代謝總論與生物能學(xué)

生物能學(xué)與代謝總論生物能學(xué)第一節(jié)

生物能學(xué)簡(jiǎn)介一、熱力學(xué)定律及能量、焓和熵之間的定量關(guān)系二、

能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中

能的變化和意義一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念焓(H):反應(yīng)體系的熱含量，J/mol放熱反應(yīng)：產(chǎn)物的熱含量比反應(yīng)物的熱含量低，ΔH是負(fù)值熱力學(xué)第一定律：任何物理或化學(xué)變化中，能量的形式可變化，但能量總量恒定。熱力學(xué)第二定律：宇宙總是趨向越來(lái)越無(wú)序,熵(S)：反應(yīng)體系無(wú)序狀態(tài)的定量表達(dá)能變化與焓、熵的關(guān)系能的概念能是一個(gè)化合物分子結(jié)構(gòu)中所固有的能量，是一種能在恒溫恒壓下做功的能量。自由能的熱力學(xué)表達(dá)式為：G:

能；H:焓,以熱表示的能量；T:絕對(duì)溫度；S:熵所有自發(fā)的過(guò)程總伴隨著

能的降低G=

H-TS

（1）就化學(xué)反應(yīng)來(lái)說(shuō),能的

或利用體現(xiàn)了產(chǎn)物與反應(yīng)物之間能的差別：ΔG

=G產(chǎn)物–G反應(yīng)物根據(jù)式（1）（2）ΔG

=（H-TS）產(chǎn)物

–（H-TS）反應(yīng)物=（H產(chǎn)物-H反應(yīng)物）-T（S產(chǎn)物-S反應(yīng)物）=ΔH-TΔSΔG

:

反應(yīng)體系中 能的變化；（3）ΔH：反應(yīng)體系中熱含量或焓的變化

ΔS：該體系反應(yīng)前后熵的變化，自然界ΔS總是正值一個(gè)自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)系統(tǒng)的ΔG總是負(fù)的；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到平衡狀態(tài)時(shí)，無(wú)

能的變化，即ΔG=0，故從處于平衡狀態(tài)反應(yīng)中不能得到做功所需的能量放能反應(yīng),ΔG為負(fù)值;

吸能反應(yīng),ΔG為正值ΔG

=ΔH-TΔS

（3）二、細(xì)胞需要

能細(xì)胞是等溫體系,它們?cè)谝粋€(gè)基本恒定的溫度和壓力下行使功能。由于熱只能從高溫物體向低溫物體傳遞才能做功,所以熱的流動(dòng)不是細(xì)胞的能量來(lái)源。細(xì)胞能夠而且必須利用的能量是能能是所有生物最根本的能量來(lái)源。異養(yǎng)細(xì)胞、光合細(xì)胞能將營(yíng)養(yǎng)物或能轉(zhuǎn)化成ATP和其他富含能量、能在恒溫下做功的化合物。生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的能，其通過(guò)生物氧化產(chǎn)生能量并提供給有機(jī)體利用。能可以用來(lái)判斷機(jī)體內(nèi)某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行。三、化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)能的轉(zhuǎn)化:指化學(xué)物質(zhì)所含的能量在其化學(xué)反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)化成其它形式的過(guò)程。葡萄糖在體外燃燒

能量為

2868.8

kJ/mol在體內(nèi)

能量逐步能的變化和意義1.

標(biāo)準(zhǔn)

能A+B

C+D其 能變化具有如下關(guān)系：p253反應(yīng)開始時(shí)產(chǎn)物與

反應(yīng)物的實(shí)際濃度比R處于平衡時(shí)產(chǎn)物

與反應(yīng)物的濃度比ΔG

=

RT·In

[C][D]

T·In·Keq

（1）反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí),則ΔG=0,此時(shí)濃度比實(shí)際上是平衡常數(shù)Keq

[C][D]=[A][B][A][B]在標(biāo)準(zhǔn)條件下,產(chǎn)物和反應(yīng)物在反應(yīng)初始時(shí)的濃度都為1mol/L,或比值=1,則式（1）ΔG

=

RT·In1

-

RT·In·Keq=2.303RTlog1–2.303RT·K平=-2.303

RT

logK平在標(biāo)準(zhǔn)條件下,

ΔG

以

示（2）即：除mL,

[細(xì)胞內(nèi)生物化學(xué)反應(yīng)的pH值、水的濃度基本恒定，所以對(duì)生理?xiàng)l件下的標(biāo)準(zhǔn)

