第四章：能量与代谢

第7章能量与代谢本章内容提要1)热力学的几个基本概念2)非平衡系统与耗散理论3)什么是新陈代谢4)能量流通与交换的媒介---ATP的结构5)酶催化反应特点与机制6)酶的结构与分类7)酶促化反应的专一性与可控性地球三极生态系统---能量循环生物能学1)生物能学研究生物整个机体与环境互作中的能量交换与利用的规律.2)变温动物与恒温动物两栖类与爬行动物属于变温动物,其体温随环境温度的变化而变化,环境温度每上升10OC,反应速率增加一倍.鸟类和哺乳动物为恒温动物,依赖体内代谢产生的热量维持体温,使其可选择更广阔的生活环境.3)体形大小与代谢速率生物代谢速率一般与体形大小成反比,

因为体形小的生物体表面积更大,相对体积而言散发更多的热量.

熵,焓和自由能定义1)焓(enthalpy):化学反应中反应物或产物总的化学键能称为焓(H),

单位:J/mol2)自由能(freeenergy):在恒定温度和压力条件下可以做工的能量(G),

单位:J/mol热力学中所指的熵(entropy)(S)，是指系统所处无序状态度量,单位:cal/mol.K

热量被温度所除的值，即Ｓ＝Ｑ／Ｔ

熵,焓和自由能之间的关系公式:△G=△H－T△S

G:自由能,H:焓,S:熵,T:绝对温度1)△G＜0时,为放能反应.△G＞0时,为吸能反应.“△”表示“增量”2)当化学反应产物所含能量低于反应底物时,△H＜0,为放能反应,焓减少.

当化学反应的产物所含能量高于反应底物时,△H＞0,为吸能反应,焓增加.3)当反应产物的复杂性减少,无序性增加时,S值增加.在一个没有外界能量输入的封闭系统中,反应的方向是趋向S值增加,无序性增大.热力学与生命系统1）热力学第二定律指出,在一个封闭的体系内,无序性趋向于增加,即熵值增大.2）生命的演化是从无序到有序，是有序性趋向于增加，熵值减少，似乎违反热力学第二定律。3）1870年，英国物理学家麦克斯韦设想在系统中一定存在某个东西（麦克斯韦妖，Maxwell‘sdemon

）来不断吸收熵，使系统保持有序和发展，他一直努力的寻找这个“妖”，结果失败。1944年，奥地利学者薛定谔首次在其专著＜生命是什么？－活细胞的物理面貌＞中直接引入“负熵”这个特殊的概念.他认为系统一方面不断增熵，另一方面，又不断从系统外部获得负熵，这样，有机生命体得以发展和进化下去．热力学:平衡态与非平衡态1)平衡态:系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在,系统内的各点参量是均匀一致的,尤其各点温度是一致的,另外系统与外界不伴随熵流。

2)非平衡态:耗散结构(dissipativestructure)

系统是开放的,远离平衡态，并与外界不断发生能量交换,即有负熵输入,系统可从无序变为有序.普利高津与耗散理论1)热力学第二定律告诉人们：物质的演化总是朝熵增加、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：生物的进化则是由低级到高级，朝熵减少、向有序的方向进行。前者给出了“宇宙热寂说”的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。2)普利高津认为，要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。3)经过20多年的努力，普利高津与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的关于非平衡系统自组织理论—耗散结构理论。耗散理论4)按照耗散结构理论，一个远离平衡态的开放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、经济的系统，如果不断地与外界交换物质和能量，在外界条件变化过渡到一定程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界值时，经过涨落系统可能发生突变，即非平衡相变或涌现。该系统由原来的混乱无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。由于对非平衡热力学特别是耗散结构理论所作的重大贡献，普利高津于1997年荣获诺贝尔化奖.

