生物能學與生物氧化

1、第五章 代謝引論和生物能學概述,主要內容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，生物能力學的基本內容和高能化合物的概念和特點,思考,返回,第一節(jié) 代謝通論總論,一、新陳代謝概念 二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位 三、新陳代謝的調節(jié) 四、代謝中常見的有機反應,一、新陳代謝的概念,新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進行物質交換、能量交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質，通過一系列生物反應轉變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂

2、異化作用（dissimilation ），通過上述過程不斷地進行自我更新。 特點：特異、有序、高度適應和靈敏調節(jié)、代謝途徑逐步進行,新陳代謝的概念及內涵,小分子 大分子 合成代謝（同化作用） 需要能量 釋放能量 分解代謝（異化作用） 大分子 小分子,物質代謝,能量代謝,新陳代謝,信息交換,生物界能量傳遞及轉化總過程,太 陽,電子傳遞,合成,分解,電子傳遞,光合作用,呼吸作用,生命現(xiàn)象,自養(yǎng)細胞,異養(yǎng)細胞,ATP,ADP,CH2O) +O2,CO2) +H2O,ATP,ADP,光 能,電 能,化 學 能,化 學 能,電 能,化 學 能,三、新陳代謝的調節(jié),分子水平 細胞水平 整體水平,生物機體的

3、新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調配合，關鍵在于它存在有精密的調節(jié)機制。代謝的調節(jié)使生物機體能適應其內、外復雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精密的調節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。 代謝調節(jié)可分為三個不同水平,四、代謝中常見的有機化學反應機制,基團轉移反應 氧化-還原反應 消除、異構化和重排反應 碳-碳鍵的形成與斷裂反應,五 新陳代謝研究方法,一、同位素示蹤法 二、酶抑制劑的應用 三、氣體測量法 四、核磁共振波譜法 五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑,第二節(jié) 生物能學,一、有關熱力學的一些基本概念 二、自由能的概念 三、化學反應中自由能的變化和意義 四、生物體的能流和能量產生的三個階段,一、

4、有關熱力學的一些基本概念,體系、環(huán)境、狀態(tài) 能的兩種形式 熱與功 熱力學第一定律和內能(internal energy)、焓(enthalpy) 熱力學第二定律和熵(entropy) 自由能(free energy,二、自由能（free energy,物理意義：* (體系中能對環(huán)境作功的能量) 自由能的變化能預示某一過程能否自發(fā)進行，即： G0，反應不能自發(fā)進行 G=0，反應處于平衡狀態(tài),自由能的概念對于研究生物化學過程的力能學具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內化學反應釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內某一過程能否自發(fā)進行，而且還可

5、以利用自由能這個函數(shù)來計算反應的其它有用參數(shù),三、 化學反應中自由能的變化和意義,1、化學反應的自由能變化的基本公式 =H-TS 2、化學反應自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關系 3、偶聯(lián)化學反應G變化的可加性 4、能量學用于生物化學反應中的一些規(guī)定,化學反應自由能的變化和平衡常數(shù)的關系,假設有一個化學反應式：aA + bB = cC + dD 恒溫恒壓下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq,例：計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化,G 某一化學反應隨參加化學反應物質的濃度、發(fā)生化學反應的pH和溫度而改變的自由能變化。 Qc - 濃度商,G 標準條件（T=298OK,大氣壓為1

6、atm,反應物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學反應自由能的變化。 Keq - 平衡常數(shù),化學反應自由能的變化和氧化-還原電勢的關系,氧化-還原反應自由能的變化與標準電勢的關系如下： G=nFE,任何一個氧化-還原反應，在理論上都可以構建成一個原電池。 氧化-還原物質連在一起，都可以有氧化-還原電勢產生，任何氧 還電對都有其特定的標準電勢原(E0)，電池的標準電動勢可用下 式計算： 0（ E0 ） = E0正極-E0負極,生物體內的氧化還原物質在進行氧化-還原反應時，基本原理 和原電池一樣,例：計算NADH氧化反應的G,氧化-還原反應自由能的變化與標準電勢的關系如下： 0（ E

7、0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq,原電池示意圖,E0 = E0正極-E0負極=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V,負極反應: Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V,正極反應: Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V,計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化,達平衡時 =Keq=19,解,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.

8、MOL-1,未達平衡時 =Qc=0.1,反應G-1-PG-6-P在380C達到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應未達到平衡，設G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應的 G是多少,例題,例題：計算下反應式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正極反應：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 負極反應：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,3、偶聯(lián)化學反應G變化的可加性,在偶聯(lián)的化學反應中，各反應的標準自由能變化是可以相加的：例：

9、 A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 則 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,該規(guī)則表明一個在熱力學上不利的反應，可以與熱力學有利的反應偶聯(lián)進行，即可以被熱力學有利的反應所驅動而進行。這在生物化學反應中是很多的,4、能量學用于生物化學反應中的一些規(guī)定,1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應物或產物時， 水的濃度（近似的即活度）為1.0。 2、生物體標準狀況的pH規(guī)定為7.0。 3、 G是 pH為7.0時的標準狀況下的的標準自由能。 4、根據(jù)國際單位制(Le Systeme international Unut

