代谢总论与生物能学

1、代谢总论与生物能学 一、什么是新陈代谢？一、什么是新陈代谢？ 新的来，旧的去。新的来，旧的去。 新陈代谢新陈代谢 也称代谢（也称代谢（metabolism），是发生在），是发生在活细胞内的各种有序化学反应的总称。或活细胞内的各种有序化学反应的总称。或泛指生物与周围环境进行物质与能量交换泛指生物与周围环境进行物质与能量交换的过程。是生物体的过程。是生物体物质代谢物质代谢与与能量代谢能量代谢的的有机统一，是推动一切生命活动的动力源有机统一，是推动一切生命活动的动力源泉，为生命活动提供了必要的物质基础。泉，为生命活动提供了必要的物质基础。复杂分子复杂分子(有机物有机物)分解代谢分解代谢合成代谢合成代

2、谢简单小分子简单小分子+ATP合成代谢合成代谢(anabolism)分解分解代谢代谢(catabolism)生物小分子合成生物大分子生物小分子合成生物大分子一般需要能量一般需要能量一般释放能量一般释放能量生物大分子分解为生物小分子生物大分子分解为生物小分子按代谢产物在机体中作用不同分按代谢产物在机体中作用不同分按转化方式分按转化方式分代谢代谢分解代谢分解代谢合成代谢合成代谢物质代谢物质代谢能量代谢能量代谢代谢代谢初级代谢初级代谢次级代谢次级代谢1. 合成代谢合成代谢（anabolism），），也称同化作用也称同化作用（assimilation） 生物不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过生物不

3、断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分；也是利用小分一系列生物反应转变成自身组织成分；也是利用小分子或大分子的结构元件合成生物大分子或其它所需分子或大分子的结构元件合成生物大分子或其它所需分子的过程。子的过程。 合成代谢需要能量。合成代谢需要能量。二、物质代谢二、物质代谢 2. 分解代谢分解代谢(catabolism)， 也称异化作用（也称异化作用（dissimilation ） 生物将从外界摄取或机体原有的物质经过一系列的生物将从外界摄取或机体原有的物质经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，同时生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，同时将

4、蕴藏在有机大分子中的能量逐步释放出来，提供给生将蕴藏在有机大分子中的能量逐步释放出来，提供给生命活动使用。命活动使用。 分解代谢的中间产物也可用于合成生命活动所需的分解代谢的中间产物也可用于合成生命活动所需的新的物质。新的物质。 三、能量代谢在新陈代谢中的重要地位三、能量代谢在新陈代谢中的重要地位 各种分子之间的互相转变称为物质代谢，而各种分子之间的互相转变称为物质代谢，而伴随着物质代谢发生的能量的吸收、转移、释放、伴随着物质代谢发生的能量的吸收、转移、释放、利用称为能量代谢。利用称为能量代谢。 1.ATP是能量代谢的中心物质是能量代谢的中心物质 生物体直接利用的能量物质主要是生物体直接利用的

5、能量物质主要是ATP。在分解代谢中，释放出的能量主要用于合成在分解代谢中，释放出的能量主要用于合成ATP，在需要机体需要能量时在需要机体需要能量时ATP水解提供能量。水解提供能量。 生物体对能量的消耗是惊人的。据计算，一生物体对能量的消耗是惊人的。据计算，一个处于安静状态的成年人，一日内需消耗个处于安静状态的成年人，一日内需消耗40kg的的ATP。在剧烈运动时，。在剧烈运动时，ATP的利用可达到每分钟的利用可达到每分钟0.5kg。2.2.能量代谢中的其他重要物质能量代谢中的其他重要物质1. 辅酶辅酶和辅酶和辅酶2. FMN和和FAD3. CoA-SH 由营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了由

6、营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了通过合成通过合成ATP的途径捕获外，还以氢原子和电子的的途径捕获外，还以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应。这种具形式将自由能转移给生物合成的需能反应。这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成。有高能的氢原子是由脱氢反应形成。 脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶或辅或辅酶酶等接受。当这些辅酶被氧化时，能量又被释放等接受。当这些辅酶被氧化时，能量又被释放出来。出来。 1. 不同生物的代谢不同、同一生物的大同小异不同生物的代谢不同、同一生物的大同小异大同大同 各类生物的物质代谢途径十分相似。各类生物的物质代谢途径十

