陷症。
1 苯丙酮尿症
苯丙氨酸代谢中，由于缺乏苯丙氨酸4-单加氧酶而引起苯丙酮尿症。当机体缺乏这种酶时，正常代谢途径改变为苯丙氨酸与α-酮戊二酸转氨形成苯丙酮酸，聚集在血液中，最后由尿排出体外。
2 尿黑酸症
酪氨酸代谢中缺乏尿黑酸氧化酶引起尿黑酸症。病人尿中含尿黑酸，碱性条件下暴露于空气中被氧化而形成类似黑色素物质使尿显黑色。
氨基酸的生物合成和生物固氮
生物固氮
微生物
定义
生物固氮是指通过某些微生物将分子氮转化为含氮化合物的过程。
固氮生物类型
分为共生型固氮微生物和自生型固氮微生物两大类。
固氮酶
固氮酶是由固氮酶还原酶（铁蛋白）和固氨酶（铁钼蛋白）两部分组成。铁钼蛋白和铁蛋白组成的一个活性功能单位，两种蛋白单独存在时都不起作用且两种蛋白均厌氧。
生物固氮中化学反应计量式
N_2＋8e^－＋8H^＋＋16ATP → 2NH_3＋16ADP＋16Pi＋H_2
氨的同化作用—— 通过谷氨酸和谷氨酰胺渗入生物分子
（1）氨在动物、植物、微生物 中都存在的同化途径：
通过谷氨酸脱氢酶的作用，使α-酮戊二酸还原、氨化形成谷氨酸，反应式表示如下： α-酮戊二酸＋NH_4^＋＋NADPH→L-谷氨酸＋NADP^＋＋H_2O
（2）生物体中最重要的同化途径：
谷氨酰胺合成酶催化的谷氨酸形成谷氨酰胺，反应式如下： 谷氨酸＋NH_4^＋＋ATP→谷氨酰胺＋ADP＋Pi＋H^＋
（3）细菌和植物中存在的同化途径：
谷氨酰胺提供氨基给α-酮戊二酸，谷氨酸合酶催化形成2分子谷氨酸，反应式如下：α-酮戊二酸＋谷氨酰胺＋NADPH＋H＋→2谷氨酸＋NADP＋
氨基酸的生物合成
目前研究以微生物为材料。
概论
八种必需氨基酸 +两种相对必需氨基酸
必需氨基酸是指机体不能自己合成，必须从外界获取的氨基酸。
必需氨基酸有苯丙氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸、组氨酸和精氨酸。
2 氨基酸家族 (按碳骨架的来源分类)
1. 谷氨酸族
2. 天冬氨酸族
3. 丙酮酸族
4. 丝氨酸族
5. 芳香族
由α-酮戊二酸形成的氨基酸—— 谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸、精氨酸x(婴儿不能合成)
碳骨架来源：来自三羧酸循环（TCA循环）中的α-酮戊二酸
谷氨酸：
谷氨酸脱氢酶
α-酮戊二酸 + NH4+ + NAD(P)H + H+ Û 谷氨酸 + NAD(P)+ + H2O
谷氨酰胺：
转氨酶、谷氨酰胺合成酶
α-酮戊二酸 + L-谷氨酸 + ATP + NH3 → 谷氨酰胺 + α-酮酸 + ADP + Pi
脯氨酸：
谷氨酸激酶、谷氨酸脱氢酶
α-酮戊二酸 + ATP + 2NAD(P)H +2H+ → L-脯氨酸 + ADP + 2NAD(P)+ + Pi + H2O
由草酰乙酸形成的氨基酸—— 天冬氨酸、天冬酰胺、甲硫氨酸x、苏氨酸x、 赖氨酸x（细菌、植物）、异亮氨酸x
碳骨架来源：来自TCA循环中的草酰乙酸
天冬氨酸族氨基酸的生物合成的共同碳骨架来自三羧酸循环的草酰乙酸。
过程如下：
天冬氨酸：
谷-草转氨酶
草酰乙酸 + 谷氨酸 → 天冬氨酸 + α-酮戊二酸
天冬酰胺：
天冬酰胺合成酶
天冬氨酸 + 谷氨酰胺 + ATP → 天冬酰胺 + 谷氨酸 + AMP + PPi + H+
L-天冬氨酸 + ATP + NH3 → 天冬酰胺 + AMP + PPi
