代谢总论与生物能学

生物能学与代谢总论生物能学第一节

生物能学简介一、热力学定律及能量、焓和熵之间的定量关系二、

能的概念三、化学反应中

能的变化和意义一、有关热力学的一些基本概念焓(H):反应体系的热含量，J/mol放热反应：产物的热含量比反应物的热含量低，ΔH是负值热力学第一定律：任何物理或化学变化中，能量的形式可变化，但能量总量恒定。热力学第二定律：宇宙总是趋向越来越无序,熵(S)：反应体系无序状态的定量表达能变化与焓、熵的关系能的概念能是一个化合物分子结构中所固有的能量，是一种能在恒温恒压下做功的能量。自由能的热力学表达式为：G:

能；H:焓,以热表示的能量；T:绝对温度；S:熵所有自发的过程总伴随着

能的降低G=

H-TS

（1）就化学反应来说,能的

或利用体现了产物与反应物之间能的差别：ΔG

=G产物–G反应物根据式（1）（2）ΔG

=（H-TS）产物

–（H-TS）反应物=（H产物-H反应物）-T（S产物-S反应物）=ΔH-TΔSΔG

:

反应体系中 能的变化；（3）ΔH：反应体系中热含量或焓的变化

ΔS：该体系反应前后熵的变化，自然界ΔS总是正值一个自发进行的反应系统的ΔG总是负的；当反应进行到平衡状态时，无

能的变化，即ΔG=0，故从处于平衡状态反应中不能得到做功所需的能量放能反应,ΔG为负值;

吸能反应,ΔG为正值ΔG

=ΔH-TΔS

（3）二、细胞需要

能细胞是等温体系,它们在一个基本恒定的温度和压力下行使功能。由于热只能从高温物体向低温物体传递才能做功,所以热的流动不是细胞的能量来源。细胞能够而且必须利用的能量是能能是所有生物最根本的能量来源。异养细胞、光合细胞能将营养物或能转化成ATP和其他富含能量、能在恒温下做功的化合物。生物体用于作功的能量正是体内化学反应的能，其通过生物氧化产生能量并提供给有机体利用。能可以用来判断机体内某一过程能否自发进行。三、化学反应中化学能的转化:指化学物质所含的能量在其化学反应时转化成其它形式的过程。葡萄糖在体外燃烧

能量为

2868.8

kJ/mol在体内

能量逐步能的变化和意义1.

标准

能A+B

C+D其 能变化具有如下关系：p253反应开始时产物与

反应物的实际浓度比R处于平衡时产物

与反应物的浓度比ΔG

=

RT·In

[C][D]

T·In·Keq

（1）反应达到平衡时,则ΔG=0,此时浓度比实际上是平衡常数Keq

[C][D]=[A][B][A][B]在标准条件下,产物和反应物在反应初始时的浓度都为1mol/L,或比值=1,则式（1）ΔG

=

RT·In1

-

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

RT

logK平在标准条件下,

ΔG

以

示（2）即：除mL,

[细胞内生物化学反应的pH值、水的浓度基本恒定，所以对生理条件下的标准

能做了规定 H

和水外,

反应物和产物的浓度仍为1

ol/ H]=10 mol/L,水的浓度为5

5

l/L5生化体系标准

能变化用

示即：（3）反应

能的变化不仅与产物、反应物浓度有关,还与反应时的温度、pH有关。化学反应平衡常数与标准能变化的数量关系p253标准 能的变化，在标准条件下等于产物和反应物的 能之差A

+

B C

+

D0 有能量 ，自发正向进行0 反应处于平衡状态0 吸能反应，逆向进行2.标准

能预示反应方向有机化合物所含的能取决于化合物中所含基团的能量，一般来说，不稳定、活泼的化学基团常具有较高的能。细胞内反应物与产物的浓度始终处于变化状态，在非标准状态下，生化反应中的能变化ΔG'的计算：3.实际 能的变化取决于反应物和产物的浓度2=

2.303RT·log[反应物][产物]<[反应物]，则ΔG'<0ΔG'=2.303RT·lo

[产物]

.303RT·log·K平[产物][反应物]4.偶联化学反应标准 能变化的可加性1、A

B+C2、B

D总

A

C+D5

kcal/mol8

kcal/mol=

kcal/mol偶联化学反应各反应的标准能变化是可以相加的,因此,总的标准能变化等于各步反应能变化的总第二节生物氧化还原反应中的能变化生物氧化的定义糖、脂、蛋白质等有机物在活细胞内氧化分解,产生CO2和H2O,并