7、分相似。 为什么？共同的祖先！为什么？共同的祖先！ 小异小异 低等的厌氧生物没有好氧代谢途径，而低等的厌氧生物没有好氧代谢途径，而 高等生物包括好氧细菌都高等生物包括好氧细菌都，但，但 同时保存了厌氧代谢途径。同时保存了厌氧代谢途径。 四、新陈代谢的特点四、新陈代谢的特点2. 反应步骤繁多，具有严格的顺序性；反应步骤繁多，具有严格的顺序性；3. 与环境相适应，可自动调节；与环境相适应，可自动调节； 五、代谢中常见的有机反应机制五、代谢中常见的有机反应机制（自学）（自学）六、新陈代谢的研究方法六、新陈代谢的研究方法 1.1.使用酶的抑制剂使用酶的抑制剂 酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造成其

8、酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造成其底物积累，为测定该代谢物提供条件。底物积累，为测定该代谢物提供条件。 利用酶的抑制剂可以研究代谢途径，从最初的反利用酶的抑制剂可以研究代谢途径，从最初的反应物经过哪些中间代谢产物，最终形成产物的。应物经过哪些中间代谢产物，最终形成产物的。 如：尿黑酸尿症如：尿黑酸尿症 尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸降解尿黑酸氧化酶缺乏，尿黑酸降解受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相应的对醌，后受阻，尿中的尿黑酸经空气氧化为相应的对醌，后者可聚合为黑的色素。者可聚合为黑的色素。2. 利用遗传缺陷症研究代谢途径利用遗传缺陷症研究代谢途径由于先天缺少代谢所需的某种酶而出现遗传缺陷症。

9、由于先天缺少代谢所需的某种酶而出现遗传缺陷症。3.3.同位素示踪法同位素示踪法 用放射性同位素示踪，可以跟踪某一原子的去向，用放射性同位素示踪，可以跟踪某一原子的去向，测试其在不同物质间的转移测试其在不同物质间的转移，从而得知代谢途径。，从而得知代谢途径。4. 核磁共振波谱法是一种实验技术。是一种实验技术。 （1）整体方法（）整体方法（in vivo)纯纯化化合合物物排泄物的排泄物的化学分析化学分析典型案例典型案例脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化Knoop 的标记化合物实验的标记化合物实验 脂肪酸的脂肪酸的氧化氧化脂肪酸末端甲基接上苯基脂肪酸末端甲基接上苯基偶数碳偶数碳FA 苯乙酰苯乙酰-N-甘氨酸（

10、苯乙尿酸）甘氨酸（苯乙尿酸）奇数碳奇数碳FA 苯甲酰苯甲酰-N-甘氨酸（马尿酸）甘氨酸（马尿酸）5. 体内试验和体外试验体内试验和体外试验（2）离体法）离体法(in vitro)器官、组织或细胞器官、组织或细胞各类组织细胞各类组织细胞各种破碎方法各种破碎方法碎片置于试管中碎片置于试管中向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代向该试管中加入纯化合物（如葡萄糖）分析各类代谢中间产物及酶，逻辑推断。谢中间产物及酶，逻辑推断。典型案例典型案例 糖代谢、生物氧化等等糖代谢、生物氧化等等（Bioenergetics）一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念二、化学反应中自由能的变化和意

11、义二、化学反应中自由能的变化和意义三、高能化合物三、高能化合物一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念 体系、环境、状态体系、环境、状态 能的两种形式能的两种形式 热与功热与功 热力学第一定律和内能热力学第一定律和内能(internal energy)、焓、焓(enthalpy). 热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵(entropy) 自由能自由能(free energy):凡是能够用于做功的能量称为自凡是能够用于做功的能量称为自由能。由能。 热力学第一定律热力学第一定律(能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律) 热力学第二定律热力学第二定律(能量传递的方向性定律能量传递的方向

12、性定律) 当体系的状态发生变化后当体系的状态发生变化后总能量不变总能量不变变化的是变化的是G（ G）变化朝自由能降低的变化朝自由能降低的方向进行方向进行 （G ）能量的传递形式热热功功？内能内能的传递方式的传递方式？动能、势能动能、势能转化和传递的方式转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等包括机械功、电功、化学功等（二）、能的两种形式（二）、能的两种形式体系总能量体系总能量 = 可做功的能可做功的能+ 不能做功的能不能做功的能（H） （自由能（自由能G） （热能）（热能）1.1.化学反应中的标准自由能变化化学反应中的标准自由能变化 在化学反应中，反应物和产物各自都有特定的在化学反应中，反应

13、物和产物各自都有特定的自由能。产物自由能的总和与反应物自由能的总和自由能。产物自由能的总和与反应物自由能的总和之差，就是该反应的自由能变化。之差，就是该反应的自由能变化。 为了计算的方便，人们总是规定一些条件作为为了计算的方便，人们总是规定一些条件作为标准条件，并将在此条件下所发生的化学反应的自标准条件，并将在此条件下所发生的化学反应的自由能变化称为标准自由能变化。由能变化称为标准自由能变化。 二、化学反应中自由能的变化和意义二、化学反应中自由能的变化和意义1.1.计算标准自由能变化时的标准条件计算标准自由能变化时的标准条件温度温度:25，即，即298K；压力压力:101,325 Pa（1at

14、m）；）；反应物和产物的浓度都是反应物和产物的浓度都是1mol/L；标准自由能变化的符号用标准自由能变化的符号用Go 表示。表示。对于生物化学反应来说：对于生物化学反应来说：还规定反应进行的环境为还规定反应进行的环境为pH=7，这时的标准自由能变化用这时的标准自由能变化用G o表示。表示。 2.Go 和和G Go 是在标准条件下，一个化学反应是在标准条件下，一个化学反应的自由能变化，它是一个常数的自由能变化，它是一个常数; G 是一个化学反应在某一实际条件下是一个化学反应在某一实际条件下的自由能变化，的自由能变化，G 随着反应的温度、反应随着反应的温度、反应物及产物的浓度、反应介质的物及产物的

15、浓度、反应介质的pH等的变化等的变化而变化。而变化。 3.3.标准自由能变化的计算公式标准自由能变化的计算公式 假设有如下的一个化学反应式：假设有如下的一个化学反应式： aA + bB cC + dD在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是：在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是： 式中式中Go 是该反应的标准自由能变化，是该反应的标准自由能变化，R是是气体常数，气体常数，T是绝对温度，是绝对温度，A、B、C、D代表代表4种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。badcBADCRTGGln0 从以上的公式可以看出，一个化学反应自由能的变化值从以上的公式可以看出

16、，一个化学反应自由能的变化值G，由两部分决定，一部分是不变因素，即由反应本身，由两部分决定，一部分是不变因素，即由反应本身的性质所决定；另一部分是可变因素，即各物质的浓度、的性质所决定；另一部分是可变因素，即各物质的浓度、反应的化学当量以及反应的温度。反应的化学当量以及反应的温度。 4. 反应的平衡常数与反应的平衡常数与G0 当反应达到平衡时，自由能变化为零，即当反应达到平衡时，自由能变化为零，即G = 0，而反应的平衡常数，而反应的平衡常数 代入上式得代入上式得 当当pH为为7时时 R：气体常数：气体常数1.98x10-3 kcal/mol k 或或 8.31x10 -3 kJ/mol k

17、T：绝对温度（：绝对温度（k) 根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度，可以根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度，可以计算出反应的平衡常数，代入上式可以计算出反应的计算出反应的平衡常数，代入上式可以计算出反应的标准自由能变化值。标准自由能变化值。 badceqBADCKeqKRTGln0ln0eqKRTG 注意，生化反应很多都是可逆反应，正反两个方向反应的注意，生化反应很多都是可逆反应，正反两个方向反应的G0 的绝对值相同，符号相反。的绝对值相同，符号相反。 5. G是反应能否进行的判据是反应能否进行的判据 G0时，时，W0，体系对外作功，该反应可自发，体系对外作功，该反应可自发进行，放能反应进