10、 ，簡稱 SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol,生物系統(tǒng)中的能流,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化,蛋白質,脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e,磷酸化,Pi,小分子化合物分解成共同的中間產物（如丙酮酸、乙酰CoA等,共同中間物進入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中,大分子降解成基本結構單位,生物體內能量產生的三個階段,第五節(jié) 高能化合物,一、高能化合物的類型 二、ATP的特點及其特殊作用,生化反應中，在水解時或基團轉移反應中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化

11、合物,高能化合物類型,ATP的特點,在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩爾,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP在能量轉運中地位和作用,ATP是細胞內的“能量通貨” ATP是細胞內磷酸基團轉移的中間載體,第三節(jié) 生物氧化,一、生物氧化概述 （一）生物氧化的概念 概念：有機物質在體內氧化分解產生CO2、H2O 并釋放能量

12、產生ATP的過程。生物氧化在組織細胞內進行，消耗O2， 產生CO2，故稱呼吸作用,二）生物氧化的歷程 細胞內有機物的徹底氧化分解大體上要經(jīng)過三個階段。脫氫被還原。物質在酶促作用下分解，并將所攜帶的電子和氫質子轉移到氧化型的輔酶如NAD+ 或FAD上，使其轉變成還原性的NADH + H+或FADH2；傳遞并氧化。這些還原型的輔酶通過一系列的電子傳遞載體最終將電子傳遞給O2；偶聯(lián)磷酸化。是伴隨著電子傳遞過程產生能量物質ATP,三）生物氧化的特點（與體外的化學氧化） 1.在活細胞內進行，作用條件溫和。通常在常溫、常壓、pH接近中性及有水環(huán)境中進行； 2. 有許多酶參加； 3. 分階段進行，能量逐步釋

13、放； 4. 所釋放的能量大多以高能鍵的形式先貯存在一些特殊的高能化合物中，如ATP,二、生物氧化中 CO2的生成 （一）體內生成CO2的特點 糖、脂、蛋白質等有機物轉變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 （二）有機酸的脫羧方式,三、生物氧化中H2O的生成 （一）H2O生成的一般原理 水的生成是通過生物氧化體系來實現(xiàn)的。生物氧化體系是由脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成。最重要的生物氧化體系是呼吸鏈,二）呼吸鏈 1.概念： 代謝物上的氫原子被脫氫酶脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧，而生成水的全部體系的體系。也稱電子傳遞鏈。 2.組成和類型 （1）組成 煙酰胺脫氫酶類

14、以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶，目前已者達200種以上,NAD(P)+2H NAD(P)H+H,黃素脫氫酶類 以FMN或FAD為輔基的脫氫酶，重要的黃素脫氫酶有琥珀酸脫氫酶（FAD）、脂酰CoA脫氫酶（FAD）、NADH脫氫酶（FMN）。 MH2+E-FMN(FAD) E-FMNH2(E-FADH2)+M,鐵硫蛋白類(Fe-S) 存在于線粒體上的一種電子傳遞蛋白質，其分子中含有非卟啉鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，鐵和硫構成等量關系（Fe2S2, Fe4S4 )形成鐵硫中心，通常簡寫為Fe-S。其作用是借鐵硫中心內鐵化合價的轉變而傳遞電子作用。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2,輔酶Q類（泛醌類）

15、為脂溶性的醌類化臺物。因廣泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌結構能可逆地加氫還原而形成對苯二酚衍生物，具有遞氫作用,細胞色素類（Cyt類） 是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質，在呼吸鏈中，也依靠鐵的化合價的變化而傳遞電子。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+ 目前，發(fā)現(xiàn)至少有5種不同的Cyt，它們在典型呼吸鏈中排列順序是bc1caa3,2)類型 NADH呼吸鏈,FADH2呼吸鏈,3.呼吸鏈中4個蛋白質復合體,4.呼吸鏈中傳遞體的順序 （1）傳遞順序,2）特異阻斷劑 NADHCoQ CoQCytc1 Cytaa3O2,四、ATP的生成氧化磷酸化 （一）底物水平磷酸化（5） 在被氧化的底物上發(fā)生的磷酸化作用。如磷酸甘油酸激酶 （二）電子傳遞體系磷酸化（95）氧化磷酸化,二）電子傳遞體系磷酸化（95）氧化磷酸化 1.概念：電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧形成水，同時伴有ADP磷酸化為ATP的過程。 2.偶聯(lián)作用和偶聯(lián)部位,NADH CoQ CoQ Cytc Cytaa3 O2 3.P/O 指每消耗1摩爾氧所消耗無機磷酸的摩爾數(shù)。NADH呼吸鏈P/O理論數(shù)3，F(xiàn)ADH2呼吸鏈P/O理論數(shù)2；NADH呼吸鏈P/O實際數(shù)2.5；FADH2呼吸鏈P/O實際數(shù)1.5,4.氧化磷酸化作用機制 關