第六章代谢引论和生物能学概述

第六章代谢引论和生物能学概述第1页，共26页，2023年，2月20日，星期三目录第一节新陈代谢通论第二节新陈代谢研究方法第三节生物能学简介第五节高能化合物第2页，共26页，2023年，2月20日，星期三第一节新陈代谢通论

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第3页，共26页，2023年，2月20日，星期三

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、代谢途径逐步进行第4页，共26页，2023年，2月20日，星期三新陈代谢的概念及内涵

小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量

释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子物质代谢能量代谢新陈代谢信息交换第5页，共26页，2023年，2月20日，星期三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第6页，共26页，2023年，2月20日，星期三

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：第7页，共26页，2023年，2月20日，星期三

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第8页，共26页，2023年，2月20日，星期三第二节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第9页，共26页，2023年，2月20日，星期三第三节生物能学简介

一、有关热力学的一些基本概念二、自由能的概念三、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第10页，共26页，2023年，2月20日，星期三一、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)第11页，共26页，2023年，2月20日，星期三二、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。第12页，共26页，2023年，2月20日，星期三三、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

ΔＧ=ΔH-TΔS2、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ΔG°′变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定第13页，共26页，2023年，2月20日，星期三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：第14页，共26页，2023年，2月20日，星期三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第15页，共26页，2023年，2月20日，星期三

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+-第16页，共26页，2023年，2月20日，星期三计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ.mol-1ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ.MOL-1未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0。如果反应未达到平衡，设[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反应的ΔG是多少？例题：第17页，共26页，2023年，2月20日，星期三例题：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

第18页，共26页，2023年，2月20日，星期三3、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。第19页，共26页，2023年，2月20日，星期三4、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)。第20页，共26页，2023年，2月20日，星期三生物系统中的能流第21页，共26页，2023年，2月20日，星期三脂肪葡萄糖、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22页，共26页，2023年，2月20日，星期三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。第23页，共26页，2023年，2月20日，星期三高能化合物类型第24页，共26页，2023年，2月20日，星期三ATP的特点

在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ•MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ•MOL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—