1、第19章 代謝引論和生物能學(xué)概述,主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，生物能力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特點(diǎn)。,思考,返回,目錄,第一節(jié) 新陳代謝通論 第二節(jié) 新陳代謝研究方法 第三節(jié) 生物能學(xué)簡(jiǎn)介 第五節(jié) 高能化合物,第一節(jié) 新陳代謝通論,一、新陳代謝概念 二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位 三、新陳代謝的調(diào)節(jié) 四、代謝中常見(jiàn)的有機(jī)反應(yīng),一、新陳代謝的概念,新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過(guò)程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過(guò)一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimila

2、tion）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過(guò)一系列的生化反應(yīng)，分解為簡(jiǎn)單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation ），通過(guò)上述過(guò)程不斷地進(jìn)行自我更新。 特點(diǎn)：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行,新陳代謝的概念及內(nèi)涵,小分子 大分子 合成代謝（同化作用） 需要能量 釋放能量 分解代謝（異化作用） 大分子 小分子,物質(zhì)代謝,能量代謝,新陳代謝,信息交換,生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過(guò)程,太 陽(yáng),電子傳遞,合成,分解,電子傳遞,光合作用,呼吸作用,生命現(xiàn)象,自養(yǎng)細(xì)胞,異養(yǎng)細(xì)胞,ATP,ADP,CO2 +H2O,(CH2O) +O2,ATP,ADP,（光 能）,（電 能

3、）,（化 學(xué) 能）,（化 學(xué) 能）,（電 能）,（化 學(xué) 能）,三、新陳代謝的調(diào)節(jié),分子水平 細(xì)胞水平 整體水平,生物機(jī)體的新陳代謝是一個(gè)完整的整體，機(jī)體代謝的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機(jī)制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機(jī)體能適應(yīng)其內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機(jī)制是生物在長(zhǎng)期演化中獲得的。 代謝調(diào)節(jié)可分為三個(gè)不同水平：,四、代謝中常見(jiàn)的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制,基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) 氧化-還原反應(yīng) 消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng) 碳-碳鍵的形成與斷裂反應(yīng),第二節(jié) 新陳代謝研究方法,一、同位素示蹤法 二、酶抑制劑的應(yīng)用 三、氣體測(cè)量法 四、核磁共振波譜法 五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑,第三節(jié) 生物

4、能學(xué)簡(jiǎn)介,一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念 二、自由能的概念 三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義 四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個(gè)階段,一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念,體系、環(huán)境、狀態(tài) 能的兩種形式 熱與功 熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internal energy)、焓(enthalpy) 熱力學(xué)第二定律和熵(entropy) 自由能(free energy),二、自由能（free energy）,物理意義：* (體系中能對(duì)環(huán)境作功的能量) 自由能的變化能預(yù)示某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，即： G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。,自由能的概念對(duì)于研究生物化學(xué)過(guò)程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于

5、作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來(lái)判斷機(jī)體內(nèi)某一過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來(lái)計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。,三、 化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義,1、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式 =H-TS 2、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢(shì)的關(guān)系 3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性 4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定,化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系,假設(shè)有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)式：aA + bB = cC + dD 恒溫恒壓下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq,例：計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化,G

6、某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的pH和溫度而改變的自由能變化。 Qc - 濃度商：,G 標(biāo)準(zhǔn)條件（T=298OK,大氣壓為1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。 Keq - 平衡常數(shù)：,化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化-還原電勢(shì)的關(guān)系,氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)的關(guān)系如下： G=nFE,任何一個(gè)氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個(gè)原電池。 氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢(shì)產(chǎn)生，任何氧 還電對(duì)都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)原(E0)，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)可用下 式計(jì)算： 0（ E0 ） = E0正極-E0負(fù)極,生物體內(nèi)的氧

7、化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)時(shí)，基本原理 和原電池一樣。,例：計(jì)算NADH氧化反應(yīng)的G,氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)的關(guān)系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq,原電池示意圖,E0 = E0正極-E0負(fù)極=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V,負(fù)極反應(yīng): Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V,正極反應(yīng): Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V,計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化,達(dá)平衡時(shí) =Keq=19,解：,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log1

8、9 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1,未達(dá)平衡時(shí) =Qc=0.1,反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達(dá)到平衡時(shí)， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應(yīng)的 G是多少？,例題：,例題：計(jì)算下反應(yīng)式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 負(fù)極反應(yīng)：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2

9、964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性,在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 則 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,該規(guī)則表明一個(gè)在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動(dòng)而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。,4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定,1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時(shí)， 水的濃度（近似的即活度）為1.0。 2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況

10、的pH規(guī)定為7.0。 3、 G是 pH為7.0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。 4、根據(jù)國(guó)際單位制(Le Systeme international Unut ，簡(jiǎn)稱 SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。,生物系統(tǒng)中的能流,脂肪,葡萄糖、其它單糖,三羧酸循環(huán),電子傳遞（氧化）,蛋白質(zhì),脂肪酸、甘油,多糖,氨基酸,乙酰CoA,e-,磷酸化,+Pi,小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過(guò)磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。,大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位,生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個(gè)階段,第五節(jié) 高能化合物,一、高能化合物的類型 二、ATP的特點(diǎn)及其特殊作用,生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。,高能化合物類型,ATP的特點(diǎn),在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個(gè)負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢(shì)能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定