生物化学课件：6-代谢总论与生物能学-s

AnOverviewofMetabolism第九章代谢总论

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合成代谢,也可分为物质代谢和能量代谢。功能：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:

包括分解代谢与合成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储存的有机营养物,通过一系列反应转变为较小的、较简单的物质的过程合成代谢：生物体利用小分子或大分子的结构元件建造成自身大分子的过程脂肪葡萄糖、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。机体在分解代谢中产生自由能的过程大致可分为3个阶段：第一阶段:由营养物的大分子如淀粉、蛋白质、脂肪等分解成较小的分子如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸等；第二阶段:小分子进一步转变为少数几种共同物质如乙酰辅酶A等；第三阶段:由柠檬酸循环(产生NADH和FADH2)和氧化磷酸化产生大量的ATP,这是产能的主要阶段。分子水平整体水平细胞水平激素调节神经调节酶的调节酶活的调节酶量的调节新陈代谢的调节

第八章生物能学目录第一节生物能学简介第二节高能化合物第一节生物能学简介一、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：能量的形式可以改变,总量恒定焓(热含量，H)

热力学第二定律和熵(S)

自由能(freeenergy)二、自由能G=H-TS

太阳能是所有生物最根本的能量来源。 能够用以做功的能量称为自由能。生物体的一切生命活动都需要能量,如果没有能量来源,生命即停止。物理意义：ΔＧ＝ΔH-TΔS

ΔＧ:自由能的变化，ΔH:焓的变化

T：绝对温度，ΔS:反应前后熵的变化

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。自由能可以用来判断机体内某一过程能否自发进行。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。葡萄糖在体外燃烧释放能量为

2868.8kJ/mol在体内能量逐步释放三、化学反应中自由能的变化和意义1.标准自由能化学反应的标准自由能变化等于产物的标准生成自由能的总和减去反应物标准自由能的总和A+BC+D标准自由能变化：p2532.反应方向与趋势－

自由能的变化与化学反应方向

化学反应中,一个能自发进行的反应,总是伴随着自由能的降低,反应自由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。△G可用于判断反应能否自发进行与趋势

A+BC+D+△H

△G<0有能量释放，自发正向进行

△G＝0反应处于平衡状态

△G>0吸能反应，逆向进行

有机化合物所含的自由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自由能。p2533.偶联化学反应标准自由能变化的可加性1、AB+C

=+5kcal/mol2、BD

=-8kcal/molAC+D

=-3kcal/mol

偶联化学反应各反应的标准自由能变化是可以相加的,因此,总的标准自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。且机体利用自由能做功是在常温常压下进行的。机体内捕获和携带自由能的分子是ATP。糖、脂、蛋白＋O2CO2+H2O+ATP第二节生物氧化还原反应中的自由能变化一、氧化还原反应标准氧还电势电子供体

电子受体电子流动方向-0.412V+0.77V电子总是从低电位向高电位流动二、自由能的变化和氧化-还原电势的关系任何一个氧化-还原反应，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧化还原电对都有其特定的标准电势(

)，

值越大，获得电子的倾向越大。氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

和氧还反应的关系如下：

三．生物氧化反应的电子载体辅酶I、辅酶II的主要组成成分是烟酰胺VitPP包括烟酸和烟酰胺，属吡啶衍生物辅酶II辅酶I1.

NAD+

NADH+NADPH+NADPH+

氧化型还原型

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

+2H+2eH+H+电子受体电子供体-2H-2e

2H+½O2+H2O

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。+2．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VitB2

FAD黄素腺嘌呤二核苷酸异咯嗪1,5位N原子上可加氢及脱氢,易起氧化还原反应。

FMNFMNH2FADFADH2

12345678910+2H2e-2H2e-2H2e+2H2e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)

4.硫辛酸

硫辛酸+2H+2e二氢硫辛酸第三节、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释放出大量自由能，一般将能够释放-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释放的自由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：在断裂时会释放大量自由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1.3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸42.2KJ/mol-49.3KJ/mol（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸-33.4KJ/mol-30.5KJ/mol（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸-61.9KJ/mol2、氮磷键型磷酸肌酸磷酸精氨酸-43.0KJ/mol-32.2KJ/mol这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。磷酸肌酸

ADP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肌酸激酶3、硫酯键型3`-磷酸腺苷-5`-磷酰硫酸酰基辅酶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thecarrierofactivatedacetylgroups泛酸巯基乙胺3′－磷酸－ADP辅酶A在能量代谢中的作用辅酶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：CoASHβ－巯基乙胺泛酸乙酰辅酶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。CH3-CO∼SCoACoA－SHCH3-CO－4、甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸

SAM

二、ATP的特点及其特殊作用能量的储存形式：ADP、ATP、GTP等ATP的用途1、提供生物合成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、营养物质运输（主动转运）所需能量4、DNA,RNA和蛋白质生物合成,基因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，所以要不断代谢,不断补充ATPATP分子内的静电斥力和形成产物的相反共振作用是ATP易水解释能的原因1.ATP的结构特性酸酐键磷酯键

在生理条件下(pH7.4),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,这部分能量就释放出来,即释放的标准自由能大。2.ATP水解时标准自由能变化△G0’

=-35.7kJ/mol>-30.5kJ/mol

ATP易水解释放自由能的三个重要因素：ATP4-+H2OADP3-+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；2.ATP4-的4个负电荷空间相距很近,互相排斥；相反共振作用争夺O的未共用电子对；3.产物ADP3-，HPO42-

都是共振杂化物，能量可降到最低，促使ATP水解释放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:生物合成、肌肉收缩、营养物质的逆浓度跨膜运输等。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合成多糖合成蛋白合成RNA合成DNA各种核苷三磷酸参与不同生物合成4.ATP具有较高的磷酸基转移势

习题

1.在25℃下，当〔ATP〕＝4mmol/L,〔ADP〕=0.15mmol/L,〔磷酸肌酸〕＝1.0mmol/L时,

请预示肌酸激酶催化反应的方向是ATP被合成还是磷酸肌酸被合成。已知在标准条件下的=+12.6kJ/mol2.计算下面每个氧化还原反应的标准还原电势的