能做了規(guī)定 H

和水外,

反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度仍為1

ol/ H]=10 mol/L,水的濃度為5

5

l/L5生化體系標(biāo)準(zhǔn)

能變化用

示即：（3）反應(yīng)

能的變化不僅與產(chǎn)物、反應(yīng)物濃度有關(guān),還與反應(yīng)時(shí)的溫度、pH有關(guān)。化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)能變化的數(shù)量關(guān)系p253標(biāo)準(zhǔn) 能的變化，在標(biāo)準(zhǔn)條件下等于產(chǎn)物和反應(yīng)物的 能之差A(yù)

+

B C

+

D0 有能量 ，自發(fā)正向進(jìn)行0 反應(yīng)處于平衡狀態(tài)0 吸能反應(yīng)，逆向進(jìn)行2.標(biāo)準(zhǔn)

能預(yù)示反應(yīng)方向有機(jī)化合物所含的能取決于化合物中所含基團(tuán)的能量，一般來(lái)說(shuō)，不穩(wěn)定、活潑的化學(xué)基團(tuán)常具有較高的能。細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)物與產(chǎn)物的濃度始終處于變化狀態(tài)，在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，生化反應(yīng)中的能變化ΔG'的計(jì)算：3.實(shí)際 能的變化取決于反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度2=

2.303RT·log[反應(yīng)物][產(chǎn)物]<[反應(yīng)物]，則ΔG'<0ΔG'=2.303RT·lo

[產(chǎn)物]

.303RT·log·K平[產(chǎn)物][反應(yīng)物]4.偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn) 能變化的可加性1、A

B+C2、B

D總

A

C+D5

kcal/mol8

kcal/mol=

kcal/mol偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)能變化是可以相加的,因此,總的標(biāo)準(zhǔn)能變化等于各步反應(yīng)能變化的總第二節(jié)生物氧化還原反應(yīng)中的能變化生物氧化的定義糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物在活細(xì)胞內(nèi)氧化分解,產(chǎn)生CO2和H2O,并

出能量的過(guò)程各個(gè)物質(zhì)氧化的途徑不同,但脫下的氫和電子最終傳遞給氧,并生成水的過(guò)程是相同的。電子傳遞過(guò)程由一系列的氧化還原反應(yīng)組成,氧化還原反應(yīng)中

出能量推一、氧化還原反應(yīng)與氧化還原電勢(shì)氧化還原反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢(shì)電子供體電子受體-0.421V+0.77V原電池中電子流動(dòng)方向：電子總是從低電位向高電位流動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)一個(gè)氧化還原對(duì)失去電子和得到電子的傾向。如

Fe2失+

去電子或Fe3+得到電子的傾向,稱作氧化還原電勢(shì)或氧化還原電位(E)。生物體內(nèi)的氧化還原對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)規(guī)定：pH7、氧化型和還原型的濃度為1.0

mol/L、25℃,在這樣的標(biāo)準(zhǔn)條件下與標(biāo)準(zhǔn)氫電極偶聯(lián),測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)用 示。p258二、氧化還原電勢(shì)與 能變化關(guān)系任何一個(gè)氧化還原反應(yīng),都有氧化還原電勢(shì)產(chǎn)生,任何氧化還原電對(duì)都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)(

,標(biāo)準(zhǔn)條件下,電子從較高電對(duì)的傾向是較低的電對(duì)流向能降低的結(jié)果。電能降低的方向流子總是趨于向反應(yīng)體系中動(dòng)。兩個(gè)氧化還原對(duì)之間 的差越大,

能降的就越大。兩電對(duì)間標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電勢(shì)之差表示為氧化還原反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)差的關(guān)系為氧還反應(yīng)的

和的關(guān)系為n：轉(zhuǎn)移電子的數(shù)目,F：法拉第常數(shù)三．生物氧化反應(yīng)的電子載體NNCONH21.

