代谢引论与生物能学概述ppt课件

1、第六章第六章 代谢引论和生物能学概述代谢引论和生物能学概述 主要内容：介绍新陈代谢的概念和研究方法，生物能力学的基本内容和高能化合物的概念和特点。思索思索 目录目录第一节第一节 新陈代谢通论新陈代谢通论第二节第二节 新陈代谢研究方法新陈代谢研究方法第三节第三节 生物能学简介生物能学简介第五节第五节 高能化合物高能化合物第一节第一节 新陈代谢通论新陈代谢通论一、新陈代谢概念一、新陈代谢概念二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位三、新陈代谢的调节三、新陈代谢的调节四、代谢中常见的有机反应四、代谢中常见的有机反应 一、新陈代谢的概念一、新陈代谢的概念 新陈代谢新陈代谢m

2、etabolism是生命最基本的特征是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应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 ， 即 所 谓 同 化 作 用 转 变 成 自 身 组 织 成 分 ， 即 所 谓 同 化 作 用 assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用过一系列的生化反应，分解为简

3、单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用或排出体外，即所谓异化作用dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。，通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行、代谢途径逐步进行新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵 小分子小分子 大分子大分子合成代谢同化作用）合成代谢同化作用） 需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢异化作用）分解代谢异化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢信信息息交交换换生生物物界界能能量量传传递递及及转转化化总总过过程程太太

4、阳阳电子传递电子传递合成合成分解分解电子传递电子传递光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命现现象象自自养养细细胞胞异异养养细细胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光（光 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）（化（化 学学 能）能）（电（电 能）能）（化（化 学学 能）能）生物合成生物合成机机 械械 功功主动运输主动运输生物发光生物发光生物发电生物发电生物发热生物发热三、新陈代谢的调节三、新陈代谢的调节 分子水平分子水平 细胞水平细胞水平 整体水平整体水平 生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢

5、的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。密的调节机制是生物在长期演化中获得的。 代谢调节可分为三个不同水平：代谢调节可分为三个不同水平：四、代谢中常见的有机化学反应机制四、代谢中常见的有机化学反应机制 基团转移反应基团转移反应 氧化氧化- -还原反应还原反应 消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应 碳碳- -碳键的形成与断裂反应碳键的形成与断裂反应第二节第二节 新陈代谢研

6、究方法新陈代谢研究方法一、同位素示踪法一、同位素示踪法二、酶抑制剂的应用二、酶抑制剂的应用三、气体测量法三、气体测量法四、核磁共振波谱法四、核磁共振波谱法五、利用遗传缺陷症研究代谢途径五、利用遗传缺陷症研究代谢途径第三节第三节 生物能学简介生物能学简介一、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、自由能的概念二、自由能的概念三、化学反应中自由能的变化和意义三、化学反应中自由能的变化和意义四、生物体的能流和能量产生的三个阶段四、生物体的能流和能量产生的三个阶段一、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、形状体系、环境、形状 能的两种形式能的两种形式 热与功

7、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)二、自由能二、自由能free energyfree energy）物理意义：物理意义：* * ( (体系中能对环境作功的能量体系中能对环境作功的能量) ) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0G0G0，反应不能自发进行，反应不能自发进行 G=0G=0，反应处于平衡状态。，反应处于平衡状态。 自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有

8、很重要的意义，生物自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。三、三、 化学反应中自由能的变化和意义化学反应中自由能的变化和意义1、化学反应的自由能变化的基本公式、化学反应的自由能变化的基本公式 =

9、H-TS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应、偶联化学反应G变化的可加性变化的可加性4、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化学反应自由能的变化和平衡常数的关系化学反应自由能的变化和平衡常数的关系 假设有一个化学反应式：假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + aA + bB = cC + dDdD 恒温恒压下：恒温恒压下：G=GG=G+ RTlnQc + RTlnQc 式中：式中：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化例：计算磷酸葡萄