TheoryofDissipativeStructure

达到耗散结构几个必要条件:一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性互作，并且需要不断输入能量来维持。耗散结构是研究复杂性系统生成规律的理论依据。生命系统是典型的复杂系统。如涨落导致有序，系统中的任何一个元素都有可能随时发生变化，而且任一元素的微小变化都能使得整个系统中的其它元素发生变化，并最终形成一个新的相对稳定状态。

普利高津(IlyaPrigogine)

普利高津,莫斯科人,布鲁塞尔自由大学化学博士;1951年起任该校理学院教授，1959年担任索尔维国际物理及化学研究所所长。1967年他来到得州大学奥斯汀分校任物理学和化学工程的教授,1977成为Regental教授,1984年成为AshbelSmith教授.在奥斯汀时，他开创了研究统计力学和复杂系统的伊利亚.普利高津中心,即后来的热力学和统计力学中心。普利高津博士于2003年5月28日在比利时布鲁塞尔的伊拉斯谟医院病逝,享年86岁。

什么是代谢?生物体内全部化学物质的转化和能量的转化过程称为代谢,涉及:1)物质转化:合成或分解即同化作用与异化作用.2）能量转化:释放或吸收生物体要维持其生命活动，必需消耗能量。放能反应与吸能反应1.反应物的总能量>生成物的总能量,放出能量,为放能反应.2.反应物的总能量<生成物的总能量,吸收能量,为吸能反应.3.形成生成物的化学键要放出能量,断开反应物的化学键要吸收能量.4.化学反应完成后的结果是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小。人体各种运动消耗的能量比较

活动体重65.5kg每小时耗能(Kcal)-------------------------------------------------------------------------

骑自行车(快)514

骑自行车(慢)170

跳舞(慢)202

跳舞(快)599

体操186

实验室工作73

弹钢琴73

跑步865

打字28

下棋30

站立32

游泳(2mph)535

细胞中的耗能活动

-

消耗ATP细胞中的耗能活动涉及三个主要方面:1)膜内外的物质转运;2)细胞内的做工—机械运动;3)生化反应.能量货币---ATP的结构与功能ATP高能键的化学基础

ATP促使耗能反应ATP的产生1)光合作用可直接产生ATP2)糖酵解和三羧酸循环过程产生ATP3)氧化磷酸化产生ATP代谢的核心---酶

生物体内一切生化反应都必需酶的参与:1）定义

2）分类

3）酶促反应

4）催化机制酶,

enzyme希腊语:

inyeast;酵素酵母/细胞，发酵生命体内催化化学反应的物质本质是：蛋白质酶的定义1）酶是一类具有催化活性的蛋白质分子，它可提高反应速率，但自身并不转变成其它分子，也不改变自身的结构与活性。2）RNA也具有催化活性，但有一个特别的称呼：核酶（ribozyme）.酶的分类

全酶(holoenzyme)

||

酶蛋白（apoenzyme)+

辅助因子（cofactor)

cofactor

辅基，prostheticgroup辅酶，co-enzyme金属离子(也可归入辅基)结合蛋白酶必需与其它成分结合才能执行催化反应,其它成分主要有两类：

辅酶—与蛋白质结合松弛的有机分子,如维生素.辅酶与酶蛋白结合疏松,可用透析方法除去；

辅基—与蛋白质结合紧密的成分。辅基可以是有机化合物，如糖、脂和核酸；也可以是金属离子，如铜离子是铜蓝蛋白的辅基，血红素是血红蛋白的辅基等。

辅酶---维生素D维生素D是一种脂溶性维生素.维生素D的作用主要是调节人体内钙和磷的代谢，促进其吸收利用，促进骨骼成长。人们获得维生素D的主要途径不是食物，而是晒太阳。

酶促反应与能障1)启动某一化学反应时存在的能量障碍称为能障.2)用于克服能障,使化学键断裂,促使化学反应进行所需要的能量称为活化能.3)酶促反应的核心是降低化学反应所需的活化能,

并能在温和的常温常压条件下促使反应进行.活化能的化学含义活化能是一个化学名词，又被称为阈能。这一名词是由瑞典科学家阿伦尼乌斯（Arrhenius）在1889年引入，用来定义一个化学反应的发生所需要克服的能量障碍.