輔酶I 酶IICOOHVitPP包括煙酸和煙酰胺，屬吡啶衍生物輔酶I、輔酶II的主要組成成分是煙酰胺NAD+NADH

+NADPH+氧化型NAD+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸,又稱輔酶I，CoI)NADP+(煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,又稱輔酶II，CoII)+2H+2e+2HNADPH

++2e還原型H+H+電子受體電子供體-2H

-2e2H+

+?O2H2O輔酶I、輔酶II是氧化還原酶(脫氫酶)的輔酶,通過(guò)吡啶環(huán)可逆的進(jìn)行氧化還原反應(yīng),起著遞氫和遞電子的作用,同時(shí)NAD又是+呼吸鏈遞氫過(guò)程中的一員,參與能量代謝,也是DNA連接酶的輔酶。OCH2OPOPOCH2OH

OHO

OO-

O-N+CONH2OH

OH(OPO3H2)NNONH2NN2．FMN、FAD維生素B2又名核黃素，由核糖醇和7，8-二甲基異咯嗪兩部分組成。FMN 黃素單核苷酸FAD 黃素腺嘌呤二核苷酸VitB2異咯嗪1,5位N原子上可加氫及脫氫,易起氧化還原反應(yīng)。22NCOOOHOHOH

OCH2CHCHCHCH2OPOHN

N

OHCH3CH312C4

3NH5687910-2H2eFMN

+2H

F2eMNH

FAD

+2HFADH22eH2e功能：在脫氫酶催化的反應(yīng)中,起電子和質(zhì)子的傳遞作用,是一些氧化還原酶-黃素蛋白的輔基,也是電子呼吸鏈的成分。FMN、FAD廣泛參與體內(nèi)各種氧化還原反應(yīng),所以VitB2能促進(jìn)糖、脂肪和蛋白質(zhì)代謝,對(duì)維持皮膚,粘膜和視覺(jué)的正常機(jī)能有一定作用。CoQ

+

2H

+

2eCoQH23.輔酶Q(CoQ)OCH3OCH3OCH3(CH2CH

C

CH2)nHO

CH3n=6-104.硫辛酸硫辛酸+2H+2e二氫硫辛酸S

CHS

CHCH2CH2CH2CH2COOHCH2第三節(jié)、高能化合物高能化合物：生化反應(yīng)中,在水解或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可

出大量能，一般將能夠-25～-61.9KJ/mol能量的化合物稱為高能化合物。這種高能鍵常以“～”來(lái)表示。一個(gè)化合物水解時(shí)能

的 能取決于該化合物的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)及反應(yīng)體系鍵能：是指使一個(gè)化學(xué)鍵斷裂所需的能量高能鍵：在斷裂時(shí)會(huì)

大量

能的鍵高能鍵與鍵能根據(jù)生物體內(nèi)高能化合物鍵的特性可以把他們分成以下幾種類型。1、磷氧鍵型化合物2、氮磷鍵型化合物3、硫酯鍵型化合物4、甲硫鍵型化合物一、高能化合物的類型1.磷氧鍵型(1)酰基磷酸化合物1.3-二磷酸甘油酸-49.3KJ/molO-O

OCH3

C

O

PO-乙酰磷酸42.2KJ/mol（2）焦磷酸化合物O-O-NNNNH2NOHOH

OHHOP

OCH2H

HO-OPO-OPO-ATP（三磷酸腺苷）O-O-OPO-OO-OPO-焦磷酸-33.4KJ/mol-30.5KJ/mol（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式

酸-61.9KJ/mol2、氮磷鍵型磷酸肌酸-43.0KJ/mol磷酸精氨酸-32.2KJ/mol這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起 能量的作用。磷酸肌酸肌酸

ATP

肌酸磷酸肌酸＝ATP緩沖劑磷酸肌酸、磷酸精氨酸又稱為磷酸原某些微生物以聚偏磷酸為儲(chǔ)能物質(zhì)ADP

磷酸肌酸肌酸激酶3、硫酯鍵型3`-磷酸腺苷-5`-磷酰硫酸OR

C

SCoA?；o酶A由酰基和硫醇基構(gòu)成的一類高能化合物，如：乙酰CoA、脂酰CoA和琥珀酰CoA等Acetyl-CoA:糖、脂肪、氨基酸代謝的共同產(chǎn)物thecarrier

of

activated

acetyl

groups泛酸輔酶A在能量代謝中的作用巰基乙胺輔酶A（CoA）主要起傳遞?；淖饔?，是各種?；磻?yīng)的輔酶，-SH是攜帶?；牟课?，可寫成：CoASH乙酰輔酶A：CH3-CO～SCoA的乙?；鶊F(tuán)很活潑，巰基與?；纬闪蝓ユI，硫酯鍵為高能鍵，水解可產(chǎn)能。CoA－SHCH3-CO～SCoACH3-CO－4、甲硫鍵型COO-3NH

+CHCH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸SAM二、ATP的特點(diǎn)及其特殊作用OO-