10、糖异构酶反应的自由能变化badCCBADCQ G G 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的生化学反应的pHpH和温度而改变的自由能变化。和温度而改变的自由能变化。 Qc - Qc - 浓度商：浓度商：badCBADCKeq G G 标准条件标准条件T=298OK,T=298OK,大气压为大气压为1atm,1atm,反应物和反应物和生成物浓度为生成物浓度为1mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0下，化学反应自由能的变化。下，化学反应自由能的变化。 Keq - Keq - 平衡常数：平衡常数：化学反应自由能的变化和氧化化学反应自由

11、能的变化和氧化- -还原电势的关系还原电势的关系 氧化氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： G=nFE 任何一个氧化任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。原电池。氧化氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生还原电势产生，任何氧，任何氧还电对都有其特定的标准电势原还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动，电池的标准电动势可用下势可用下式计算：式计算： 0（ E0 ） = E0正极正极-E0负极负极 生物体内的氧化还原物质在进行氧化生物体内的氧

12、化还原物质在进行氧化-还原反应时，还原反应时，基本原理基本原理和原电池一样。和原电池一样。例：计算例：计算NADHNADH氧化反应的氧化反应的GG 氧化氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 原原电池电池示意示意图图E0 = E0正极正极-E0负极负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V 负极反应负极反应: Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V正极反应正极反应: Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V 检流

13、计检流计盐桥盐桥ZnSO4CuSO4e+ +- -计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时达平衡时 =Keq=19解：解：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq =-2.303 =-2.3038.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6KJ.mol-1 =-7.6KJ.mol-1G=GG=G+ RTlnQc (Qc-+ RTlnQc (Qc-浓度商浓度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.3038.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1 =-13

14、.6KJ.MOL-1未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1反应反应G-1-PG-6-P在在380C达到平衡时，达到平衡时， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求 G0。如果反应未达到平。如果反应未达到平衡，设衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应的求反应的 G是多少？是多少？例题：例题：例题：计算下反应式例题：计算下反应式GGNADH+H+1/2O2=NAD+H2ONADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：正极反应：1/2O2+2H+2e 1/2O2+2H+2e H2O H2O E+ E+ 0.82 0.82负极反应：负极反应：NA

15、D+H+2e NAD+H+2e NADH NADH E- E- -0.3 -0.3GG-nFE-nFE -2 -296485964850.82-(-0.82-(-0.32)0.32) -220 KJmol-1 -220 KJmol-1 3、偶联化学反应、偶联化学反应G变化的可加性变化的可加性 在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 那么那么 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 该规则表明一个在热

16、力学上不利的反应，可以与热力该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。4、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、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度近似的即活度为水的浓度近似的即活度为1.0。2、生物体标准状况的、生物体标准状况的pH规定为规定为7.0。3、 G是是 pH为为7.0时的标准状况下的的标准自由能。时

17、的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制、根据国际单位制(Le Systeme international Unut ，简称，简称SI单位单位)，热和能量的单位用焦耳，热和能量的单位用焦耳/摩尔摩尔(Joules/mol)。生物系统中的能流生物系统中的能流脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递氧化）氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、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间产物如中间产物如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环

18、,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放，释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位 生物体内能量产生的三个阶生物体内能量产生的三个阶段段第五节第五节 高能化合物高能化合物一、高能化合物的类型一、高能化合物的类型 二、二、ATPATP的特点及其特殊作用的特点及其特殊作用 生化反应中，在水解时或基团转移反应生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（中可释放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩尔摩尔的化合物称为高能化合物。的化合物称为高能化合物。高高能能化化合合物物类类型型ATPATP的特点的特点 在在pH=7pH=7环境中，环境中，ATPATP分子中的三个磷酸分子中的三个磷酸基团完全解离成带基团完全解离成带4 4个负电荷的离子形式个负电荷的离子形式ATP4-ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大，因而水解自由能很大GG=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩尔）。摩尔）。ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -