生物化學(xué)課件：6-代謝總論與生物能學(xué)-s

AnOverviewofMetabolism第九章代謝總論

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合成代謝,也可分為物質(zhì)代謝和能量代謝。功能：攝取、吸收、轉(zhuǎn)化、利用1、從環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)2、營養(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、提供生命活動所需的一切能量代謝:

包括分解代謝與合成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儲存的有機營養(yǎng)物,通過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的、較簡單的物質(zhì)的過程合成代謝：生物體利用小分子或大分子的結(jié)構(gòu)元件建造成自身大分子的過程脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中間物進(jìn)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。機體在分解代謝中產(chǎn)生自由能的過程大致可分為3個階段：第一階段:由營養(yǎng)物的大分子如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等分解成較小的分子如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等；第二階段:小分子進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾種共同物質(zhì)如乙酰輔酶A等；第三階段:由檸檬酸循環(huán)(產(chǎn)生NADH和FADH2)和氧化磷酸化產(chǎn)生大量的ATP,這是產(chǎn)能的主要階段。分子水平整體水平細(xì)胞水平激素調(diào)節(jié)神經(jīng)調(diào)節(jié)酶的調(diào)節(jié)酶活的調(diào)節(jié)酶量的調(diào)節(jié)新陳代謝的調(diào)節(jié)

第八章生物能學(xué)目錄第一節(jié)生物能學(xué)簡介第二節(jié)高能化合物第一節(jié)生物能學(xué)簡介一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、自由能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義一、有關(guān)熱力學(xué)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(xué)第一定律：能量的形式可以改變,總量恒定焓(熱含量，H)

熱力學(xué)第二定律和熵(S)

自由能(freeenergy)二、自由能G=H-TS

太陽能是所有生物最根本的能量來源。 能夠用以做功的能量稱為自由能。生物體的一切生命活動都需要能量,如果沒有能量來源,生命即停止。物理意義：ΔＧ＝ΔH-TΔS

ΔＧ:自由能的變化，ΔH:焓的變化

T：絕對溫度，ΔS:反應(yīng)前后熵的變化

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，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。自由能可以用來判斷機體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行?；瘜W(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)時轉(zhuǎn)化成其它形式的過程。葡萄糖在體外燃燒釋放能量為

2868.8kJ/mol在體內(nèi)能量逐步釋放三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義1.標(biāo)準(zhǔn)自由能化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化等于產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的總和減去反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)自由能的總和A+BC+D標(biāo)準(zhǔn)自由能變化：p2532.反應(yīng)方向與趨勢－

自由能的變化與化學(xué)反應(yīng)方向

化學(xué)反應(yīng)中,一個能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng),總是伴隨著自由能的降低,反應(yīng)自由能的變化不僅與產(chǎn)物、反應(yīng)物濃度有關(guān),還與反應(yīng)時的溫度、pH有關(guān)?！鱃可用于判斷反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行與趨勢

A+BC+D+△H

△G<0有能量釋放，自發(fā)正向進(jìn)行

△G＝0反應(yīng)處于平衡狀態(tài)

△G>0吸能反應(yīng)，逆向進(jìn)行

有機化合物所含的自由能取決于化合物中所含基團的能量，一般來說，不穩(wěn)定、活潑的化學(xué)基團常具有較高的自由能。p2533.偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性1、AB+C

=+5kcal/mol2、BD

=-8kcal/molAC+D

=-3kcal/mol

偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的,因此,總的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化等于各步反應(yīng)自由能變化的總和。且機體利用自由能做功是在常溫常壓下進(jìn)行的。機體內(nèi)捕獲和攜帶自由能的分子是ATP。糖、脂、蛋白＋O2CO2+H2O+ATP第二節(jié)生物氧化還原反應(yīng)中的自由能變化一、氧化還原反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)氧還電勢電子供體

電子受體電子流動方向-0.412V+0.77V電子總是從低電位向高電位流動二、自由能的變化和氧化-還原電勢的關(guān)系任何一個氧化-還原反應(yīng)，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧化還原電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢(

)，

值越大，獲得電子的傾向越大。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：

和氧還反應(yīng)的關(guān)系如下：

三．生物氧化反應(yīng)的電子載體輔酶I、輔酶II的主要組成成分是煙酰胺VitPP包括煙酸和煙酰胺，屬吡啶衍生物輔酶II輔酶I1.