出能量的过程各个物质氧化的途径不同,但脱下的氢和电子最终传递给氧,并生成水的过程是相同的。电子传递过程由一系列的氧化还原反应组成,氧化还原反应中

出能量推一、氧化还原反应与氧化还原电势氧化还原反应标准氧还电势电子供体电子受体-0.421V+0.77V原电池中电子流动方向：电子总是从低电位向高电位流动标准氧化还原电势一个氧化还原对失去电子和得到电子的倾向。如

Fe2失+

去电子或Fe3+得到电子的倾向,称作氧化还原电势或氧化还原电位(E)。生物体内的氧化还原对标准电势规定：pH7、氧化型和还原型的浓度为1.0

mol/L、25℃,在这样的标准条件下与标准氢电极偶联,测得的标准氧化还原电势用 示。p258二、氧化还原电势与 能变化关系任何一个氧化还原反应,都有氧化还原电势产生,任何氧化还原电对都有其特定的标准电势(

,标准条件下,电子从较高电对的倾向是较低的电对流向能降低的结果。电能降低的方向流子总是趋于向反应体系中动。两个氧化还原对之间 的差越大,

能降的就越大。两电对间标准氧化还原电势之差表示为氧化还原反应标准

能的变化与标准电势差的关系为氧还反应的

和的关系为n：转移电子的数目,F：法拉第常数三．生物氧化反应的电子载体NNCONH21.

辅酶I 酶IICOOHVitPP包括烟酸和烟酰胺，属吡啶衍生物辅酶I、辅酶II的主要组成成分是烟酰胺NAD+NADH

+NADPH+氧化型NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,又称辅酶I，CoI)NADP+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,又称辅酶II，CoII)+2H+2e+2HNADPH

++2e还原型H+H+电子受体电子供体-2H

-2e2H+

+½O2H2O辅酶I、辅酶II是氧化还原酶(脱氢酶)的辅酶,通过吡啶环可逆的进行氧化还原反应,起着递氢和递电子的作用,同时NAD又是+呼吸链递氢过程中的一员,参与能量代谢,也是DNA连接酶的辅酶。OCH2OPOPOCH2OH

OHO

OO-

O-N+CONH2OH

OH(OPO3H2)NNONH2NN2．FMN、FAD维生素B2又名核黄素，由核糖醇和7，8-二甲基异咯嗪两部分组成。FMN 黄素单核苷酸FAD 黄素腺嘌呤二核苷酸VitB2异咯嗪1,5位N原子上可加氢及脱氢,易起氧化还原反应。22NCOOOHOHOH

OCH2CHCHCHCH2OPOHN

N

OHCH3CH312C4

3NH5687910-2H2eFMN

+2H

F2eMNH

FAD

+2HFADH22eH2e功能：在脱氢酶催化的反应中,起电子和质子的传递作用,是一些氧化还原酶-黄素蛋白的辅基,也是电子呼吸链的成分。FMN、FAD广泛参与体内各种氧化还原反应,所以VitB2能促进糖、脂肪和蛋白质代谢,对维持皮肤,粘膜和视觉的正常机能有一定作用。CoQ

+

2H

+

2eCoQH23.辅酶Q(CoQ)OCH3OCH3OCH3(CH2CH

C

CH2)nHO

CH3n=6-104.硫辛酸硫辛酸+2H+2e二氢硫辛酸S

CHS

CHCH2CH2CH2CH2COOHCH2第三节、高能化合物高能化合物：生化反应中,在水解或基团转移反应中可

出大量能，一般将能够-25～-61.9KJ/mol能量的化合物称为高能化合物。这种高能键常以“～”来表示。一个化合物水解时能

的 能取决于该化合物的分子结构和性质及反应体系键能：是指使一个化学键断裂所需的能量高能键：在断裂时会

大量

能的键高能键与键能根据生物体内高能化合物键的特性可以把他们分成以下几种类型。1、磷氧键型化合物2、氮磷键型化合物3、硫酯键型化合物4、甲硫键型化合物一、高能化合物的类型1.磷氧键型(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、氮磷键型磷酸肌酸-43.0KJ/mol磷酸精氨酸-32.2KJ/mol这两种高能化合物在生物体内起 能量的作用。磷酸肌酸肌酸

