生物能量學原理

關于生物能量學原理1第1頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2㈠生物能量學與熱力學Bioenergetics:

thequantitativestudyoftheenergytransductionsthatoccurinlivingcellsandofthenatureandfunctionofthechemicalprocessesunderlyingthesetransductionsLW-2§1.生物能量轉化服從熱力學定律

-Gibbsfreeenergy(G)

表述常溫及常壓下某個反應中能夠用以做功的能量根據(jù)特定反應的自由能變化(⊿G=Gp–Gs)可以判斷：⊿G<０

(Gp<Gs) 放能反應，可以自發(fā)進行⊿G=０

(Gp=Gs) 系統(tǒng)處于平衡態(tài)⊿G>０

(Gp>Gs) 吸能反應，不能自發(fā)進行-

自由能是(熱)焓和熵的結合函數(shù)在標準溫度和壓力下可表述為：⊿G=⊿H–T⊿S第2頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三3

⊿G’o=-RTln

K’eq其變化取決于反應發(fā)生時的條件(人為選擇的標準態(tài))

-

溶液化學：標準溫度為298K(25℃)，標準壓力為

101.3kPa(1atm)，標準溶質濃度1mol/L條件下的自由能變化為標準自由能變化⊿Go

-

生物化學：標準條件包括[H+]為10-7mol/L

(pH=7)

而不是1mol/L(pH=0)，相應地以⊿G’o表示在生物學標準態(tài)下的自由能變化§2.標準自由能變化與反應的平衡常數(shù)直接相關LW-2(cf.p253)第3頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三4一般生化反應A+B←→C+D的實際自由能變化為：

⊿G=⊿G’o+RTln其中：⊿G’o為不變的常量，只取決于反應物本身的性質；

RTln([C][D]/[A][B])則是變量，隨實際[P]/[S]

以及反應溫度而變LW-3§3.

實際自由能變化取決于反應物和產物的濃度反應達到平衡時因⊿G=0，而=

K’eq，故有：⊿G’o=-RTlnK’eq(cf.p253)[C]eq[D]eq[A]eq[B]eq[C]

[D][A]

[B]第4頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三5即便⊿G’o為正值，但只要RTln([C][D]/[A][B])項為負且其絕對值大于⊿G’o，則⊿G仍然可以是負值而使反應自發(fā)進行LW-4因此，判斷某一反應的自發(fā)性或進行方向的依據(jù)是⊿G而不是⊿G’o推論：-活細胞中所有能自發(fā)進行的反應，其⊿G值至少應當稍負

-就不可逆反應而言，其⊿G不僅是負值，而且絕對值很大注意：⊿G<<0的熱力學利好反應在自然條件下的自發(fā)進行可能很慢，需由外界提供活化能或經由酶促反應以降低其活化能第5頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三6§4.(標準)自由能變化是可加合的LW-5-要使偶聯(lián)的多個反應能夠自發(fā)進行，其⊿Gtotal應當是負值-一個熱力學上的不利反應可以被與之相偶聯(lián)的有利反應所推動(cf.p255)推論…↑13.8kJ/mol←-30.5kJ/mol第6頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三7小結：生物能量學與熱力學-

生物能量學是生命系統(tǒng)中有關能量相互轉化的定量研究，生物能量的轉換同樣服從熱力學定律-

化學反應的凈驅動力為自由能變化G，可以表達成：G=Ｈ

–ＴS-

標準自由能變化G’o是給定反應的特征性物理常數(shù)，可以由該反應的平衡常數(shù)求得：G’o=-RTlnK’eq-

實際自由能變化G是一個變量，依賴于G’o和反應物及產物的濃度等：G=G’o+RTln([S]/[P])-

G大而負時反應趨于自發(fā)正向進行，大而正時則趨于逆向進行，等于0時系統(tǒng)即處于平衡狀態(tài)-

反應的自由能變化是可加合的，與反應途徑和進行速度無關；偶聯(lián)反應的總自由能變化等于各個分反應的之和LW-6第7頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三81-28ATPisthesharedchemicalintermediatelinkingenergy-releasingtoenergy-requiringcellprocesses.Itsroleinthecellisanalogoustothatofcurrencyinaneconomy:itis“earned/produced”inexergonicreactionsand“spent/consumed”inendergoniconesThecentralroleofATPinmetabolism㈡磷酰基轉移和ATP

第8頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三913-1§1.