（1）细菌和植物L-赖氨酸的生物合成：
植物L-赖氨酸的合成起始于丙酮酸和天冬氨酸。
（2）异亮氨酸的生物合成：
① 异亮氨酸的6个碳原子有4个来自天冬氨酸，只有2个来自丙酮酸。
② 在异亮氨酸合成过程中有4种酶和缬氨酸合成中的酶是相同的，而缬氨酸的合成属于丙酮酸衍生类型，因此异亮氨酸的生物合成既可认为是天冬氨酸类型也可认为是丙酮酸衍生类型。
丙酮酸族的生物合成： L-丙氨酸、L-缬氨酸x、L-亮氨酸x
碳骨架来源：来自糖酵解（EMP途径）中的丙酮酸
丙酮酸还为异亮氨酸的合成提供两个碳原子，为赖氨酸的合成提供两个或三个碳原子。
（1）丙氨酸的生物合成：
丙氨酸是丙酮酸与谷氨酸在谷-丙转氨酶的作用下形成的。转氨酶的作用是可逆的，丙酮酸和丙氨酸可根据需要而互相转换。
（2）缬氨酸和异亮氨酸的生物合成：
① 分别由丙酮酸和丁酮酸与活性乙醛基缩合形成α-乙酰-α-羟酸；
② 形成的两种化合物进行甲基、乙基的自动位移，形成的产物经脱水后形成缬氨酸和异亮氨酸的相应酮酸；
③ 经转氨作用形成缬氨酸和异亮氨酸。
丝氨酸族的生物合成： L-丝氨酸、L-甘氨酸、L-半胱氨酸 固硫作用
碳骨架来源：来自EMP途径中的甘油酸-3-磷酸
3-磷酸甘油酸开始进行生物合成。
硫源：H_2S
固硫作用
芳香族氨基酸的生物合成： 酪氨酸、苯丙氨酸x、色氨酸x
碳骨架来源：来自EMP途径中的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和磷酸戊糖途径（HMP途径）中的赤藓糖-4-磷酸
莽草酸途径
这3种氨基酸的合成途径有7步是共同的。
合成的起始物是赤藓糖4-磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸。
二者缩合形成一个7碳酮糖开链磷酸化合物，再经脱磷酸环化，形成苯环后又脱水、加氢形成莽草酸。
苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸的生物合成再以莽草酸为起始物直至形成分支酸，这段是芳香族氨基酸合成相同的一段过程，称为莽草酸途径。
在分支酸以后即分为两条途径，
其中一条是形成苯丙氨酸和酪氨酸，
另一条是形成色氨酸。
组氨酸的生物合成: 组氨酸x(早产儿不能合成)
碳源：核糖-5-磷酸
组氨酸的酶促合成有9种酶参与催化，并经过9步特殊反应。
氨基酸生物合成的调节
氨基酸合成 既可通过调节酶活性或代谢过程中的代谢物实现调节， 又可通过调节酶的生成量实现调节。
1 通过终端产物对氨基酸生物合成的抑制。
1. 简单的终端产物抑制
图示：
抑制方式：终端产物E抑制合成途径中第一个酶的活性。例如，在由苏氨酸合成异亮氨酸的过程中，异亮氨酸是苏氨酸脱氨酶的反馈抑制物。
2. 不同终端产物 对共经合成途径的协同抑制
图示：
抑制方式：终端产物E和H既抑制在合成过程中共经途径的第一个酶，也抑制在分道后第一个产物的合成酶。
3. 不同分支产物 对多个同工酶的特殊抑制（酶的多重性抑制）
图示：
抑制方式：A形成B由两个酶分别合成，两个酶分别受不同分支产物的特殊控制；两个分支产物又分别抑制其分道后第一个产物E和F的形成。
4. 连续产物抑制 （连续反馈控制或逐步反馈抑制）
图示：
抑制方式：终端产物E和H只分别抑制分道后自己途径中第一个酶的作用。共经途径的终端产物D抑制全合成过程第一个酶的作用。
