生物能学与生物氧化课件

第五章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。思考返回第一节代谢通论总论

一、新陈代谢概念二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位三、新陈代谢的调节四、代谢中常见的有机反应

一、新陈代谢的概念

新陈代谢（metabolism）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，即所谓异化作用（dissimilation），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、代谢途径逐步进行生物界能量传递及转化总过程太阳电子传递合成分解电子传递光合作用呼吸作用生命现象自养细胞异养细胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（电能）（化学能）（化学能）（电能）（化学能）生物合成机械功主动运输生物发光生物发电生物发热

三、新陈代谢的调节分子水平细胞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：

四、代谢中常见的有机化学反应机制基团转移反应氧化-还原反应消除、异构化和重排反应碳-碳键的形成与断裂反应五新陈代谢研究方法一、同位素示踪法二、酶抑制剂的应用三、气体测量法四、核磁共振波谱法五、利用遗传缺陷症研究代谢途径一、有关热力学的一些基本概念

体系、环境、状态能的两种形式—热与功热力学第一定律和内能(internalenergy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy)二、自由能（freeenergy）物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*

(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：ΔG<0，反应能自发进行ΔG>0，反应不能自发进行ΔG=0，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。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：aA+bB=cC+dD恒温恒压下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc式中：ΔG°′=-RTlnKeq例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

ΔG′—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pH和温度而改变的自由能变化。

Qc-浓度商：

ΔG°′—标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。

Keq-平衡常数：化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：ΔG°′=－nFΔE°′任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下式计算：0（ΔE0）=E0正极-E0负极生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理和原电池一样。例：计算NADH氧化反应的ΔG°′氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

0（ΔE0）=(RT/nF)lnKeq=2.3(RT/nF)lgKeq

原电池示意图ΔE0

=E0正极-E0负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V负极反应:Zn=Zn2++2eE0Zn2+/

Zn=-0.76V正极反应:Cu=Cu2++2eE0Cu2+/

Cu=+0.34V检流计盐桥ZnSO4CuSO4e+-例题：计算下反应式ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82负极反应：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

3、偶联化学反应ΔG°′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相加的：例：

A=B+CΔG°′=+20.92KJ/mol

B=DΔG°′=-33.47KJ/mol则A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol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

1、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1.0。2、生物体标准状况的pH规定为7.0。3、ΔG°′是pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制(LeSystemeinternationalUnut，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、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间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物体内能量产生的三个阶段第五节高能化合物一、高能化合物的类型

二、ATP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中可释放出大量自由能（>21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。高能化合物类型ATP在能量转运中地位和作用

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ATP是细胞内的“能量通货”★

ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第三节生物氧化一、生物氧化概述（一）生物氧化的概念概念：有机物质在体内氧化分解产生CO2、H2O并释放能量产生ATP的过程。生物氧化在组织细胞内进行，消耗O2，产生CO2，故称呼吸作用。二、生物氧化中CO2的生成（一）体内生成CO2的特点糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。（二）有机酸的脱羧方式三、生物氧化中H2O的生成（一）H2O生成的一般原理水的生成是通过生物氧化体系来实现的。生物氧化体系是由脱氢酶、传递体及氧化酶组成。最重要的生物氧化体系是呼吸链。（二）呼吸链1.概念：代谢物上的氢原子被脱氢酶脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧，而生成水的全部体系的体系。也称电子传递链。2.组成和类型（1）组成①烟酰胺脱氢酶类以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，目前已者达200种以上。NAD(P)++2HNAD(P)H+H+②黄素脱氢酶类以FMN或FAD为辅基的脱氢酶，重要的黄素脱氢酶有琥珀酸脱氢酶（FAD）、脂酰CoA脱氢酶（FAD）、NADH脱氢酶（FMN）。

MH2+E-FMN(FAD)E-FMNH2(E-FADH2)+M③铁硫蛋白类(Fe-S)存在于线粒体上的一种电子传递蛋白质，其分子中含有非卟啉铁和对酸不稳定的硫，铁和硫构成等量关系（Fe2S2,Fe4S4)形成铁硫中心，通常简写为Fe-S。其作用是借铁硫中心内铁化合价的转变而传递电子作用。2Fe3++2e-2Fe2+④辅酶Q类（泛醌类）

为脂溶性的醌类化台物。因广泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，具有递氢作用。⑤细胞色素类（Cyt类）是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也依靠铁的化合价的变化而传递电子。2Fe3++2e-2Fe2+目前，发现至少有5种不同的Cyt，它们在典型呼吸链中排列顺序是b→c1→c→aa3。(2)类型①NADH呼吸链②FADH2呼吸链3.呼吸链中4个蛋白质复合体4.呼吸链中传递体的顺序（1）传递顺序（2）特异阻断剂NADH——CoQCoQ——Cytc1Cytaa3——O2-四、ATP的生成—氧化磷酸化（一）底物水平磷酸化（5％）在被氧化的底物上发生的磷酸化作用。如磷酸甘油酸激酶（二）电子传递体系磷酸化（95％）—氧化磷酸化（二）电子传递体系磷酸化（95％）—氧化磷酸化1.概念：电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP的过程。2.偶联作用和偶联部位NADHCoQCoQCytcCytaa3O2

3.P/O指每消耗1摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。NADH呼吸链P/O理论数＝3，FADH2呼吸链P/O理论数＝2；NADH呼吸链P/O实际数＝2.5；FADH2呼吸链P/O实际数＝1.5。4.氧化磷酸化作用机制关于氧化磷酸化作用机制