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臨床執(zhí)業(yè)醫(yī)師考點：代謝總論
代謝是生物體內(nèi)所發(fā)生的用于維持生命的一系列有序的化學(xué)反應(yīng)的總稱。這些反應(yīng)進程使得生物體能夠生長和繁殖、保持它們的結(jié)構(gòu)以及對外界環(huán)境做出反應(yīng)。代謝通常被分為兩類：分解代謝可以對大的分子進行分解以獲得能量(如細(xì)胞呼吸);合成代謝則可以利用能量來合成細(xì)胞中的各個組分，如蛋白質(zhì)和核酸等。代謝可以被認(rèn)為是生物體不斷進行物質(zhì)和能量交換的過程，一旦物質(zhì)和能量的交換停止，生物體的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)就會解體。代謝又稱細(xì)胞代謝。
第一節(jié) 概述
一、定義
代謝(metabolism)又稱新陳代謝，是生物體內(nèi)所有化學(xué)變化的總稱。代謝是生命的基本特征。
代謝包括合成代謝和分解代謝，前者又稱同化作用，是指機體從環(huán)境中攝取營養(yǎng)物質(zhì)，把它們轉(zhuǎn)化為自身物質(zhì);后者又稱異化作用，是指機體將自身物質(zhì)轉(zhuǎn)化為代謝產(chǎn)物，排出體外。二者是相輔相成的，它們的平衡使生物體既保持自身的穩(wěn)定，又能不斷更新，以適應(yīng)環(huán)境。
二、代謝途徑
代謝過程是通過一系列酶促反應(yīng)完成的。完成某一代謝過程的一組相互銜接的酶促反應(yīng)稱為代謝途徑。代謝途徑有以下特點：
1.沒有完全可逆的代謝途徑。物質(zhì)的合成與分解，有的要完全不同的兩條代謝途徑(如脂肪酸的代謝);有的要部分地通過單向不可逆反應(yīng)(如糖代謝)。
2.代謝途徑的形式是多樣的，有直線型的，有分支型的，也有環(huán)形的。
3.代謝途徑有確定的細(xì)胞定位。酶在細(xì)胞內(nèi)有確定的分布區(qū)域，所以每個代謝過程都是在確定的區(qū)域進行的。例如，糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進行，三羧酸循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進行，氧化磷酸化在線粒體內(nèi)膜進行。
4.代謝途徑是相互溝通的。各個代謝途徑之間，可通過共同的中間代謝物而相互交叉，也可通過過渡步驟相互銜接。這樣各種代謝途徑就聯(lián)系起來，構(gòu)成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)，各種物質(zhì)的代謝可以協(xié)調(diào)進行，某些物質(zhì)還可相互轉(zhuǎn)化。
5.代謝途徑之間有能量關(guān)聯(lián)。通常合成代謝消耗能量，分解代謝釋放能量，二者通過ATP等高能化合物作為能量載體而連接起來。
6.代謝途徑的流量可調(diào)控。機體在不同的情況下需要不同的代謝速度，以提供適量的能量或代謝物。這是通過控制物質(zhì)代謝的流量來實現(xiàn)的。因為代謝是酶促過程，所以可通過控制酶的活力與數(shù)量來實現(xiàn)。每個代謝途徑的流量，都受反應(yīng)速度最慢的步驟的限制，這個步驟稱為限速步驟，或關(guān)鍵步驟，這個酶稱為限速酶或關(guān)鍵酶。限速步驟一般是代謝途徑或分支的第一步，這樣可避免有害中間產(chǎn)物的積累。限速步驟一般是不可逆反應(yīng)，其逆過程往往由另一種酶催化。限速酶的活性甚至數(shù)量，往往受到多種機制的調(diào)節(jié)，最普遍的是反饋抑制，即代謝終產(chǎn)物的積累對限速酶產(chǎn)生抑制。
第二節(jié) 合成代謝
一、階段性和趨異性
生物分子結(jié)構(gòu)的多層次性決定了合成代謝的階段性。首先由簡單的無機分子(CO2、NH3、H2O等)合成生物小分子(單糖、氨基酸、核苷酸等)，再用這些構(gòu)件合成生物大分子，進而組裝成各種生物結(jié)構(gòu)。
趨異性是指隨著合成代謝階段的上升，傾向于產(chǎn)生種類更多的產(chǎn)物。
二、營養(yǎng)依賴性
人類不能從無到有合成所有的生物分子。那些不能自己合成，只能從食物中攝取的物質(zhì)，稱為是必需的。如氨基酸中有10種是必需氨基酸，維生素和某些高不飽和脂肪酸也是必需的。嚴(yán)格說，糖是非必需的。
三、需要能量推動
合成代謝需要消耗能量。合成生物小分子的能量直接來自ATP和NADPH，合成生物大分子直接來自核苷三磷酸。
合成代謝所需的能量主要用于活化前體或構(gòu)件分子，以及用于還原步驟等。
四、信息來源
生物大分子有兩種組裝模式：
1.模板指導(dǎo)組裝核酸和蛋白質(zhì)的合成，都以先在的信息分子為模板。如DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及反轉(zhuǎn)錄、翻譯都是在模板指導(dǎo)下的聚合過程。所需的信息存在于模板分子的構(gòu)件序列中，能量來自活化的構(gòu)件分子或ATP等。生物大分子形成高級結(jié)構(gòu)并構(gòu)成亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)是自我組裝過程，其信息存在于一級結(jié)構(gòu)中，其能量來自非共價作用力，即組裝過程中釋放的自由能。
