物质和能量代谢

第十六章细胞代谢和基因表达的调控细胞代谢包括物质代谢和能量代谢。

细胞代谢是一个完整统一的网络，并且存在复杂的调节机制，这些调节机制都是在基因表达产物（蛋白质或RNA）的作用下进行的。

重点：物质代谢途径的相互联系，酶活性的调节。

第一节物质代谢途径的相互联系细胞代谢的基本原则是将各类物质分别纳入各自的共同代谢途径，以少数种类的反应转化种类繁多的分子。

不同代谢途径可以通过交叉点上关键的中间物而相互转化，其中三个关键的中间物是G-6-P、丙酮酸、乙酰CoA。

一、糖代谢与脂代谢的联系1、糖转变成脂图糖经过酵解，生成磷酸二羟丙酮及丙酮酸。

磷酸二羟丙酮还原为甘油，丙酮酸氧化脱羧转变成乙酰CoA，合成脂肪酸。

2、脂转变成糖图甘油经磷酸化为3-磷酸甘油，转变为磷酸二羟丙酮，异生为糖。

在植物、细菌中，脂肪酸转化成乙酰CoA，后者经乙醛酸循环生成琥珀酸，进入TCA，由草酰乙酸脱羧生成丙酮酸，生糖。

动物体内，无乙醛酸循环，乙酰CoA进入TCA氧化，生成CO2和H2O。

脂肪酸在动物体内也可以转变成糖，但此时必需要有其他来源的物质补充TCA中消耗的有机酸（草酰乙酸）。

糖利用受阻，依靠脂类物质供能量，脂肪动员，在肝中产生大量酮体（丙酮、乙酰乙酸、β-羟基丁酸）。

二、糖代谢与氨基酸代谢的关系1、糖的分解代谢为氨基酸合成提供碳架图糖→丙酮酸→α-酮戊二酸+ 草酰乙酸这三种酮酸，经过转氨作用分别生成Ala、Glu和Asp。

2、生糖氨基酸的碳架可以转变成糖凡是能生成丙酮酸、α—酮戊二酸、琥珀酸、草酰乙酸的a.a，称为生糖a.a。

Phe、Tyr、Ilr、L ys、Trp等可生成乙酰乙酰CoA，从而生成酮体。

Phe、Tyr等生糖及生酮。

三、氨基酸代谢与脂代谢的关系氨基酸的碳架都可以最终转变成乙酰CoA，可以用于脂肪酸和胆甾醇的合成。

生糖a.a的碳架可以转变成甘油。

Ser可以转变成胆胺和胆碱，合成脑磷脂和卵磷脂。

动物体内脂肪酸的降解产物乙酰CoA，不能为a.a合成提供净碳架。

能量代谢的概念
能量代谢释义：生命最基本的特征之一。

包括物质代谢和能量代谢两个方面。

机体通过物质代谢，从外界摄取营养物质，同时经过体内分解吸收将其中蕴藏的化学能释放出来转化为组织和细胞可以利用的能量，人体利用这些能量来维持生命活动。

通常将在物质代谢过程中所伴随的能量的释放、转移、贮存和利用称为能量代谢。

按照国际单位系统的规定，法定能量计量单位是焦耳（joule，J）或千焦耳（kJ）。

在生理学上有关能量代谢的研究中，热量单位传统使用卡（cal）或千卡（kcal），1千卡是指能使1升纯水从15℃加热到16℃所需的能量。

卡和焦耳之间的换算关系是：1cal=4.187J或1J=0.23885cal。

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细胞内的有机物质代谢和能量合成作为生命体的最基本单位，细胞是一个复杂而神奇的微观生态系统。