18、行，放能反应, G负值的绝对值越大，反应自发负值的绝对值越大，反应自发进行的趋势越大，随着反应的进行，进行的趋势越大，随着反应的进行，G负值的绝负值的绝对值越来越小，当对值越来越小，当G = 0时，反应达到平衡；时，反应达到平衡； G = 0时，时，W =0，该反应处于平衡，该反应处于平衡 G0时，时，W0，该反应不可自发进行，必须吸，该反应不可自发进行，必须吸收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反应收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反应的逆过程可以自发进行。的逆过程可以自发进行。6.6.化学反应和自由能关系的进一步说明化学反应和自由能关系的进一步说明(1)G0是反应能够自发进行的判

19、据，随着反是反应能够自发进行的判据，随着反应的进行，应的进行，G逐渐趋向于零，其反应的限度是逐渐趋向于零，其反应的限度是G = 0，这时反应达到平衡。，这时反应达到平衡。(2)G只提示化学反应的方向和限度，不预示只提示化学反应的方向和限度，不预示反应过程的速率，实际上许多反应过程的速率，实际上许多G 0的反应，的反应，即使有催化剂也不能进行。即使有催化剂也不能进行。(3)不稳定的基团自由能高，容易发生反应。不稳定的基团自由能高，容易发生反应。 例：当磷酸二羟丙酮例：当磷酸二羟丙酮3-磷酸磷酸-甘油醛平衡时，甘油醛平衡时， 浓度比为浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25 1atm该反

20、应平衡点时：该反应平衡点时： 甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 K= = 4.75x10-2 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮判断：当磷酸二羟丙酮为判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L，3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 为为 2 x 10-4 mol/L 时，反应怎样进行？时，反应怎样进行？ G= GO + RTlnK 平衡时，平衡时， G= 0 K = Keq GO = - RTlnKeq= - 2.303RTlgKeq=- 2.303 x 1.98x10-3 x298 x log (0.0475)= 1.81kcal/molG = GO + RTln产物产物/反应物反应物= 1.81kcal/

21、mol +2.303 x 1.98x10-3 x298 x log 3 x 10-6 mol/L (甘）甘） / 2 x 10-4 mol/L（丙）（丙）=-0.067 kcal/mol 7. 偶联化学反应标准自由能变化的可加性偶联化学反应标准自由能变化的可加性 在互相联系或称为偶联的化学反应中，这些相在互相联系或称为偶联的化学反应中，这些相互联系的化学反应的总的自由能变化等于各步反应互联系的化学反应的总的自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。自由能变化的总和。 在生化反应中，常有自由能变化为正值的反应在生化反应中，常有自由能变化为正值的反应与与ATP的水解反应相偶联。也就是说，的水解反应相

22、偶联。也就是说，ATP水解释放水解释放出的能量驱动了某一需能反应。出的能量驱动了某一需能反应。 热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反应所驱动应所驱动 A B GO0 （不能自发进行）（不能自发进行） CD GO0 （能自发进行）（能自发进行） A+C B+D GO0 （能自发进行）（能自发进行）能量学用于生物化学反应中的一些规定能量学用于生物化学反应中的一些规定1一个稀的水溶液系统，如果有水作为反应物一个稀的水溶液系统，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度规定为或产物时，水的浓度规定为1.0。2在生物化学能量学中，通常把标准状况的在生物化学能量学中，

23、通常把标准状况的pH规定为规定为7.0。而在物理化学中，标准状况规定为。而在物理化学中，标准状况规定为pH 0.0（即（即H+浓度为浓度为1.0mmol/L）。不同）。不同pH下下Go不同。不同。3标准自由能的单位为标准自由能的单位为 kJ/mol 或或 kcal/mol。三、高能化合物定义：一般将水解时能够释放定义：一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡千卡/mol)以上自由能（以上自由能（ G -21 kJ / mol）的化合物称为）的化合物称为高能化合物。高能化合物。 含有高能的基团之间的键称为含有高能的基团之间的键称为“高能键高能键”（high-energy bond），并用