耗能反应图解酶反应类别1）氧化还原类2）基团转移类3）水解类4）裂解类5）异构类6）抗体酶

------氧化还原酶转移酶水解酶裂合酶异构酶连接酶假设E+SES的平衡迅速建立反应初速由最高速度与底物浓度决定

v=Vmaxf(S)

v=Vmax/(1+C/[S])

v=米氏（Michaelis-Menten）方程Vmax[S]C+[S]v=Vmax[S]/(Km+[S])米氏方程和米氏常数的意义Km值越小,底物与酶亲和力越强,反应越迅速米氏方程表示一个酶促反应的起始速度（v）与底物浓度（S）关系的速度方程，v＝VmaxS/（Km+S）。米氏常数Km是V达到1/2Vmax时的底物浓度（即Km=[S]）

酶促反应的特点1）底物专一性

结构专一性：只能催化特定的低物反应,

涉及特定的化学键

立体异构专一性：旋光异构与几何异构2）在酶活性中心发生：与底物结合,执行反应的部位为活性中心3）反应条件温和：

常温,常压,近中性pH值4)高效率:反应速率极快,DNA复制:800bp/s5)低耗能:固定一个N2,仅需16ATP.酶的专一性—结构专一性立体异构专一性

--

糖元与纤维素的合成与酶解酶活性中心---青霉素的作用机制(1)酶活性中心---青霉素的作用机制(2)青霉素的分子构型与细菌细胞壁的底物D-ala-D-ala转肽构型极其相似,因此可与糖肽转肽酶结合,占据底物的位置,阻止细胞壁的合成,使细菌因内含物渗漏而死亡.青霉素可以杀死革兰氏阳性菌！酶

催

化

如

何

降

低

能

障

(1)酶催化反应的高效率原因是:1)提高底物在反应区间的浓度;2)使反应基团正确定位以便反应底物之间接接触;3)通过改变反应底物的分子几何构型和电子轨道的分布降低活化能。低活化能.酶

催

化

如

何

降

低

能

障

(2)酶活性部位的氨基酸侧链基团可使底物共价键的电子轨道分布发生空间位移,减少电子轨道的重叠,从而减弱并加速共价键的断裂,促使肽键水解.无酶催化时无反应碱性基团(NH4+)催化:带正电荷的氢与-C=O的氧互作,使电子轨道发生偏离,并使-C=O的碳原子对水分子中负电性氧原子产生吸引力,最终减弱了肽键的能量.酸性基团催化:酸性基团中氧原子吸引水分子的氢原子,使水分子的氧原子对肽键的C原子产生吸引力,由此减弱肽键的能量.同时出现碱性和酸性催化:肽键的羰基氧原子受到两个方向的作用力,使肽键的共价键更加弱化,最终水分子的-OH取代-NH,肽键断裂.这是一个水解断裂肽键反应胰凝乳蛋白酶的催化---肽键如何断裂

工业固氮与生物固氮1)哈伯在1910年发明工业固氮法,目前生产化肥的工厂仍在使用:N2+3H2→2NH3

这一反应需在5000C和300个大气压,并在铁催化剂的参与下进行.2)生物固氮的种属主要有微生物如根瘤菌和蓝绿藻等.微生物固氮每年的数量为2x1011千克.生物固氮完全在常温常压下进行,利用电子将N2还原为NH4+,高效低耗.3)N≡N含三对共价键,非常稳定,键能为942kJ/mol.因此要固定N素,需要极高的活化能:N2+10H++8e+16ATP=2NH+4+16ADP+16Pi+H2生物固氮催化反应固氮菌与植物共生结瘤,在还原状态下利用ATP将N2还原为-NH4.影响酶反应的因素1)温度

2)pH值

3)底物浓度

4)抑制剂

5)反馈抑制生物代谢的特点1)同化作用:

消耗能量将小分子合成大分子的过程2)异化作用

将复杂的化合物分解为简单的小分子并释放能量的过程3)生物代谢具有:

区域性,有序性,可控性,酶促反应,动态平衡,

代谢路线交叉等特点

生物代谢的特点---区域性1)组织水平:肝,肠,肺,脑,叶,根等不同组织只发生与特定功能相对应的代谢.细胞水平:血细胞,白细胞,神经细胞,肌肉细胞,生殖细胞,表皮细胞的代谢不同.3)亚细胞水平:线粒体,溶酶体,内质网,细胞核,核仁,过氧化物体等执行不同任务.生物代谢的特点---可控性1)

能量的释放和消耗是逐步发生的.2）代谢调节:正反馈,负反馈2)信号调节:激素,环境压力3)发育调控:营养生长,生殖,衰老生物代谢的特点--反馈调控代谢抑制:通过生化反应的终端产物来抑制催化产生终端产物的代谢过程.终端产物在过剩时可与催化初始反应的酶结合,并改变其活性,由此达到抑制整个生化路线的目的.代谢抑制调控是一种代谢负调控。代谢缺陷病

生物体内的代谢如果发生差错和障碍,将会导致严重的后果:

蚕豆病苯丙酮酸尿症

痛风症

(嘌呤代谢紊乱):血清中尿酸水平升高,

尿酸纳晶体沉淀从而导致关节炎症.