ATP水解具有

大而負的自由能變化-水解可部分消除ATP分子中的靜電排斥/相反共振作用-水解產物Pi(HPO43–)具有更大的共振穩(wěn)定性(e離域)-水解中間產物ADP可隨即解離并向[H+]極低的介質釋出H+-Pi和ADP的溶劑化(水化)作用要比ATP的相對更大(cf.Fig8-4)delocalization

第9頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1013-2/T13-5FormationofMg2+complexespartiallyshieldsthenegativechargesandinfluencestheconformationofthephosphategroupsinATPandADP-細胞中的[ATP]、

[ADP]和[Pi]均不相同，而且<<1.0M

的標準態(tài)

-活細胞中的ATP實際水解G通常更高(cf.Fig8-5)↓

-35.7kJ/mol第10頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1113-3notpossibleinPEP磷酸烯醇式丙酮酸可共振穩(wěn)化PEP的磷酯鍵水解可產生烯醇式丙酮酸，后者隨即互變異構成更穩(wěn)定的酮式丙酮酸

§2.其他磷酸化合物和硫酯也具有大而負的水解自由能(cf.Tab.8-4)?G’°=-41.8kJ/mol第11頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1213-4產物均可共振穩(wěn)化1,3-二磷酸甘油酸1,3-BPG的酸酐鍵水解直接產物3-PG可

迅速電離而轉化成共振穩(wěn)化的3-PG鹽/酯第12頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1313-5磷酸肌酸PCr的P–N鍵水解可以產生均能共振穩(wěn)化的Pi和肌酸而有利于反應正向進行第13頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1413-6-酯鍵中的O被S所取代的硫酯也具有大而負的

G’o，是為活化?；瑥V泛存在于轉?；⒖s合及氧-還反應-

硫酯的共振穩(wěn)化要比

氧酯的低得多，因而反應物與其共振穩(wěn)化的水解產物之間的自由能差異要比氧酯的更大乙酰-CoA水解第14頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1513-7硫酯和氧酯的水解自由能變化Theproductsofbothtypesofhydrolysisreactionhaveaboutthesamefreeenergycontent(G),butthioesterhasahigherGthanoxygenester:OrbitaloverlapbetweenOandCallowsresonancestabilizationinoxygenesters;orbitaloverlapbetweenSandCispoorerandprovideslittleresonancestabilization第15頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三16T13-6-

水解產物的自由能低，即具有很高的基團轉移勢能-釋出的Pi的共振形式使之相對于反應物更為穩(wěn)定，從而使已經是負值的自由能變化更負高能化合物共同特點-含有易被水解的特定鍵型

(~)，如磷氧，氮磷，硫酯及甲硫鍵等第16頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三17-產物可共振穩(wěn)化，如PCr釋出的肌酸、酰基磷酸和硫酯釋出的羧酸離子、酸酐或磷酯鍵釋出的Pi總之，就具有大而負標準自由能變化的水解反應而言，產物均比反應物更為穩(wěn)定…-反應物中靜電排斥/相反共振形成的鍵張力在分解成產物后均可得到緩解，如ATP-產物因電離而穩(wěn)化，如ATP、1,3-BPG和硫酯([P]/[S]ratiobeinglower)-產物因互變異構而穩(wěn)化，如PEPLW-7第17頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三1813-8-ATP的一部分(磷酰基、焦磷酰基或腺苷酸AMP)

先被轉移到某個底物分子或酶的特定氨基酸殘基上、形成共價連接以增加后者的自由能-該含有磷酸的組分隨即被

親核取代而釋出Pi、PPi

或AMPATP依賴性的Gln合成酶反應更易接受親核攻擊因磷?；拇嬖诙眅–

§3.ATP供能主要是通過基團轉移而不是簡單水解第18頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三19⊿G’o-30-33-14(kJ/mol)phosphateesterbond-其它核苷三磷酸均具有幾乎相同的⊿G’o，且彼此之間的磷酰基團轉移常數(shù)約為1，代謝研究中常以等價的ATP

來評估其消耗-高能磷酸鍵并非指該鍵本身具有高能，而是其斷裂生成的產物具有比反應物更低的自由能G3.9第19頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2013-12-存在于所有細胞的核苷二磷酸激酶可以將ATP轉化為所需要的(d)NTP-在迫切需要ATP時，細胞均可通過

腺苷酸激酶降低[ADP]而獲得ATP：

2ADP

←→ATP+AMP(G’o≈0)ATP+(d)NDP←→ADP+(d)NTP

(G’o≈0)(細胞中相對較高的[ATP]/[ADP]總是有利于反應正向進行)所有細胞都能進行核苷酸之間的轉磷酸化第20頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2113-9-ATP在細胞內的多種

磷酸原中具有中間值的磷酰基轉移勢能，是為偶聯(lián)反應中的重要共享載能中間物-磷酰基團的轉移均由

激酶催化進行-磷?；鶊FP經由ATP

中繼從高能供體轉移到受體以形成相應的

低能衍生物，由激酶催化的這類磷?；D移在細胞內條件下總是伴隨總自由能的減少，而低能磷酸化合物水解釋出的Pi幾乎不再具備任何磷?；D移勢能ATPservesastheuniversalenergycurrencyinalllivingcells–25(cf.Fig8-6)第21頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2213-10親核體可能是醇或羧酸的O、肌酸或Arg/His側鏈中的N

eg.Glc→G6PR5P→PRPPFAactivation腺苷酰化在熱力學上是非常利好的：ATP的兩個磷酸酐鍵均被斷開§4.ATP可分別提供磷?；?/p>

焦磷?；拖佘挣；?2頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三23LW-8小結：磷酰基轉移和ATP-ATP自身的結構特點使之具有大而負的標準水解自由能變化-ATP是異化和同化代謝的化學連接點，為活細胞的能量通幣，其放能轉化(→ADP+Pi/AMP+PPi)

可偶聯(lián)于許多吸能反應和過程-

在偶聯(lián)于吸能反應時，ATP通常是通過將其磷酰基、焦磷酰基或腺苷?；D移給某一底物或酶分子的共價結合方式供能的(~提高底物自由能)-

細胞還有著其他一些具有大而負水解自由能的代謝中間物，如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸和磷酸肌酸等；這些高能化合物和ATP一樣都具有很高的磷酰基轉移勢能，是為良好的磷酰基供體；硫酯也具有很高的水解自由能第23頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三24㈢生物氧化-還原反應

LW-9Theflowofelectronsinthesereactionsisresponsible,directlyorindirectly,forallworkdonebylivingorganisms

Oxidation-reductionreactionsinvolvethelossofelectronsbyonechemicalspecies(oxidized),andthegainofelectronsbyanother(reduced)Thepathofelectronflowinmetabolismiscomplex,involvingvariousspecializedelectroncarriersinenzyme-catalyzedreactionsCellscontainavarietyofmolecularenergytransducerstoconverttheenergyofelectronflowintousefulwork第24頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三25LW-10電子流可以做生物功活細胞具有類似于馬達電路的生物電路：以相對還原態(tài)高的化合物(eg.Glc)作為電子源，隨著其酶促氧化反應釋出的電子流可在電動勢(emf)的驅動下自發(fā)經由一系列電子載體中間物而流向另一相對氧化態(tài)高的化合物(eg.O2)，期間釋出的能量則可被各種分子能量轉換器(酶和其他蛋白質)利用而做生物功eg.inmitochondrion:某些膜結合酶可以將電子流偶聯(lián)于跨膜pH差的形成以完成滲透功和電功，而由此形成的跨膜[H+]梯度則具有相應的質子動勢(pmf)，可以被內膜上的ATP合酶利用做化學功：隨著H+自發(fā)地跨膜內流而以ADP和Pi為原料合成ATP第25頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三26LW-11-

電負性增加趨勢為H<C<S<N<O

電負性高者被假定擁有其共享成鍵電子對-

隨著原有的每個e–丟失，C均發(fā)生相應的氧化，即使并沒有O的參與(eg.–CH2–CH2–→–CH=CH–)-電子從供體分子轉移到受體可以有多種方式：電子直接轉移

eg.Fe2++Cu2+←→Fe3++Cu+

H原子(H++e–

)形式

eg.AH2+B←→A+BH2

氫負離子(H–

)形式

eg.AH2+NAD+→A+NADH+H+

直接與O結合

eg.R-CH3+?O2→R-CH2-OH

§1.生物氧化一般都涉及脫氫第26頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三2713-13Oxidationstatesofcarboninthebiosphere

隨著電子的不斷丟失，碳的氧化態(tài)逐漸增加第27頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三28LW-12兩個共軛氧-還對同時存在于溶液中時，e–即可自發(fā)地從一個氧-還對的供體轉移到另一個氧-還對的受體：

Eo低Eo高

-電化學標氫電勢Eo=0([H+]=1M)-生物化學標氫電勢E’o=-0.414V

(atpH=7)標準還原電位可用以計算自由能變化：⊿G’o=-nF⊿E’o (cf.p259)⊿E’o=E’o受體

–E’o供體(cf.Tab.8-3)§2.還原電位代表電子親和力第28頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三29LW-13與燃燒不同，細胞不能一步到位地在一個具有大的自由能釋放的生物氧化反應中將底物直接轉化為CO2(eg.C6H12O6+6O2→6CO2+6H2OG’o=-2,840kJ/mol)作為替代，各種底物的氧化可以在特定系列的有序控制反應中發(fā)生，期間被移除的e–則可通過少數(shù)幾種生物界通用的特殊載體逐級傳遞至O2，即e–載體的還原可將底物氧化釋出的自由能以ATP等形式分步儲存起來

水溶性輔酶/基(fromvitamins)能可逆進行氧化還原

-吡啶核苷酸NAD(P)+容易在相繼反應的酶之間移動

-黃素核苷酸FMN/FAD多為緊密結合于特定酶的輔基

脂溶性輔酶如泛醌(CoQ)是生物膜中的e–載體和H+供體，能在膜結合酶(相對固定)之間移動

Fe-S蛋白和cyt均為緊密結合的輔基通用電子載體§3.生物氧化需要有特殊的電子載體第29頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三3013-15NAD(P)H以水溶性電子載體形式參與脫氫酶作用以H–形式轉移

進入水相(cf.Fig.8-2)e–sink第30頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三31T13-8-NAD+一般參與異化代謝中的氧化反應：細胞中[NAD+]/[NADH]很高-NADPH多參與同化代謝中的還原反應：細胞中[NADPH]/[NADP+]很高-脫氫酶大多僅能使用這兩種輔酶之一，且只能催化A型或B型轉移而不能催化兩者(功能與定位的?；辜毎芡瑫r持有兩套截然不同且互不干擾的電子載體庫)第31頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三3213-18-氧化態(tài)黃素核苷酸能以H的形式接受1~2e–而形成穩(wěn)定的半醌自由基或FADH2/FMNH2黃素核苷酸可參與1~2e–的傳遞-黃素核苷酸與酶蛋白緊密結合而不能在酶之間游離，但可從還原性底物將e–傳送給特定載體ribitol(cf.Fig.8-3)Keq=10–8~–11(yellow)(blue)(colorless)第32頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三33T13-9(covalentbond)第33頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三34LW-14小結：生物氧化-還原反應-