24、符号），并用符号 表示。表示。 功能：有着十分重要的生物意义。热力学上不利的功能：有着十分重要的生物意义。热力学上不利的反应可以通过反应可以通过高能基团的传递高能基团的传递而被热力学上有利而被热力学上有利的反应所驱动的反应所驱动.类似的活化反应十分普遍存在类似的活化反应十分普遍存在。 D-6-磷酸葡萄糖比磷酸葡萄糖比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，这步活高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。解的根基。激酶激酶激活底物（激活底物（A）连接高能键的酶）连接高能键的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合

25、物例例D-葡萄糖葡萄糖 + + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + + ADP激酶激酶激酶激酶硫酯键化合物硫酯键化合物 S甲硫键化合物甲硫键化合物 CH3S+- C-CCOO一、高能化合物的种类一、高能化合物的种类磷氧型磷氧型 -OP磷氮型磷氮型 HN =C-NP(O)磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物311 高能键，水解断开，并可传递能量高能键，水解断开，并可传递能量磷氧键型高能磷酸化合物磷氧键型高能磷酸化合物乙酰磷酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸磷氧键型高能磷酸化合物磷氧键型高能磷酸化合物焦磷酸焦磷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸酰基腺苷酸酰基腺苷酸ATP

26、磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸氮磷键型高能磷酸化合物氮磷键型高能磷酸化合物磷酸精氨酸磷酸精氨酸磷酸肌酸磷酸肌酸 这两这两种高能种高能化合物化合物在生物在生物体内起体内起储存能储存能量的作量的作用。用。 神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是ATP，但，但ATP在在细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉中约细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉中约38mmol/kg。这些这些ATP只能提供肌肉剧烈活动只能提供肌肉剧烈活动1s左右的消耗。而肌肉和脑中左右的消耗。而肌肉和脑中磷酸肌酸的含量远远超过磷酸肌酸的含量远远超过ATP，在脑中约为，在脑中约为ATP的的1.5

27、倍，在倍，在肌肉中则为肌肉中则为ATP的的4倍。受过良好训练的运动员其肌肉中磷酸倍。受过良好训练的运动员其肌肉中磷酸肌酸的含量可高达肌酸的含量可高达30mmol/kg。磷酸肌酸可以看成是。磷酸肌酸可以看成是ATP的后的后备军，磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移到备军，磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移到ATP中。中。 当细胞处于静息状态时，当细胞处于静息状态时，ATP的浓度较高，反应向合成磷的浓度较高，反应向合成磷酸肌酸的方向进行。当细胞处于活动状态时，酸肌酸的方向进行。当细胞处于活动状态时，ATP的浓度下的浓度下降，反应即转向合成降，反应即转向合成ATP的方向进行，因此磷酸肌酸有的方向进行，因此

28、磷酸肌酸有“ATP缓冲剂缓冲剂”之称。之称。 磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等肌肉中的贮能磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等肌肉中的贮能物质，其作用与磷酸肌酸相似。物质，其作用与磷酸肌酸相似。 有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。 硫酯键型高能化合物硫酯键型高能化合物3-腺苷磷酸腺苷磷酸5-磷酰硫酸磷酰硫酸酰基酰基CoA甲硫键型高能化合物甲硫键型高能化合物S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸与核糖的与核糖的5碳相连碳相连一些磷酸化合物水解的标准一些磷酸化合物水解的标准自由能变化自由能变化化合物化合物Go磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式

29、丙酮酸-61.9 kJ/mol61.9 kJ/mol氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸-51.46 kJ/mol51.46 kJ/mol磷酸肌酸磷酸肌酸-49.3 kJ/mol49.3 kJ/molATP+H2O AMP+PPi -32.2 kJ/mol32.2 kJ/molATP+H2OADP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molADP+H2OAMP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molPPi+ H2O2Pi-28.8 kJ/mol28.8 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸-20.9 kJ/mol20.9 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸-13.8 kJ/mol13.8 kJ/mol注意注意ATP位于所列磷酸化合物的中间位置位于所列磷酸化