例如，在赖氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸的合成中，这些氨基酸作为终端产物，可以抑制它们各自途径中的第一个酶。
5. 不受终端产物抑制的氨基酸
丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸的生物合成不受其最终产物的反馈抑制。
这些氨基酸的生物合成是通过与其相对应的酮酸的可逆反应来维持平衡的。
2 通过酶生成量的改变调节氨基酸的生物合成
酶生成量的控制主要是通过 有关酶编码基因活性的改变。
当某种氨基酸的合成能够提供超过需要量的产物时，则该合成途径酶的编码基因受到抑制；
当合成产物浓度下降时，有关编码基因则解除抑制，从而合成增加产物浓度所需要的酶。
有些酶能够受到细胞合成量的控制，称为阻遏酶。
氨基酸转化为其他氨基酸及其他代谢物
1 氧化氮的形成
氧化氮（NO）是由精氨酸在氧化氮合酶（NOS）催化下形成的，产物是氧化氮和瓜氨酸。氧化氮在信号传导过程中起重要作用。
谷胱甘肽
谷胱甘肽的功能：
谷胱甘肽含有硫基（—SH），能够保护血液中的红细胞不被氧化损伤，维持血红素中半胱氨酸处于还原态。
还原型谷胱甘肽（GSH）与氧化型谷胱甘肽（GSSG）相互转化，能够起到—SH“缓冲剂”的作用。氧化型谷胱甘肽（GSSG）＋NADPH＋H＋⇌还原型谷胱甘肽（GSH）＋NADP＋
还原型谷胱甘肽与过氧化氢或其他有机氧化物反应还能够起到解毒作用。
谷胱甘肽还参与氨基酸的转运。
谷胱甘肽的生物合成：
① 第1步反应：
② 第2步反应：
肌酸的生物合成
（1）肌酸可形成磷酸肌酸，在肌肉和神经的贮能中占有重要地位。
磷酸肌酸
（2）肌酸的生物合成是由甘氨酸、精氨酸、甲硫氨酸形成。精氨酸提供胍基，甲硫氨酸提供甲基。
卟啉、血红素的生物合成
卟啉是从琥珀酰-CoA及甘氨酸衍生而来，血红素合成以线粒体合成的δ-氨基-γ-酮戊酸（ALA）为前体。
短杆菌肽S
D-氨基酸
核酸的降解和 核苷酸的代谢
核苷酸引言
核苷酸的生物学功能
1. 核苷酸是核酸合成的原料。 2. 作为体内能量的利用形式（ATP、GTP）。 3. 核苷酸衍生物是许多生物合成反应的活性中间物（UDP-葡萄糖、CDP-二脂酰甘油）。 4. 腺苷酸和腺苷是重要的辅酶和辅助因子（NAD、NADP、CoA、FAD）。 5. 作为信号分子，调节细胞功能和基因表达（cAMP、cGMP）。
核酸和核苷酸的分解代谢
核酸降解
核酸分解代谢的第一步——核酸的降解，即水解连接核苷酸之间的磷酸二酯键，生成低级多核苷酸或单核甘酸。
核酸的解聚作用
胃酸 核蛋白
核酸酶：作用于核酸的磷酸二酯酶。 分为：DNase / RNase
胰脏
核酸外切酶：从核酸链末端（3'/5'）逐步水解下核苷酸。 脱氧核糖核酸外切酶只作用于DNA。 核糖核酸外切酶只作用于RNA。
牛脾脏（5’5-3）
蛇毒（3' 3-5）
核酸内切酶：
随机从核酸分子内部切断3',5'-磷酸二酯键
限制性核酸内切酶：细菌体内，特异性切割外源双链的DNA内切酶。
水解位点/酶切位点
四/六核苷酸
识别位点一般为回文结构
粘性末端/平末端切口
DNA物理图谱
核苷酸的分解
磷酸单酯酶/核苷酸酶
胰脏、肠
核苷酸 → 核苷+磷酸基团
核苷酸酶是指水解核苷酸生成核苷和磷酸的酶，属磷酸单酯酶。
分类
① 非特异性的磷酸单酯酶对一切核苷酸起作用，无论磷酸基在核苷的2′、3′还是5′位置上，都可被水解下来。
② 某些特异性强的磷酸单酯酶只能水解3′-核苷酸或5′-核苷酸，分别称为3′-核苷酸酶或5′-核苷酸酶。
