5生物能學(xué)與生物氧化

1、第五章第五章 代謝引論和生物能學(xué)概述代謝引論和生物能學(xué)概述 主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，生物能力學(xué)的基本內(nèi)和研究方法，生物能力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特點。容和高能化合物的概念和特點。思考思考第一節(jié)第一節(jié) 代謝通論總論代謝通論總論一、一、新陳代謝新陳代謝概念概念二、能量代謝在新陳代謝中的二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位重要地位三、新陳代謝的三、新陳代謝的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)四、代謝中四、代謝中常見的有機反應(yīng)常見的有機反應(yīng) 一、新陳代謝的概念一、新陳代謝的概念 新陳代謝新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，）是生命最基本的特征之一，泛指生物

2、與周圍環(huán)境進行泛指生物與周圍環(huán)境進行物質(zhì)交換物質(zhì)交換、能量交換能量交換和和信息交換信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)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(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（外，即所謂異化作用（dissimilation ），通過上述過程不），通過上述過程不斷地進

3、行自我更新。斷地進行自我更新。 特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進行徑逐步進行新陳代謝的概念及內(nèi)涵新陳代謝的概念及內(nèi)涵 小分子小分子 大分子大分子合成代謝合成代謝（同化作用）（同化作用） 需要能量需要能量 釋放能量釋放能量分解代謝分解代謝（異化作用）（異化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物質(zhì)質(zhì)代代謝謝能能量量代代謝謝新新陳陳代代謝謝信信息息交交換換生生物物界界能能量量傳傳遞遞及及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化總總過過程程太太 陽陽電子傳遞電子傳遞合成合成分解分解電子傳遞電子傳遞光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命現(xiàn)現(xiàn)象象自自養(yǎng)養(yǎng)細(xì)細(xì)胞胞異異養(yǎng)養(yǎng)細(xì)

4、細(xì)胞胞atpadp(ch2o)+o2(co2)+h2oatpadp（光（光 能）能）（電（電 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）（電（電 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）生物合成生物合成機機 械械 功功主動運輸主動運輸生物發(fā)光生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)電生物發(fā)熱生物發(fā)熱三、新陳代謝的調(diào)節(jié)三、新陳代謝的調(diào)節(jié) 分子水平分子水平 細(xì)胞水平細(xì)胞水平 整體水平整體水平 生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機體能適應(yīng)其

5、內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精機體能適應(yīng)其內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。密的調(diào)節(jié)機制是生物在長期演化中獲得的。 代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：四、代謝中常見的有機化學(xué)反應(yīng)機制四、代謝中常見的有機化學(xué)反應(yīng)機制 基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)基團轉(zhuǎn)移反應(yīng) 氧化氧化- -還原反應(yīng)還原反應(yīng) 消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng)消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng) 碳碳- -碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)五五 新陳代謝研究方法新陳代謝研究方法一、同位素示蹤法一、同位素示蹤法二、酶抑制劑的應(yīng)用二、酶抑制劑的應(yīng)用三、氣體測量法三、氣體測量法四、核磁共振波譜

6、法四、核磁共振波譜法五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑第二節(jié)第二節(jié) 生物能學(xué)生物能學(xué)一、有關(guān)熱力學(xué)的一些一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念基本概念二、二、自由能自由能的概念的概念三、三、化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義中自由能的變化和意義四、生物體的四、生物體的能流能流和能量產(chǎn)生的和能量產(chǎn)生的三個階段三個階段一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念 體系、環(huán)境、狀態(tài)體系、環(huán)境、狀態(tài) 能的兩種形式能的兩種形式 熱與功熱與功 熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internal energy)、焓、焓(enthalpy) 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定

7、律和熵(entropy) 自由能自由能(free energy)二、自由能（二、自由能（free energyfree energy）物理意義：物理意義：* * ( (體系中能對環(huán)境作功的能量體系中能對環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即：自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進行，即： g0g0g0，反應(yīng)不能自發(fā)進行，反應(yīng)不能自發(fā)進行 g=0g=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放