它不仅能够有序地进行代谢和合成，并从外界环境中吸收和排泄物质，还能够产生和储存能量，从而维持生命活动的正常进行。

其中，有机物质代谢和能量合成是细胞内最为重要的两个过程。

一、有机物质代谢有机物质代谢是细胞内最为基本的代谢过程。

它包括有机物质的分解和合成两个方面。

1、有机物质的分解细胞内能够分解有机物质的主要酶是酶。

在代谢过程中，酶能够将复杂的有机物质分解为简单的代谢产物，以便于后续的利用。

例如，碳水化合物可以被分解成葡萄糖，脂肪可以被分解成脂肪酸和甘油，蛋白质可以被分解成氨基酸等。

有机物质分解的主要作用是产生能量，而产生的能量通常以ATP的形式储存。

其中，葡萄糖是最主要的能源物质。

在有氧条件下，葡萄糖会被分解成乳酸或二氧化碳和水，并释放出大量的能量。

而在无氧条件下，葡萄糖只能被分解成乳酸，产生的能量相对要少一些。

2、有机物质的合成有机物质的合成是指利用细胞内的低分子有机物质合成高分子有机物质的过程。

例如，氨基酸可以通过转氨酶催化途径合成蛋白质，脂肪酸可以通过酸性催化途径合成甘油三酯，葡萄糖可以通过糖原合成途径合成糖原等。

这些代谢产物都是细胞体内的基本物质，对于维持生命活动的正常进行非常重要。

二、能量合成生命活动必须依赖于能量。

而细胞体内最主要的能源分子就是ATP。

ATP是由核苷酸和三磷酸基团组成的三聚体，其中，三磷酸基团被认为是最为重要的能源。

1、ATP的合成途径ATP的合成有两种途径：光合作用和细胞呼吸。

光合作用是指绿色植物和光合细菌利用太阳能将二氧化碳和水合成有机物和氧气的过程，其中产生的ATP为化学合成的能量源。

而细胞呼吸是指细胞在有氧条件下将葡萄糖等有机物质分解成二氧化碳和水，并同时合成ATP的过程。

这一过程中，产生ATP的途径包括糖酵解和三氧化二磷氧化还原酶系统（呼吸链）。

2、ATP的维持和调节ATP是生命活动必不可少的能源分子，因此维持其水平相对稳定是非常重要的。

第二单元物质代谢和能量代谢第四章糖代谢二、生化术语1．中间代谢：通常指消化吸收的营养物质和体内原有的物质在一切组织和细胞中进行的各种化学变化。

2．糖原（glycogen）：动物细胞中葡萄糖的贮存形式。

肌糖原主要供给肌肉收缩时能量的需要，肝糖原主要维持血糖的稳定。

3．血糖：血液中的葡萄糖。

其水平的稳定对确保细胞执行正常功能具有重要意义（正常人的血糖值为每100ml血含有80～120mg葡萄糖）。

4．糖酵解（glycolysis）：在无氧条件下，由葡萄糖氧化分解转化为丙酮酸的过程。

5．发酵（fermentation）：指葡萄糖及其他有机物的厌氧降解过程，生成乳酸称乳酸发酵，生成乙醇称生醇发酵。

6．丙酮酸脱氢酶系（pyruvate dehydrogenase complex）：一种多酶复合体，分布在线粒体内膜上，催化丙酮酸氧化脱羧，生成乙酰辅酶A。

在大肠杆菌中，这种复合体包括3种酶（丙酮酸脱氢酶E1、和6种辅因子（TPP＋、硫辛酸、辅酶A、FAD、NAD 二氢硫辛酸转乙酰基酶E2、二氢硫辛酸脱氢酶E3）＋、Mg2+）。

7．三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle 简称TCA循环）：以乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸后再经一系列反应又重新生成草酰乙酸的环状途径。

该途径的第一个代谢物是柠檬酸，所以又称柠檬酸循环；柠檬酸含有三个羧基，故称三羧酸循环；德国科学家H.Krebs发现，又称Krebs循环。

8．回补反应（anaplerotic reaction）：三羧酸循环的中间代谢物也是其他物质生物合成的前体，当它们为了同化的目的而被移去时，必须进行“补充”或“填充”，才能维持TCA循环的正常进行。

如丙酮酸在丙酮酸羧化酶的催化下生成草酰乙酸反应。

9．乙醛酸循环（glyoxylate cycle）：存在于植物和微生物中，是将2个乙酰CoA转变成一分子草酰乙酸的环状途径。

循环中有乙醛酸，所以称乙醛酸循环。

能量代谢与物质代谢的关系
能量代谢与物质代谢之间存在密切的关系。

能量代谢是指人体在进行各种生理活动时所需的能量消耗，而物质代谢则是指人体对营养物质进行分解、吸收、利用和排泄的过程。

在物质代谢过程中，营养物质首先被分解为较小的分子，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等，这些分子进一步参与能量代谢过程。