PO-NNNH2N

NOHHOH

OHOCH2H

HO

OO-

P O-

PO-

O-生物體需要利用能做功，機(jī)體內(nèi)捕獲和攜帶 能的分子是ATP。糖、脂、蛋白＋O2

CO2

+

H2O

+

ATPADP能量的 形式：ADP、ATP、GTP等OO-

PO-NNNH2N

NOH

HOH

OHOCH2H

HO

OO-

P O-

PO-

O-ATP的用途1、提供生物 做化學(xué)功時(shí)所需的能量2、是生物活動(dòng)以及肌肉收縮的能量來(lái)源3、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) （主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)）所需能量4、DNA,

RNA和蛋白質(zhì)生物

,

信息的傳遞等方面所需能量普通人消耗40KgATP/日，激烈活動(dòng)要消耗幾十倍

ATP。細(xì)胞內(nèi)ATP只滿足1～2分鐘能量需要，腦細(xì)胞內(nèi)只有幾秒鐘的

ATP，所以要不 謝,不斷補(bǔ)充ATPATP分子內(nèi)的靜電斥力和形成產(chǎn)物的相 振作用是ATP易水解釋能的原因1.

ATP的結(jié)構(gòu)特征磷酸酐鍵磷酯鍵在生理pH條件下,ATP的磷酸基完全解離成負(fù)離子,負(fù)電荷之間相互排斥P-O-P鍵處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。ATP等分子必須具有足夠的內(nèi)能來(lái)克服相鄰的同種電荷之間的靜電排斥,所以這樣的結(jié)構(gòu)(磷酸酐鍵)在水解反應(yīng)中斷裂時(shí),這部分能量就

出來(lái),即

的標(biāo)準(zhǔn)

能大。2.ATP水解時(shí)標(biāo)準(zhǔn) 能變化△G0’

=-

35.7

kJ/mol

> -

30.5kJ/molATP易水解1.

ATP4-

+

H2O能的三個(gè)重要因素：ADP3-

+

HPO42-

+

H+標(biāo)準(zhǔn)狀況下，ATP4-，ADP3-，HPO42-濃度約為1M，而H+濃度僅10-7M,使得ATP4-向分解方向進(jìn)行；ATP4-的4個(gè)負(fù)電荷空間相距很近,互相排斥；產(chǎn)物ADP3-，HPO42-

都是

雜化物，能量可降到最低，促使ATP水解3.ATP是細(xì)胞內(nèi)放能與吸能反應(yīng)的偶聯(lián)物生物體內(nèi)產(chǎn)能、需能反應(yīng)的偶聯(lián)是通過(guò)ATP完成的。ATP是生物體最重要的傳遞能量的分子,是生物體內(nèi)能量流通的“貨幣”。ATP不斷地處于動(dòng)態(tài)平衡的周轉(zhuǎn)之中(ADP和AMP),ATP提供的能量主要用于:生物

、肌肉收縮、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的逆濃度跨膜等。在生物體中,能夠提供能量的核苷酸分子除ATP外,還有GTP、UTP、CTP等。所有的核苷三磷酸的高能磷酸基都由ATP轉(zhuǎn)移而來(lái)。ATP以外的核苷三磷酸的遞能作用多糖蛋白R(shí)NADNA各種核苷三磷酸參與不同生物4.ATP具有較高的磷酸基轉(zhuǎn)移勢(shì)代謝總論新陳代謝定義：生物體內(nèi)一切化學(xué)變化的總稱,是生命活動(dòng)的重要特征之一。是由多酶體系協(xié)同催化的高度協(xié)調(diào)、有目的的化學(xué)反應(yīng)。代謝的基本要略是形成ATP、還原力和構(gòu)造單元。代謝可分為分解代謝和 代謝,也可分為物質(zhì)代謝和能量代謝。攝取、吸收、轉(zhuǎn)化、利用1.從環(huán)境中獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)2.營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨淼慕Y(jié)構(gòu)元件3.結(jié)構(gòu)元件裝配成生物大分子4.形成或分解生物體特殊功能的生物大分子5.提供生命活動(dòng)所需的一切能量代謝:

包括分解代謝與

代謝同化作用異化作用物質(zhì)代謝能量代謝分解代謝：將從外界攝取或自身的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物,通過(guò)一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的、較簡(jiǎn)單的物質(zhì)的過(guò)程代謝：生物體利用小分子或大分子的結(jié)構(gòu)元件自身需要的大分子的過(guò)程代謝同化作用:小分子大分子;需要能量異化作用:

大分子分解成小分子;

能量能量代謝物質(zhì)代謝脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