8、的能量也體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)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(nèi)某一過程能否自發(fā)正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。進行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。三、三、 化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義1、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式 =h-ts=h-ts2、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)平衡常數(shù)和和電勢電勢的關(guān)系的關(guān)系3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)gg

9、變化的變化的可加性可加性4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定規(guī)定化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系 假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：aa + bb = cc + ddaa + bb = cc + dd 恒溫恒壓下：恒溫恒壓下：g=gg=g+ rtlnqc + rtlnqc 式中：式中：gg= - rtlnkeq= - rtlnkeq例例：計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化：計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化badccbadcq g g 某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)

10、反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的的phph和溫度而改變的自由能變化。和溫度而改變的自由能變化。 qc - qc - 濃度商：濃度商：badcbadckeq gg 標(biāo)準(zhǔn)條件（標(biāo)準(zhǔn)條件（t=298t=298o ok,k,大氣壓為大氣壓為1atm,1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/l,ph=7.01mol/l,ph=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。 keq - keq - 平衡常數(shù)：平衡常數(shù)：化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化- -還原電勢的關(guān)系還原電勢的關(guān)系 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：還原反應(yīng)自由能的

11、變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： g=nfe 任何一個氧化任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池原電池。氧化氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原(e0)，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下式計算：式計算： 0（ e0 ） = e0正極正極-e0負(fù)極負(fù)極 生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進行氧化生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進行氧化-還原反應(yīng)時，基本原理還原反應(yīng)時，基本原理和原電池一樣。和原電池一樣。例例：計算：計算nadhna

12、dh氧化反應(yīng)的氧化反應(yīng)的gg 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： 0（ e0 ） = (rt/nf)lnkeq = 2.3 (rt/nf)lgkeq 原原電電池池示示意意圖圖e0 = e0正極正極-e0負(fù)極負(fù)極=+0.34v -(-0.76v)=+1.10v 負(fù)極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng): zn=zn2+2e e0 zn2+/ zn= - 0.76v正極反應(yīng)正極反應(yīng): cu=cu2+2e e0 cu2+/ cu=+ 0.34v 檢流計檢流計鹽橋鹽橋znso4cuso4e+ +- -計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由

13、能變化達平衡時達平衡時 =keq=19解：解：gg= - rtlnkeq= - rtlnkeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6kj.mol-1g=gg=g+ rtlnqc (+ rtlnqc (qc-qc-濃度商濃度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6kj.mol-1 =-13.6kj.mol-1未達平衡時未達平衡時 =qc=0.1反應(yīng)反應(yīng)g-1-pg-6-p在在380c達到平衡時，達到平衡時， g-1-p占占5%

14、，g-6-p占占95%，求，求 g0 。如果反應(yīng)未達到平。如果反應(yīng)未達到平衡，設(shè)衡，設(shè)g-1- p=0.01mol.l， g-6-p=0.001mol.l，求反應(yīng)的求反應(yīng)的 g 是多少？是多少？例題：例題：例題：計算下反應(yīng)式例題：計算下反應(yīng)式ggnadh+hnadh+h+ +1/2o+1/2o2 2=nad=nad+ +h+h2 2o o正極反應(yīng)：正極反應(yīng)：1/2o1/2o2 2+2h+2h+ +2e +2e h h2 2o o e e+ + 0.820.82負(fù)極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：nadnad+ +h+h+ +2e +2e nadhnadh e e- - -0.3 -0.3gg -nfe-nfe

15、 -2-296485964850.82-(-0.32)0.82-(-0.32) -220 kj-220 kjmolmol-1-1 3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)gg變化的可加性變化的可加性 在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的：例：相加的：例： a = b+c gg= + 20.92 kj/mol= + 20.92 kj/mol b = d gg= - 33.47 kj/mol= - 33.47 kj/mol 則則 a = c + d gg= - 12.55 kj/mol= - 12.55 kj/mol 該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上

16、不利的反應(yīng)，可以與熱力該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。驅(qū)動而進行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)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(yīng)物或產(chǎn)物時，、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度（近似的即活度）為水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的ph規(guī)定為規(guī)定為7.0。3、 gg是是 ph為為7.0時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能

17、。時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4、根據(jù)國際單位制、根據(jù)國際單位制(le systeme international unut ，簡稱，簡稱si單位單位)，熱和能量的單位用焦耳，熱和能量的單位用焦耳/摩爾摩爾(joules/mol)。生物系統(tǒng)中的能流生物系統(tǒng)中的能流脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它單糖其它單糖三羧酸三羧酸循環(huán)循環(huán)電子傳遞電子傳遞（氧化）（氧化）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油脂肪酸、甘油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰coae-磷酸化磷酸化+pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中間產(chǎn)物（如中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰coa等）等） 共同中間物進共同中間物進入三羧酸循環(huán)

18、入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞電子傳遞鏈傳遞生成生成h2o，釋放，釋放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通過磷中一部分通過磷酸化儲存在酸化儲存在atp中。中。大分子降解大分子降解成基本結(jié)構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單位單位 生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段個階段第五節(jié)第五節(jié) 高能化合物高能化合物一、高能化合物的一、高能化合物的類型類型 二、二、atpatp的的特點及其特殊作用特點及其特殊作用 生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（釋放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩爾）的化合物稱摩爾）的化合物稱為高能化合物

19、。為高能化合物。高高能能化化合合物物類類型型atpatp的特點的特點 在在ph=7ph=7環(huán)境中，環(huán)境中，atpatp分子中的三個磷酸基團完分子中的三個磷酸基團完全解離成帶全解離成帶4 4個負(fù)電荷的離子形式（個負(fù)電荷的離子形式（atpatp4-4-），具有），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（大（gg=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩爾）。摩爾）。atp4- + h2o adp3- + pi2- + h+ g -30.5kjmol-1atp3- + h2o adp2- + pi3- + h+ g -33.1kjmol-1腺嘌呤

20、腺嘌呤核糖核糖 o p o p o p o-oooo-o-o- + + +mg2+atpatp在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用 atpatp是細(xì)胞內(nèi)的是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨能量通貨” atpatp是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體ppppatpp02108641214磷磷酸酸基基團團轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油第三節(jié)第三節(jié) 生物氧化生物氧化 一、生物氧化概述一、生物氧化概述 （一）（一）生物氧化的概念 概念：有機物質(zhì)

21、在體內(nèi)氧化分解產(chǎn)生co2、h2o 并釋放能量產(chǎn)生atp的過程。生物氧化在組織細(xì)胞內(nèi)進行，消耗o2， 產(chǎn)生co2，故稱呼吸作用。 （二）生物氧化的歷程 細(xì)胞內(nèi)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(zhì)在酶促作用下分解，并將所攜帶的電子和氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移到氧化型的輔酶如nad+ 或fad上，使其轉(zhuǎn)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(chǎn)生能量物質(zhì)atp。 （三）生物氧化的特點（與體外的化學(xué)氧化） 1.在活細(xì)胞內(nèi)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；

22、 2. 有許多酶參加； 3. 分階段進行，能量逐步釋放； 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、生物氧化中二、生物氧化中 co2的生成的生成（一）體內(nèi)生成co2的特點 糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)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、生物氧化中三、生物氧化中h2o的生成的生成（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

23、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 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(zhì)，其分子中含有非卟啉鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，鐵和硫構(gòu)成等量關(guān)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(nèi)鐵化合價的轉(zhuǎn)變而傳遞電子作用。 2fe3+ + 2e- 2fe2+ 輔酶q類（泛醌類） 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(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原