ATP

肌酸磷酸肌酸＝ATP缓冲剂磷酸肌酸、磷酸精氨酸又称为磷酸原某些微生物以聚偏磷酸为储能物质ADP

磷酸肌酸肌酸激酶3、硫酯键型3`-磷酸腺苷-5`-磷酰硫酸OR

C

SCoA酰基辅酶A由酰基和硫醇基构成的一类高能化合物，如：乙酰CoA、脂酰CoA和琥珀酰CoA等Acetyl-CoA:糖、脂肪、氨基酸代谢的共同产物thecarrier

of

activated

acetyl

groups泛酸辅酶A在能量代谢中的作用巯基乙胺辅酶A（CoA）主要起传递酰基的作用，是各种酰化反应的辅酶，-SH是携带酰基的部位，可写成：CoASH乙酰辅酶A：CH3-CO∼SCoA的乙酰基团很活泼，巯基与酰基形成硫酯键，硫酯键为高能键，水解可产能。CoA－SHCH3-CO∼SCoACH3-CO－4、甲硫键型COO-3NH

+CHCH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸SAM二、ATP的特点及其特殊作用OO-

PO-NNNH2N

NOHHOH

OHOCH2H

HO

OO-

P O-

PO-

O-生物体需要利用能做功，机体内捕获和携带 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 做化学功时所需的能量2、是生物活动以及肌肉收缩的能量来源3、营养物质 （主动转运）所需能量4、DNA,

RNA和蛋白质生物

,

信息的传递等方面所需能量普通人消耗40KgATP/日，激烈活动要消耗几十倍

ATP。细胞内ATP只满足1～2分钟能量需要，脑细胞内只有几秒钟的

ATP，所以要不 谢,不断补充ATPATP分子内的静电斥力和形成产物的相 振作用是ATP易水解释能的原因1.

ATP的结构特征磷酸酐键磷酯键在生理pH条件下,ATP的磷酸基完全解离成负离子,负电荷之间相互排斥P-O-P键处于不稳定的状态。ATP等分子必须具有足够的内能来克服相邻的同种电荷之间的静电排斥,所以这样的结构(磷酸酐键)在水解反应中断裂时,这部分能量就

出来,即

的标准

能大。2.ATP水解时标准 能变化△G0’

=-

35.7

kJ/mol

> -

30.5kJ/molATP易水解1.

ATP4-

+

H2O能的三个重要因素：ADP3-

+

HPO42-

+

H+标准状况下，ATP4-，ADP3-，HPO42-浓度约为1M，而H+浓度仅10-7M,使得ATP4-向分解方向进行；ATP4-的4个负电荷空间相距很近,互相排斥；产物ADP3-，HPO42-

都是

杂化物，能量可降到最低，促使ATP水解3.ATP是细胞内放能与吸能反应的偶联物生物体内产能、需能反应的偶联是通过ATP完成的。ATP是生物体最重要的传递能量的分子,是生物体内能量流通的“货币”。ATP不断地处于动态平衡的周转之中(ADP和AMP),ATP提供的能量主要用于:生物

、肌肉收缩、营养物质的逆浓度跨膜等。在生物体中,能够提供能量的核苷酸分子除ATP外,还有GTP、UTP、CTP等。所有的核苷三磷酸的高能磷酸基都由ATP转移而来。ATP以外的核苷三磷酸的递能作用多糖蛋白RNADNA各种核苷三磷酸参与不同生物4.ATP具有较高的磷酸基转移势代谢总论新陈代谢定义：生物体内一切化学变化的总称,是生命活动的重要特征之一。是由多酶体系协同催化的高度协调、有目的的化学反应。代谢的基本要略是形成ATP、还原力和构造单元。代谢可分为分解代谢和 代谢,也可分为物质代谢和能量代谢。摄取、吸收、转化、利用1.从环境中获得营养物质2.营养物质转变为自身的结构元件3.结构元件装配成生物大分子4.形成或分解生物体特殊功能的生物大分子5.提供生命活动所需的一切能量代谢:

包括分解代谢与

代谢同化作用异化作用物质代谢能量代谢分解代谢：将从外界摄取或自身的有机营养物,通过一系列反应转变为较小的、较简单的物质的过程代谢：生物体利用小分子或大分子的结构元件自身需要的大分子的过程代谢同化作用:小分子大分子;需要能量异化作用:

大分子分解成小分子;

能量能量代谢物质代谢脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