生物的主要儲能過程大多是Glc逐步氧化成CO2，期間隨著e–傳遞給O2而有部分氧化能以ATP形式被儲存-

還原電位E’o代表e–親和力，e–可自發(fā)地從一個氧-還對供體轉移到另一個氧-還對受體-氧-還反應的標準自由能變化正比于兩個半電池的標準還原電位差：G’o=-nF

E’o-

生物氧化反應大多為脫氫，即1~2H從底物傳遞給某個受體，反應均涉及到特化的e–載體-

NAD(P)是許多脫氫酶的可游離輔酶，NAD(P)+都能以H–形式接受2e–和1H+-

FAD和FMN是黃素蛋白的緊密結合輔基，可以接受1~2e–

第34頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三35復習題(p112~114)一、選擇1~5二、填空1~9四、判斷1~7五、問答與計算1,2作業(yè)

1.如何判斷一個化學反應能否自發(fā)進行？2.從ATP的結構特點說明其在能量傳遞中的作用及地位第35頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三36細胞中的生化反應大多可劃分為四大類

-

氧-還反應

-

形成及斷開C–C鍵反應

-

分子內重排、異構及消除反應

-

基團轉移反應兩項基本化學原則：

LW-3

-

共價鍵可發(fā)生均裂或異裂

-

反應多涉及到親核和親電子基團的互作ReviewforMainReactionMechanisms第36頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三37Ⅱ-5C–C或C–H鍵斷裂的兩種機制-均裂產生的碳自由基和異裂產生的負碳離子、正碳離子及氫負離子都極不穩(wěn)定，相應加強了其化學反應能力第37頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三386-21生化反應中的常見親核及親電子基團

FunctionalgroupsrichinelectronsandcapableofdonatingthemElectron-deficientfunctionalgroupsthatseekelectrons-依據(jù)成鍵類型及其周邊的功能基團，碳原子在反應中既可用作親核也可用作親電子基團第38頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三39Ⅱ-6Theoxidationstatesofcarboninbiomolecules:Eachcompoundisformedbyoxidationoftheredcarboninthecompoundlistedaboveit;CO2isthemosthighlyoxidizedformofcarbonfoundinlivingsystems.①氧-還反應

Oxidation-reductionreactions與氧共享的電子對愈多則氧化態(tài)愈高第39頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三40Ⅱ-7-反應實質為電子得失，故任何氧化反應都必定伴有還原反應-氧化反應通常為放能的，活細胞大多通過各種生物氧化途徑將電子經由一系列載體最終傳遞給氧而獲取能量乳酸丙酮酸脫氫酶(≠催化C與O共價結合的氧化酶)脫氫--常見的生物氧-還反應第40頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三41②形成及斷開C–C鍵反應成鍵O的電子吸引作用使得羰基C具有部分正電荷而類似于親電子體Ⅱ-8a/b通過共振作用使電子發(fā)生離域，羰基的存在可促進周邊C的負碳離子瞬間形成而類似于親核體攜帶有電負性原子的基團如羰基的作用在這類反應中至為關鍵第41頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三42Ⅱ-8c

羰基在三大類涉及到C–C鍵形成及斷開反應中的作用

負碳離子為親核體而羰基C為親電子體，前者的穩(wěn)定均得益于其相鄰羰基的存在脫羧時生成的負碳離子被相鄰的羰基(或具有類似功能的亞胺等)所穩(wěn)定羥醛縮合Claisen酯縮合-酮酸脫羧-多種代謝途徑都是圍繞著特定部位某一羰基的引進而組合的：使附近的某個

C–C鍵得以形成或斷裂第42頁，講稿共48頁，2023年5月2日，星期三43Ⅱ-9③分子內異構、消除及重排反應分子內重排發(fā)生的電子重新分布可導致異構化和雙鍵的移位或順-反式轉換B1和B2是酶的特定堿性基團，隨著反應進行可依次接受和給出H+烯二醇中間物磷酸己糖異構酶nextbreakpoint