尿黑酸尿症:常染色体隐性遗传病,尿黑酸氧化酶缺乏，因而由酪氨分解而来的尿黑酸不能进一步分解为乙酰乙酸。过多的尿黑酸由尿排出,并在空气中氧化为黑色

蚕豆病---G6PD缺陷症蚕豆病是葡糖六磷酸脱氢酶（G6PD）缺陷者进食蚕豆后发生的急性溶血性贫血:1)公元前五世纪,希腊历史学家Herodotus描述了一些希腊人食用蚕豆后引起严重的急性溶血症状.2)朝鲜战争中,美国士兵使用佰氨喹啉预防疟疾.约10%的黑人士兵发生血细胞破坏及急性贫血.3)上述病症的原因在于葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)的遗传缺陷.该酶的突变型稳定性差,半衰期从62天减至13天,使

血细胞抗氧化能力下降,造成红细胞破坏.4)葡萄糖-6-磷酸脱氢酶涉及戊糖代谢支路,产生NADPH.5)G6PD缺乏症很常见,全球约4亿人受累,在非洲,地中海和亚洲人群中有较高的发病率.中国蚕豆病的分布

蚕豆病在我国西南、华南、华东和华北各地均有发现，而以广东、四川、广西、湖南、江西为最多。3岁以下患者占70％，男性患者占90％。成人患者比较少见。G6PD缺乏者40％以上的病例有家族史。本病常发生于初夏蚕豆成熟季节。绝大多数病人因进食新鲜蚕豆而发病。蚕豆能使G6PD缺乏者的红细胞内还原型谷胱甘肽（GSH）含量显著降低，高铁血红蛋白浓度增高。蚕豆中提取出多种生物质如蚕豆嘧啶核苷、蚕豆嘧啶、异脲脒和多巴均有抑制G6PD活性的作用。蚕豆中引起溶血的物质究为何物，至今仍未清楚。新鲜蚕豆比干蚕豆容易致病，新鲜或阴天采集的蚕豆皮中含有更多的毒性物质。晒干后，蚕豆皮中蚕豆嘧啶核苷和多巴被氧化，毒性因而减低。苯丙酮酸尿症

phenylketonuria苯丙酮酸尿症系由苯丙氨酸羟化酶基因缺陷引起的遗传性疾病。常染色体隐性遗传。临床特征是严重的智力发育障碍（白痴）及尿中有过量苯丙酮酸排出,患儿身体有类似鼠尿的霉臭味

。

苯丙氨酸是必需氨基酸之一。人体摄入的苯丙氨酸除用于蛋白质合成外，在肝脏苯丙氨酸羟化酶作用下生成酪氨酸，少量苯丙氨酸进入次要代谢途径，经转氨基作用变成苯丙酮酸。酪氨酸也是人体必需的氨基酸，可用以合成多巴胺、肾上腺素、甲状腺素等重要激素和神经递质及黑素，也可进一步代谢生成尿黑酸进入三羧酸循环为机体提供能量。苯丙氨酸羟化酶缺乏，血液中游离苯丙氨酸浓度异常升高，次要代谢途径活跃，出现高苯丙氨酸血症及苯丙酮酸尿症.引起新生儿中枢神经系统分化停滞,造成大脑的不可逆损害.对多数病例出生后单纯控制饮食中苯丙氨酸的摄入，即可成功地防止脑损害。

第8章细胞呼吸捕获化学能本章内容提要1)糖分子分解的两种方式2)细胞呼吸获取能量的特点3)糖酵解中的能量释放4)三羧酸循环5)氧化磷酸化的过程化学能转变为生物能的机制

—化学渗透学说7)能量总账生物获取能量的主要途径1)生命活动获取能量的主要途径是分解糖分子,主要是葡萄糖:C6→→2xC3→→→6xCO2

在分解过程中伴随着化学能的释放.2)在糖分子分解过程中释放的能量以ATP的形式加以利用,因此糖酵解总是与ADP的磷酸化有关:ADP+Pi→→→ATP糖分子分解产生能量的两种方式1）无氧分解---底物磷酸化2）有氧分解---氧化磷酸化