核苷酶
（1） 核苷磷酸化酶
磷酸解
核苷+Pi Û 1-磷酸戊糖 + 碱基
核苷磷酸化酶广泛存在，催化的反应是可逆的。（1-磷酸戊糖，碱基）
核苷磷酸化酶分解核苷生成含氮碱和戊糖的磷酸酯，且所催化的反应是可逆的。
（2） 核苷水解酶
水解
核苷 → 戊糖 + 碱基
核苷水解酶对作用底物通常具有一定的特异性只对核糖核苷起作用，催化的反应不可逆。 主要存在于植物、微生物。（戊糖，碱基）
碱基的分解代谢 核苷酸水平/核苷水平/碱基水平
嘌呤的分解代谢：
嘌呤碱的分解首先是在各种脱氨酶的作用下水解脱去氨基，脱氨反应也可以在核苷或核苷酸的水平上进行。腺嘌呤和鸟嘌呤水解脱氨分别生成次黄嘌呤（IMP）和黄嘌呤。
A
腺嘌呤核苷脱氨酶 /腺嘌呤核苷酸脱氨酶
核苷酸水平 核苷水平
腺嘌呤脱氨：
AMP → IMP+NH_3
G
鸟嘌呤脱氨酶
核苷酸水平
- NADPH
鸟嘌呤脱氨：
GMP + NADPH + H+ → IMP + NH_3 + NADP+
鸟嘌呤酶
碱基水平
鸟嘌呤脱氨：
G+H_2O → 黄嘌呤 + NH_3
黄嘌呤氧化酶
2-OH 8 羰基
IMP+O2 +H2O→ 黄嘌呤 → 尿酸
别嘌呤醇对其具有抑制作用，可防止尿酸的积累从而治疗痛风。
代谢终产物
次黄嘌呤和黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下氧化生成尿酸，尿酸又可进一步代谢为各种中间产物。
尿酸
人类等灵长类最终代谢产物为尿酸，缺乏继续分解尿酸的能力。 尿酸积累会形成结晶引起痛风。
鸟类等排尿酸的动物还可以把其他含氮代谢物转化为尿酸。
尿酸氧化酶
氧化开环 生成过氧化物
尿酸 + O_2 + H_2O → 尿囊素 + CO_2 + H_2O_2
除灵长类的哺乳动物最终代谢产物为尿囊素
尿囊素酶
水解
尿囊素 + H_2O → 尿囊酸
硬骨鱼最终代谢产物为尿囊酸
尿囊酸酶
水解
多数鱼类和两栖类最终代谢产物为尿素和乙醛酸
尿囊酸 + H2O → 2尿素+乙醛酸
脲酶
水解
2尿素 → 4CO2 + NH4
排氨
植物、微生物
嘧啶的分解代谢
一般具有氨基的嘧啶需要先水解脱去氨基，可以在核苷或核苷酸的水平上进行。
胞嘧啶（C）的分解：
胞嘧啶脱氨酶
胞嘧啶 + H2O → 尿嘧啶 + NH3
尿嘧啶+胸腺嘧啶（U、T） 的分解：
二氢尿（胸腺）嘧啶脱氢酶
双键还原
NAD(P)H
尿嘧啶 + NAD(P)H + H+ Û 二氢尿嘧啶 + NAD(P)+
胸腺嘧啶 + NAD(P)H + H+ → 二氢胸腺嘧啶 + NAD(P)+
二氢嘧啶酶
水解开环
脲基
二氢尿嘧啶 + H2O Û β-脲基丙酸
二氢胸腺嘧啶 + H2O → β-脲基异丁酸
脲基丙酸酶
水解
β-脲基丙酸 + H2O → β-丙氨酸 + CO2 + NH3
β-脲基异丁酸 + H2O → β-氨基异丁酸 + CO2 + NH3
二、核苷酸的生物合成
1 概述
生物体能利用二氧化碳、甲酸盐、谷氨酰胺、天冬氨酸和甘氨酸作为合成嘌呤环的前体。
嘌呤核糖核苷酸的合成
嘌呤核糖核苷酸在体内有两条合成途径，即从头合成途径和补救途径。
从头代谢途径（de novo synthesis）： 不以现成的碱基为原料，以磷酸核糖、氨基酸、一碳单位、CO2等简单物质为原料，经一系列酶促反应，合成嘌呤核苷酸的过程。 主要的合成路径，主要在肝组织中进行，小肠黏膜和胸腺也可以。
肝 小肠黏膜和胸腺 细胞液
1. 次黄嘌呤核苷酸的合成 合成IMP
在5-磷酸核糖的基础上合成
第一阶段反应
磷酸核糖焦磷酸激酶
活化
ATP
5-磷酸核糖 + ATP → 5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）+AMP
磷酸核糖焦磷酸氨酰转移酶
谷氨酰胺+水
合成酶
甘氨酸+ATP
转甲酰基酶
N10-甲酰四氢叶酸
谷氨酰胺+ATP
合成酶（ATP）
成环C5
第二阶段反应
羧化酶
CO2+ATP
变位酶
裂合酶
天冬氨酸+ATP
转甲酰基酶
N10-甲酰四氢叶酸
合酶
成环C6
2. 腺嘌呤核苷酸的合成 鸟嘌呤核苷酸的合成 IMP→AMP、GMP
① 腺嘌呤核苷酸（AMP）的合成：
a．腺苷酸琥珀酸合成酶催化IMP与天冬氨酸合成腺苷酸琥珀酸。
标注
GTP
b．在腺苷酸琥珀酸裂解酶的催化下腺苷酸琥珀酸分解成腺嘌呤核苷酸和延胡索酸。
② 鸟嘌呤核苷酸（GMP）的合成：
a．IMP先由次黄嘌呤核苷酸脱氢酶催化，并需要NAD＋作为辅酶和钾离子激活，生成黄嘌呤。
b．黄嘌呤核苷酸再经氨基化生成鸟嘌呤核苷酸。需要ATP供给能量，所需酶为鸟嘌呤核苷酸合成酶。
标注
ATP
氨基供体：谷氨酰胺
嘌呤核苷酸生物合成的调节
磷酸核糖焦磷酸激酶 磷酸核糖焦磷酸氨酰转移酶
终产物（IMP、AMP、GMP）抑制
次黄嘌呤核苷酸分支途径的第一步反应 收各自终产物的抑制
脱氢酶
GMP
合成酶
AMP
补救合成途径（salvage pathway）： 利用游离的嘌呤或嘌呤核苷，经简单反应，合成嘌呤核苷酸的过程。 脑、骨髓等只能进行此途径。 意义：过程简单，减少能量和氨基酸的消耗，弥补一些组织不能从头合成嘌呤核苷酸的不足。 由嘌呤碱和核苷合成核苷酸
脑、骨髓等唯一途径
由嘌呤碱和核苷合成核苷酸（补救途径）：
补救途径是指利用体内已有的碱基和核苷合成核苷酸的过程。
两个途径
（1） 核苷激酶途径：
使腺苷酸核苷磷酸化，得到AMP
腺苷磷酸化酶
核苷磷酸化酶
腺苷酸激酶 （缺乏其他嘌呤核苷酸的激酶）
腺苷+ATP Û 核苷酸+ADP
（2） 磷酸核糖转移酶途径（重要途径）：
APRT： 腺嘌呤磷酸核糖转移酶
PRPP+A→AMP+PPi
HGPRT： 次黄嘌呤（鸟嘌呤）磷酸核糖转移酶
PRPP+G→GMP+PPi PRPP+I→IMP+PPi
重要途径
补救途径的意义：
a．节省从头合成时能量和氨基酸的消耗。
b．体内的某些组织器官，如脑、骨髓缺乏从头合成的酶系，只能进行补救合成。
Lesch-Nyhan综合征
子主题
（3）嘌呤核苷酸生物合成的调节：
嘌呤核苷酸的从头合成受终产物腺苷酸和鸟苷酸的反馈控制。主要控制点有三个：
① 第一个调控点：IMP合成途径中由磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶催化的反应，此反应是限速步骤。
5-磷酸核糖焦磷酸酰胺基转移酶是别构酶，受腺苷酸和鸟苷酸系列的反馈抑制，
PRPP浓度的增加可增强此酶的活性。
② 第二个调控点：IMP到AMP和GMP的分支途径上的第一步反应，分别受其终产物的反馈抑制。
③ 第三个调控点：PRPP激酶催化的PRPP合成的调节。
ADP和GDP反馈抑制PRPP激酶，限制了PRPP的合成。故当细胞内ATP/ADP的比值降低时，影响PRPP的生成，不利于嘌呤核苷酸的合成。
代谢亢进后，核苷酸合成减慢。
嘧啶核糖核苷酸的合成
（1）概述：
① 嘧啶环是由氨甲酰磷酸和天冬氨酸合成的。