例如，葡萄糖是细胞内主要的能量来源之一，通过糖酵解和三羧酸循环途径，最终产生三磷酸腺苷（ATP）供细胞使用。

脂肪酸也可以在有氧条件下被氧化为ATP，提供能量。

另一方面，能量代谢过程也受物质代谢的调节。

例如，当身体需要能量时，血糖水平降低，胰岛素水平下降，脂肪酸和胆固醇会进入血液，供能量使用。

而当人体处于饥饿状态时，能量代谢会降低，以减少能量的消耗，同时物质代谢也会相应减慢，降低对营养物质的需求量。

因此，能量代谢和物质代谢是相互依存、相互影响的过程，二者密切相关。

能量代谢提供人体生命活动所需的能量，而物质代谢则为能量代谢提供所需的营养物质。

只有两者协调平衡，人体才能保持正常的代谢状态。

1微生物的代谢微生物代谢包含微生物物质代谢和能量代谢。

1.1 微生物物质代谢微生物物质代谢是指发生在微生物活细胞中的各样分解代谢与合成代谢的总和。

1.1.1 分解代谢分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量。

—般可将分解代谢分为TP。

三个阶段：第一阶段是将蛋白质、多糖及脂类等大分子营养物质降解成氨基酸、单糖及脂肪酸等小分子物质；第二阶段是将第一阶段产物进一步降解成更加简单的乙酰辅酶 A 、丙酮酸以及能进入三羧酸循环的某些中间产物，在这个阶段会产生一些ATP、NADH 及 FADH2；第三阶段是经过三羧酸循环将第二阶段产物完好降解生成CO2，并产生ATP、NADH 及FADH2。

第二和第三阶段产生的ATP、NADH 及FADH2 经过电子传达链被氧化，可产生大批的 ATP。

1.1.1.1 大分子有机物的分解（ 1）淀粉的分解淀粉是很多种微生物用作碳源的原料。

它是葡萄糖的多聚物，有直链淀粉和支链淀粉之分。

一般天然淀粉中，直链淀粉约占20％，支链淀粉约占80％。

直链淀粉为α一 l、 4 糖苷键构成的直链分子；支链淀粉不过在支点处由α—1、6糖苷键连结而成。

微生物对淀粉的分解是由微生物分泌的淀粉酶催化进行的。

淀粉酶是一类水解淀粉糖苷键酶的总称。

它的种类好多，作用方式及产物也不尽同样，主要有液化型淀粉酶、糖化型淀粉酶（包含β—淀粉酶、糖化酶、异淀粉酶）。

以液化型淀粉酶为例，这种酶能够随意分解淀粉的。

α-l、4 糖苷键，而不可以分解α-1、 6 糖苷键。

淀粉经该酶作用此后，黏度很快降落，液化后变为糊精，最后产物为糊精、麦芽糖和少许葡萄糖。

因为这种酶能使淀粉表现为液化，淀粉黏度急速降落，故称液化淀粉酶；又因为生成的麦芽糖在光学上是α型，所以又称为“ α—淀粉酶。

（ 2）纤维素的分解纤维素是葡萄糖由β— 1，4 糖苷键构成的大分子化合物。

它宽泛存在于自然界，是植物细胞壁的主要构成成分。

名词解释能量代谢能量代谢是机体内部各种能量物质的转移和交换，它包括物质代谢、基本生命活动、内分泌功能以及生理性功能变化。

在能量代谢中，体温调节、水代谢、二氧化碳和无机盐代谢、糖类代谢和脂肪代谢等都属于机体内能量代谢。

能量代谢的主要特点有：1、能量代谢是由多个器官系统协调完成的，代谢产物主要经肾脏排出体外； 2、机体的能量来源为机体摄取的食物； 3、机体的能量消耗主要为非工作状态下的基础代谢和在运动状态下的有氧代谢，机体在生长发育期间，新陈代谢旺盛，基础代谢也较高，因此机体能量代谢强度大。

4、机体的能量来源与能量消耗相互之间具有平衡关系。

一、热能代谢二、水代谢：三、二氧化碳和无机盐代谢：指机体内与物质代谢有关的呼吸过程[gPARAGRAPH3]。

机体在进行物质代谢时产生的二氧化碳，可以由呼吸系统排出体外。

水代谢包括了体内液体的代谢，即体内水分的分布，吸收，排出，运输和利用。

通常情况下，水代谢在机体代谢中占很大比例，因为这种代谢是机体进行其他生命活动所必需的。

四、氧代谢：机体与外界环境进行物质交换，实现机体新陈代谢的过程称为呼吸，呼吸过程包括有氧呼吸和无氧呼吸两个阶段。

在有氧呼吸过程中，细胞在线粒体内将葡萄糖彻底氧化，并且放出大量能量，供给生命活动的需要。

而无氧呼吸过程则不同，它是在细胞质基质中，葡萄糖在酵解过程中被彻底氧化分解释放少量能量，以维持正常的生命活动。

在体内氧气不足或缺氧的情况下，线粒体内的一些细胞器能将部分氧气转变成二氧化碳，而其他细胞器如内质网和高尔基体能够直接将氧气转变成二氧化碳。

氧代谢主要为机体提供能量，一般情况下，人体能量代谢与氧代谢的速率保持一定比例。

但在运动中，机体对氧气的需求增加，这会导致氧代谢速率超过有氧代谢速率，从而使机体处于无氧状态。