细胞呼吸获取能量的特点1)生物获取能量主要依赖于生物大分子的氧化,通过细胞的呼吸将碳水化合物分解为CO2,消耗O2,产生水分子.2)碳水化合物氧化效率很高,释放的能量40%储存到ATP分子中,其余能量以热能形式释放到环境中.3)碳水化合物的体内氧化在近中性pH,常温条件下进行.4)碳水化合物氧化产生的能量是逐步释放的,燃烧释放的能量是一步生成的.化学能的释放—氧化还原反应

氧化:失去电子;还原:获得电子.氧化还原反应同时发生.生命利用生物能量方式的转变---

从无氧酵解转变为有氧呼吸1）生命诞生的初期（38亿年前），地球大气中缺少氧气，充满CO2，N2，H2，整个处于还原状态。2）具有光合作用的蓝细菌出现之后，大气中开始出现氧气。在20亿年前，大气中氧气开始积累，真核生物开始出现。氧气现在在地球大气中占21%。

3）大气中自由氧的出现对生命的进化产生了极其深远的影响，改变了生命利用生物能的方式。因为有了充足的能量，生命活动的形式发生了根本性的变化。4)这是因为碳水化合物的氧化磷酸化大大提高了生物能的利用效率。葡萄糖生物氧化三阶段

---糖酵解,三羧酸循环,氧化磷酸化糖酵解---C6→2C3糖酵解---丙酮酸生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原机制底物水平磷酸化

糖酵解特点1)在细胞质溶胶中进行

2)无O2参于

3）最终产物为2分子丙酮酸

4）消耗2分子ATP5)底物水平磷酸化产生4分子

ATP6)产生2分子还原NADH+H+糖酵解能量收入丙酮酸脱羧转变为乙酰CoA后进入线粒体丙酮酸如何转变为乙酰CoA三羧酸循环1)三羧酸循环是需氧生物体内普遍存在的中心代谢途径.因为此代谢途径中有几个中间代谢物具有三个羧基，故称三羧酸循环。又因为循环由柠檬酸开始，故也称柠檬酸循环，也可用发现者的名字命名为Krebs循环。2)此途径在真核细胞的线粒体中进行，催化每一步反应的酶均位于线粒体内。3)循环的第一步反应是乙酰辅酶A的乙酰基（2碳化合物）与草酰乙酸（4碳化合物）缩合生成

柠檬酸（6碳化合物），后者经异构化并脱氢、脱羧生成α-酮戊二酸（5碳化合物），再脱氢、脱羧生成琥珀酸（4碳化合物）。琥珀酸进一步经两次脱氢、一次水化又重新生成草酰乙酸。草酰乙酸又可和另1分子乙酰辅酶A作用再生成

柠檬酸，这样就形成了一个循环。3)三羧酸循环可产生底物磷酸化ATP，同时也产生NADH+H+和FADH2进入电子传递链生成ATP.三羧酸循环三羧酸循环特点1）最初草酰乙酸因参加反应而消耗，但经过循环又重新生成。所以每循环一次，净结果为1个乙酰基通过两次脱羧而被消耗。循环中有机酸脱羧共产生二个CO2，是机体中CO2的主要来源。2）在三羧酸循环中，共有4次脱氢反应，脱下的氢原子以NADH+H+和FADH2的形式进入呼吸链，最后传递给氧生成水，在此过程中释放的能量可以合成ATP。3）乙酰辅酶A不仅来自糖的分解，也可由脂肪酸和氨基酸的分解代谢中产生，都进入三羧酸循环彻底氧化。并且，凡是能转变成三羧酸循环中任何一种中间代谢物的物质都能通过三羧酸循环而被氧化。所以三羧酸循环实际是糖、脂、蛋白质等有机物在生物体内末端氧化的共同途径。4）三羧酸循环是分解代谢途径，但又为一些物质的生物合成提供了前体分子。如草酰乙酸是合成天冬氨酸的前体，α-酮戊二酸是合成谷氨酸的前体。一些氨基酸还可通过此途径转化成糖。因而三羧酸循环构成了对合成代谢和分解代谢都可以通行的中心途径，故也称中心代谢途径。一个

丙酮酸

脱羧后在Krebs

循环中生成

3个NADH,

1个FADH2

和

1个ATPFAD的还原机制三