2.酶促組裝有些構(gòu)件序列簡單均一的大分子通過酶促組裝聚合而成。其信息指令來自酶分子，不需要模板。如糖原、肽聚糖、一些小肽等，都在專一的酶指導(dǎo)和催化下合成。
第三節(jié) 分解代謝
一、階段性和趨同性
生物大分子的分解有三個階段：水解產(chǎn)生構(gòu)件分子、氧化分解產(chǎn)生乙酰輔酶A、氧化成二氧化碳和水。在這個過程中，隨著結(jié)構(gòu)層次的降低，傾向產(chǎn)生少數(shù)共同的分解產(chǎn)物，即具有趨同性。
二、意義
分解代謝的各個階段都是釋放能量的過程。第一階段放能很少。第二階段約占三分之一，可推動ATP和NADPH的合成，它們可作為能量載體向體內(nèi)的耗能過程提供能量。第三階段通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化釋放其余的能量，主要用于ATP的合成。三羧酸循環(huán)形成二氧化碳和還原輔酶，后者在氧化磷酸化過程中釋放能量，形成ATP和水。
第四節(jié) 代謝中的能量與調(diào)控
一、代謝與能量
1.有關(guān)定律
**熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律
**熱力學(xué)第二定律：熵定律
**自由能：ΔG=ΔH—TΔS，<0為自發(fā)。
自由能表示系統(tǒng)中總能量，對于化學(xué)反應(yīng)與每一組分的化學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)，變化為負(fù)值表示由不穩(wěn)定的化學(xué)能高的狀態(tài)變成低能狀態(tài)，是放能反應(yīng)。
ΔG0是標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，各物質(zhì)的濃度都是1mol/L，其值為2.303RTlogK。生化中常用ΔG0’，即pH=7時的值。
2.ATP及其偶聯(lián)作用
生物體內(nèi)的放能和需能反應(yīng)經(jīng)常以ATP相偶聯(lián)。ATP可分解為ADP或AMP。前者如各種激酶，后者如乙酰輔酶A的合成。反應(yīng)過程中有的由一個酶催化，如谷氨酰胺合成酶，先生成磷酰谷氨酸中間物，它是谷氨酸的活化形式，再與氨反應(yīng);有的需多個酶參與，如蔗糖的合成需3個酶，首先生成葡萄糖6磷酸的活化形式;也有的沒有ATP直接參與，如蘋果酸生成草酰乙酸，是需能反應(yīng)，利用下一步由草酰乙酸生成檸檬酸時高能硫酯鍵放能促進其反應(yīng)。
3.其它高能化合物
UTP參與多糖合成，CTP參與脂類合成，GTP參與蛋白質(zhì)合成。
烯醇酯、硫酯等也是高能化合物，如磷酸烯醇式丙酮酸、乙酰輔酶A等。高能化合物根據(jù)鍵型可分為磷氧鍵型、氮磷鍵型、硫酯鍵型、甲硫鍵型等，絕大多數(shù)含磷酸基團。
磷酸肌酸和磷酸精氨酸可通過磷酸基團的轉(zhuǎn)移作為儲能物質(zhì)，稱為磷酸原。磷酸肌酸是易興奮組織如肌肉、腦、神經(jīng)等唯一能起暫時儲能作用的物質(zhì)ΔG0’為-10.3千卡/摩爾，是ATP的能量儲存庫。肌肉中的含量比ATP高3-4倍，可維持ATP水平的恒定。磷酸精氨酸是無脊椎動物肌肉中的儲能物質(zhì)，與磷酸肌酸類似。
二、代謝調(diào)節(jié)
代謝過程是一系列酶促反應(yīng)，可通過酶活性和數(shù)量進行調(diào)節(jié)。如別構(gòu)調(diào)節(jié)、共價調(diào)節(jié)、同工酶、誘導(dǎo)酶、多酶體系等調(diào)節(jié)。此外，神經(jīng)和激素的調(diào)節(jié)也起著重要作用。
代謝是動態(tài)的。生物體內(nèi)總是同時進行著分解代謝與合成代謝，分解老化的生物分子并合成新的分子來代替。即使體重保持不變，代謝也在不斷地進行。
名詞解釋：
分解代謝反應(yīng)(catabolic reaction)：降解復(fù)雜分子為生物體提供小的構(gòu)件分子和能量
代謝反應(yīng)。
合成代謝反應(yīng)(anablic reaction)：合成用于細(xì)胞維持和生長所需分子的代謝反應(yīng)。
反饋抑制(feedback inbition)：催化一個代謝途徑中前面反應(yīng)的酶受到同一途徑終產(chǎn)物抑制的現(xiàn)象
前饋激活(feed-forward activition)：代謝途徑中一個酶被該途徑中前面產(chǎn)生的代謝物激活的現(xiàn)象。
標(biāo)準(zhǔn)自由能變化(△GO)：相應(yīng)于在一系列標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度298K，壓力1atm(=101.325KPa),所有溶質(zhì)的濃度都是不是mol/L)下發(fā)生的反應(yīng)自由能變化�！鱃O′表示pH7.0條件下的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。
標(biāo)準(zhǔn)還原電動勢(EO′)：25℃和pH7.0條件下，還原劑和它的氧化形式在1mol/L濃度下表現(xiàn)出的電動勢.
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