NAD+

NADH+NADPH+NADPH+

氧化型還原型

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

+2H+2eH+H+電子受體電子供體-2H-2e

2H+?O2+H2O

輔酶I、輔酶II是氧化還原酶(脫氫酶)的輔酶,通過吡啶環(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NAD又是呼吸鏈遞氫過程中的一員,參與能量代謝,也是DNA連接酶的輔酶。+2．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VitB2

FAD黃素腺嘌呤二核苷酸異咯嗪1,5位N原子上可加氫及脫氫,易起氧化還原反應(yīng)。

FMNFMNH2FADFADH2

12345678910+2H2e-2H2e-2H2e+2H2e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,對維持皮膚,粘膜和視覺的正常機能有一定作用。

CoQ

+

2H+2eCoQH23.輔酶Q(CoQ)

4.硫辛酸

硫辛酸+2H+2e二氫硫辛酸第三節(jié)、高能化合物高能化合物：生化反應(yīng)中,在水解或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能，一般將能夠釋放-25～-61.9KJ/mol能量的化合物稱為高能化合物。這種高能鍵常以“～”來表示。

一個化合物水解時能釋放的自由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：是指使一個化學(xué)鍵斷裂所需的能量高能鍵：在斷裂時會釋放大量自由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)?；姿峄衔?.3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸42.2KJ/mol-49.3KJ/mol（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸-33.4KJ/mol-30.5KJ/mol（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸-61.9KJ/mol2、氮磷鍵型磷酸肌酸磷酸精氨酸-43.0KJ/mol-32.2KJ/mol這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。磷酸肌酸

ADP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能物質(zhì)肌酸激酶3、硫酯鍵型3`-磷酸腺苷-5`-磷酰硫酸?；o酶A由?；土虼蓟鶚?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thecarrierofactivatedacetylgroups泛酸巰基乙胺3′－磷酸－ADP輔酶A在能量代謝中的作用輔酶A（CoA）主要起傳遞?；淖饔茫歉鞣N?；磻?yīng)的輔酶，-SH是攜帶?；牟课?，可寫成：CoASHβ－巰基乙胺泛酸乙酰輔酶A：

CH3-CO～SCoA的乙?；鶊F很活潑，巰基與?；纬闪蝓ユI，硫酯鍵為高能鍵，水解可產(chǎn)能。CH3-CO～SCoACoA－SHCH3-CO－4、甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸

SAM

二、ATP的特點及其特殊作用能量的儲存形式：ADP、ATP、GTP等ATP的用途1、提供生物合成做化學(xué)功時所需的能量2、是生物活動以及肌肉收縮的能量來源3、營養(yǎng)物質(zhì)運輸（主動轉(zhuǎn)運）所需能量4、DNA,RNA和蛋白質(zhì)生物合成,基因信息的傳遞等方面所需能量普通人消耗40KgATP/日，激烈活動要消耗幾十倍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，所以要不斷代謝,不斷補充ATPATP分子內(nèi)的靜電斥力和形成產(chǎn)物的相反共振作用是ATP易水解釋能的原因1.ATP的結(jié)構(gòu)特性酸酐鍵磷酯鍵

在生理條件下(pH7.4),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,這部分能量就釋放出來,即釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能大。2.ATP水解時標(biāo)準(zhǔn)自由能變化△G0’

=-35.7kJ/mol>-30.5kJ/mol

ATP易水解釋放自由能的三個重要因素：ATP4-+H2OADP3-+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；2.ATP4-的4個負(fù)電荷空間相距很近,互相排斥；相反共振作用爭奪O的未共用電子對；3.產(chǎn)物ADP3-，HPO42-

都是共振雜化物，能量可降到最低，促使ATP水解釋放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:生物合成、肌肉收縮、營養(yǎng)物質(zhì)的逆濃度跨膜運輸?shù)?。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。ATP以外的核苷三磷酸的遞能作用合成多糖合成蛋白合成RNA合成DNA各種核苷三磷酸參與不同生物合成4.ATP具有較高的磷酸基轉(zhuǎn)移勢

習(xí)題

1.在25℃下，當(dāng)〔ATP〕＝4mmol/L,〔ADP〕=0.15mmol/L,〔磷酸肌酸〕＝1.0mmol/L時,

請預(yù)示肌酸激酶催化反應(yīng)的方向是ATP被合成還是磷酸肌酸被合成。已知在標(biāo)準(zhǔn)條件下的=+12.6kJ/mol2.計算下面每個氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢的