《生物细胞代谢专题思维导图》
一、总览
1.1. 代谢定义与意义
- 定义：细胞内发生的全部有序化学反应的总称。
- 意义：
- 维持生命活动的基础：提供能量、合成细胞组成成分、清除代谢废物。
- 适应环境变化：调节代谢途径，应对不同环境条件。
- 细胞生长与繁殖：提供构建新细胞的物质和能量。
1.2. 代谢类型
- 根据能量来源：
- 光能自养型：利用光能，以无机物为碳源（如植物、蓝藻）。
- 化能自养型：利用化学能，以无机物为碳源（如硝化细菌）。
- 光能异养型：利用光能，以有机物为碳源（较少）。
- 化能异养型：利用化学能，以有机物为碳源（如动物、真菌、大部分细菌）。
- 根据电子受体：
- 需氧型：以氧气为最终电子受体。
- 厌氧型：以无机物（如硝酸盐、硫酸盐）或有机物为最终电子受体。
1.3. 代谢过程分类
- 分解代谢（异化作用）：
- 复杂有机物分解为简单无机物或有机物。
- 释放能量（放能反应）。
- 如呼吸作用、发酵。
- 合成代谢（同化作用）：
- 简单无机物或有机物合成为复杂有机物。
- 消耗能量（吸能反应）。
- 如光合作用、蛋白质合成。
1.4. 代谢调控
- 酶的活性调节：
- 别构调节：通过小分子与酶的别构位点结合，改变酶的活性。
- 共价修饰：通过磷酸化、乙酰化等修饰，改变酶的活性。
- 酶的诱导与阻遏：通过改变基因表达，影响酶的合成量。
- 代谢途径的调节：
- 反馈抑制：终产物抑制代谢途径中的关键酶。
- 前馈激活：途径的早期产物激活下游酶。
- 激素调节：
- 胰岛素、胰高血糖素等激素通过信号转导，调节糖类代谢。
- 神经调节：
- 自主神经系统影响某些代谢过程。
- 细胞区室化：将不同的代谢途径分隔在不同的细胞器中，防止干扰。
二、重要代谢途径
2.1. 糖代谢
- 糖酵解（无氧呼吸第一阶段）：
- 场所：细胞质基质。
- 过程：葡萄糖分解为丙酮酸，产生少量ATP和NADH。
- 关键酶：己糖激酶、磷酸果糖激酶。
- 有氧呼吸：
- 场所：细胞质基质（第一阶段）、线粒体基质（第二阶段）、线粒体内膜（第三阶段）。
- 过程：
- 第一阶段（丙酮酸氧化脱羧）：丙酮酸氧化为乙酰CoA，产生CO2和NADH。
- 第二阶段（三羧酸循环）：乙酰CoA进入三羧酸循环，彻底氧化为CO2，产生大量NADH、FADH2和少量ATP。
- 第三阶段（氧化磷酸化）：NADH和FADH2将电子传递给电子传递链，最终传递给氧气生成水，释放的能量用于ATP合成。
- 关键酶：丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合成酶、细胞色素氧化酶。
- 磷酸戊糖途径：
- 场所：细胞质基质。
- 功能：产生NADPH和戊糖磷酸， NADPH用于还原性生物合成，戊糖磷酸用于核酸合成。
- 糖异生：
- 场所：肝脏、肾脏的细胞质基质和线粒体。
- 过程：非糖物质（如丙酮酸、乳酸、甘油）转化为葡萄糖。
- 生理意义：维持血糖浓度。
- 糖原合成与分解：
- 糖原合成：葡萄糖合成糖原，储存于肝脏和肌肉中。
- 糖原分解：糖原分解为葡萄糖，释放到血液中。
2.2. 脂类代谢
- 脂肪酸合成：
- 场所：细胞质基质。
- 原料：乙酰CoA。
- 过程：乙酰CoA通过一系列酶促反应，延长碳链，生成脂肪酸。需要NADPH。
- 脂肪酸分解（β-氧化）：
- 场所：线粒体基质。
- 过程：脂肪酸被逐步氧化，每次减少两个碳原子，生成乙酰CoA，FADH2, NADH。
- 甘油三酯合成与分解：
- 甘油三酯合成：甘油和脂肪酸合成甘油三酯，储存于脂肪细胞中。
- 甘油三酯分解：甘油三酯分解为甘油和脂肪酸，释放到血液中。
- 胆固醇合成与代谢：
- 场所：肝脏。
- 胆固醇是细胞膜的重要组成成分，也是合成胆汁酸和类固醇激素的前体。
2.3. 蛋白质代谢
- 氨基酸代谢：
- 氨基酸脱氨基作用：去除氨基酸的氨基，生成α-酮酸和氨。
- 氨基酸转氨基作用：氨基从一个氨基酸转移到另一个酮酸，生成新的氨基酸。
- 尿素循环：肝脏将氨转化为尿素，排出体外。
- 蛋白质合成：
- 场所：核糖体。
- 过程：以mRNA为模板，按照遗传密码，将氨基酸连接成多肽链。
- 蛋白质分解：
- 蛋白酶体途径：泛素标记的蛋白质被蛋白酶体降解。
- 溶酶体途径：通过溶酶体内的水解酶降解蛋白质。
2.4. 核酸代谢
- 核苷酸合成：
- 从头合成途径：利用小分子前体合成核苷酸。
- 补救合成途径：利用已存在的核苷酸或核苷合成新的核苷酸。
- 核苷酸分解：
- 核苷酸分解为碱基、戊糖和磷酸。
- 嘌呤分解的最终产物是尿酸。
- DNA复制、转录、翻译涉及核酸代谢。
三、代谢异常与疾病
- 糖尿病：糖代谢紊乱，血糖升高。
- 高脂血症：脂类代谢紊乱，血脂升高。
- 痛风：嘌呤代谢紊乱，尿酸沉积。
- 苯丙酮尿症：苯丙氨酸代谢缺陷。
- 线粒体疾病：线粒体功能障碍，影响能量代谢。
四、代谢工程与应用
- 微生物代谢工程：利用基因工程改造微生物，提高目标产物的产量。
- 细胞代谢工程：改造细胞代谢途径，生产生物药物、生物材料等。
- 代谢组学：研究生物体内全部代谢物的种类和含量，用于疾病诊断和药物开发。
五、总结
细胞代谢是一个复杂而精密的调控网络，理解代谢过程对于理解生命活动和疾病机制至关重要。本思维导图旨在梳理细胞代谢的主要内容，帮助学习者构建完整的知识体系。