② 嘌呤环核苷酸合成是在5-磷酸核糖上逐渐形成嘌呤环，而嘧啶核苷酸合成时首先形成嘧啶环，再与磷酸核糖结合成为乳清苷，然后生成尿嘧啶核苷酸。其他嘧啶核苷酸则由尿嘧啶核苷酸转变而成。
嘧啶环的来源
从头合成途径
前体物质氨甲酰磷酸的合成
标注
- 2ATP
谷氨酰胺 + CO3^2- + H2O + 2ATP Û 谷氨酸 + 氨甲酰基磷酸 + 2ADP + Pi
尿嘧啶核苷酸的合成 （五步反应）
转移酶
+天冬氨酸
二氢乳清酸酶
脱水缩合
二氢乳清酸
脱氢酶
脱氢酶
NADH
乳清酸
转移酶
乳清酸+5-磷酸核糖焦磷酸（PRPP）→乳清酸核苷酸
脱羧酶
UMP
胞嘧啶核苷酸的合成
核苷酸激酶
标注
ATP
UMP → UDP → UTP
核苷一磷酸转变为核苷三磷酸
核苷一磷酸激酶
核苷二磷酸可由核苷一磷酸被特异的核苷一磷酸激酶催化而生成，
尿苷一磷酸激酶
UMP+ATP→UDP+ADP
核苷二磷酸激酶
核苷二磷酸激酶的特异性很低，它可催化下列反应（以X和Y代表几种核糖核苷和脱氧核糖核苷）：
XDP+YTP Û XTP+YDP
由尿嘧啶核苷酸转变为胞嘧啶核苷酸 必须在尿嘧啶核苷三磷酸的水平上进行。
CTP合成酶
转氨
UTP+谷氨酰胺+ATP → CTP+谷氨酸+ADP
动物组织CTP合成反应式如下。
补救合成途径（salvage pathway） 由嘧啶碱和核苷合成核苷酸
可直接利用嘧啶碱和核苷生成嘧啶核苷酸。 尿嘧啶转变为尿嘧啶核苷酸有两种方式：
① 磷酸核糖转移酶途径：
尿嘧啶磷酸核糖转移酶
PRPP+U Û UMP+PPi
② 核苷磷酸化酶和尿苷激酶途径 （重要途径）：
尿苷磷酸化酶
核苷磷酸化酶
尿苷激酶
尿苷+ATP Û UMP+ADP
胞嘧啶不能直接与5-磷酸核糖焦磷酸反应， 但胞苷能被尿苷激酶催化形成胞嘧啶核苷酸。
胞苷+ATP Û CMP+ADP
主要
嘧啶核苷酸生物合成的调节
大肠杆菌中嘧啶核苷酸的生物合成在三个控制点上受到终产物的反馈控制：
天冬氨酸转氨甲酰酶
② 天冬氨酸转氨甲酰酶（主要调节位点）：受CTP的反馈抑制，被抑制将影响尿苷酸和胞苷酸的合成。
氨甲酰磷酸合成酶
① 氨甲酰磷酸合成酶：受UMP的反馈抑制。
CTP合成酶
③ CTP合成酶：受CTP的反馈抑制，只与胞苷酸的合成有关。
脱氧核糖核苷酸的合成
由碱基和脱氧核苷合成脱氧核苷酸
核苷磷酸化酶
脱氧核糖核苷激酶
微生物：脱氧核糖基转移酶
脱氧核糖核酸合成的前体是脱氧核糖核苷酸。生物体内脱氧核糖核苷酸可以由核糖核苷酸还原形成。
核糖核苷酸的还原
腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶均可被还原成相应的脱氧核糖核苷酸。通常核糖核苷酸是在核苷二磷酸水平上被还原的。 由核糖核苷酸还原酶体系催化，将核糖第二位碳原子的氧脱去，形成相应的脱氧核糖核苷酸，需要提供两个氢原子，NADPH是最终的氢供体。
核糖核苷酸还原酶
- NADPH
类型
I
核糖核苷酸还原酶（I）
结构
电子传递
NADPH>硫氧还蛋白（Cys-SH）>NDP
反应底物
4种NDP
别构效应物
ATP、
II
III
IV
NDP+NADPH → dNDP+H2O
dUDP迅速降解
生物体的dUTPase活性很高 防止其渗入DNA。
dUDP→dUMP
自由基反应
还原酶的精准调节
四种脱氧核苷二磷酸之间维持平衡
胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成
由尿嘧啶核糖核苷酸经还原形成尿嘧啶脱氧核糖核苷酸，再经甲基化而形成，甲基的供体是N5，N10-亚甲基四氢叶酸。
尿嘧啶5'C甲基化
m^5U
胸腺嘧啶脱氧核苷酸合成酶
dUMP+N5, N10-亚甲基四氢叶酸→二氢叶酸+dTMP
甲基供体
N5，N10-亚甲基四氢叶酸
三、辅酶核苷酸的生物合成
（1）烟酰胺核苷酸的合成：
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（即辅酶Ⅰ，NAD或DPN）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP或TPN）是含有烟酰胺的两种腺嘌呤核苷酸的衍生物。它们为脱氢酶的辅酶，在生物氧化还原系统中起着氢传递体的作用。
NAD＋和NADP＋是由色氨酸、烟酸或烟酰胺作为起始物，消耗ATP且在酶的催化下经过一系列反应合成。
烟酰胺 + PRPP + ATP → 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 + 2PPi
（2）黄素核苷酸的合成：
黄素核苷酸是核黄素的衍生物，作为氧化还原酶的辅基，起传递氢和电子的作用。核黄素经ATP磷酸化即得FMN（黄素单核苷酸），FMN再从第二分子ATP取得一个AMP单位即得FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）。
核黄素+ATP→FMN+ADP
① 黄素单核苷酸（异咯嗪单核苷酸，FMN）：
FMN+ATP→FAD+PPi
② 黄素腺嘌呤二核苷酸（异咯嗪腺嘌呤二核苷酸，FAD）：
在此反应中所释放的焦磷酸完全来自ATP。
（3）辅酶A的合成：
辅酶A（CoA或CoA-SH）是酰基转移酶的辅酶。分子中含有腺苷酸、泛酸、巯基乙胺和磷酸，它们连接的方式是3-磷酸-ADP-泛酰-巯基乙胺。辅酶A是酰基转移酶的辅酶。
酶促反应总结
代谢的物料总结
糖代谢
脂质代谢
蛋白质的降解和氨基酸的代谢
核酸的降解和核苷酸的代谢
中心法则
DNA
DNA复制
损伤修复
突变
RNA
转录
RNA
基团转移 活化与抑制
活化方式 （-OH）
磷酸化<焦磷酸化<腺苷酰基化,
生物分子与载体结合
子主题
抑制方式 (N, O, C)
DNA
修饰类型
甲基化
羟甲基化
实例
(h)m5U→T (h)m5C
常见
m6A
RNA
m^7G 2'-嘌呤核苷甲基化
其他
羧基化
与Ca2+有关
4-羧基谷氨酸
羟基化
纤维蛋白共价交联，与机械结构的形成有关
5-羟赖氨酸
代谢
分解代谢
水解
磷酸解
合成代谢
合成原料的活化形式
糖类
1-磷酸葡萄糖
UDP-葡萄糖
脂类
乙酰CoA
丙二酸单酰CoA
甘油-3-磷酸
CDP-二酰甘油
CDP-胆碱
CDP-乙醇胺
蛋白质
氨酰-tRNA
核酸
5'-AMP-DNA
DNA连接酶
抑制
通用总结
羰基的产生
脱氢酶（电子传递）
双键
FADH2
水合羟基
脱氢羰基
NADH
酰基（X-SH，酰基转移）
指的是无机或有机含氧酸除去羟基后所余下的原子团。
氨基的转移
转氨酶（PLP）
碳氨基→酮基
合成酶 裂解酶
裂合
氨基供体
天冬氨酸
谷氨酰胺
ATP
酮基→碳氨基
可逆与不可逆的判断
不可逆
底物产生气体或沉淀
如，脱羧
活化
电子传递
NADPH>FADH2>NADH>FMNH2>[Fe-S]> QH2>Cytb>[2Fe-2S]>Cytc>Cu+>Cyta>水