生物化学代谢总论和生物能学

1、会计学1生物化学代谢总论和生物能学生物化学代谢总论和生物能学 新陈代谢简称代谢。人们将代谢的功能概括为新陈代谢简称代谢。人们将代谢的功能概括为5个方面：从周围环境中获得营养物质。将外个方面：从周围环境中获得营养物质。将外界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件，即界引入的营养物质转变为自身需要的结构元件，即大分子的组成前体。将结构元件装配成自身的大大分子的组成前体。将结构元件装配成自身的大分子。合成或降解执行生物体特殊功能所需的生分子。合成或降解执行生物体特殊功能所需的生物分子。提供生命活动所需的一切能量。物分子。提供生命活动所需的一切能量。 虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶催化的反应，但仍可

2、以从错综复虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶催化的反应，但仍可以从错综复杂的代谢网络中总结归纳成一些具有共同规律的途径，并将这些途径称为杂的代谢网络中总结归纳成一些具有共同规律的途径，并将这些途径称为主要代谢途径。这些主要代谢途径在千差万别的生物界具有相当的普遍性主要代谢途径。这些主要代谢途径在千差万别的生物界具有相当的普遍性。 通过一系列的反应，将有机营养物分解成较小的通过一系列的反应，将有机营养物分解成较小的、较简单的物质的过程称为分解代谢（、较简单的物质的过程称为分解代谢（catabolism），分解代谢的同时，将蕴藏在有机大分子中的能量逐，分解代谢的同时，将蕴藏在有机大分子中的能量逐步释

3、放出来，提供给生命活动使用，同时，分解代谢步释放出来，提供给生命活动使用，同时，分解代谢的中间产物也可用于合成生命活动所需的新的物质。的中间产物也可用于合成生命活动所需的新的物质。 利用小分子或大分子的结构元件合成生物大分子利用小分子或大分子的结构元件合成生物大分子或其它所需分子的过程称为合成代谢（或其它所需分子的过程称为合成代谢（anabolism）。合成代谢需要提供能量。合成代谢需要提供能量。 分解代谢途径与合成代谢途径一般是不同的，但分解代谢途径与合成代谢途径一般是不同的，但不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分。不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分。 各种分子之间的互相转变称为各种分子之

4、间的互相转变称为物质代谢物质代谢，而伴，而伴随着物质代谢发生的能量的随着物质代谢发生的能量的吸收、转移、释放、利吸收、转移、释放、利用用称为称为能量代谢能量代谢。 太阳能是所有生物最根本的能量来源，能进行太阳能是所有生物最根本的能量来源，能进行光合作用的植物将光能转变成化学能，这些化学能光合作用的植物将光能转变成化学能，这些化学能提供了植物生命活动所需的全部能量（有少数特殊提供了植物生命活动所需的全部能量（有少数特殊情况），动物和大多数微生物直接或间接依靠植物情况），动物和大多数微生物直接或间接依靠植物光合作用贮存的化学能生活。光合作用贮存的化学能生活。 生物体生物体直接利用的能量物质主要是直

5、接利用的能量物质主要是ATP，在分，在分解代谢中，释放出的能量主要用于合成解代谢中，释放出的能量主要用于合成ATP，在需，在需要提供能量的反应或其它生命活动中，主要由要提供能量的反应或其它生命活动中，主要由ATP水解来提供能量，所以水解来提供能量，所以ATP是能量代谢的中心物质是能量代谢的中心物质。ATP不是一种能量贮存物质，而是一种传递能量不是一种能量贮存物质，而是一种传递能量的分子的分子，因为在一般情况下，因为在一般情况下，ATP分子合成后，在分子合成后，在1分钟之内就被利用。分钟之内就被利用。 生物体对能量的消耗是惊人的。据计算，一个生物体对能量的消耗是惊人的。据计算，一个处于安静状态的

6、成年人，一日内需消耗处于安静状态的成年人，一日内需消耗40kg的的ATP。在剧烈运动时，。在剧烈运动时，ATP的利用可达到每分钟的利用可达到每分钟0.5kg。 由营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了由营养物质的分解代谢释放出的化学能，除了通过合成通过合成ATP的途径捕获外，还有另外一种途径，的途径捕获外，还有另外一种途径，就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合成的需能反应。这种具有高能的氢原子是由脱氢反成的需能反应。这种具有高能的氢原子是由脱氢反应形成的。脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶应形成的。脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶或辅酶或辅

7、酶接受。当这些辅酶被氧化时，能量又被接受。当这些辅酶被氧化时，能量又被释放出来。释放出来。 （略） 酯酯酰酰CoA中有一个高能的硫酯键，这也可以中有一个高能的硫酯键，这也可以看成是酰基的一种活化形式。看成是酰基的一种活化形式。ATP的磷酸酐键水的磷酸酐键水解时释放出解时释放出30.54 kJ/mol的自由能，而乙酰的自由能，而乙酰CoA的的硫酯键水解时释放出硫酯键水解时释放出31.38 kJ/mol的自由能。的自由能。 新陈代谢的调节主要是靠酶数量和活性的调节新陈代谢的调节主要是靠酶数量和活性的调节，细胞中有许多由膜分割的部位，特定的代谢途径，细胞中有许多由膜分割的部位，特定的代谢途径在特定的

8、细胞部位进行。物质需要在细胞不同的部在特定的细胞部位进行。物质需要在细胞不同的部位间运输，有时还需要在细胞间或整个机体内运输位间运输，有时还需要在细胞间或整个机体内运输。物质运输的方向、量及速度也影响代谢。物质运输的方向、量及速度也影响代谢。 （略）（一）使用酶的抑制剂（一）使用酶的抑制剂 酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断，结果造成其底物积累，为测定该代谢物提供条件。利用成其底物积累，为测定该代谢物提供条件。利用酶的抑制剂可以研究代谢途径，从最初的反应物酶的抑制剂可以研究代谢途径，从最初的反应物经过哪些中间代谢产物，最终形成产物的。经过哪些中间代谢产物，最终

9、形成产物的。 （二）利用遗传缺陷症研究代谢途径（二）利用遗传缺陷症研究代谢途径 某些个体由于遗传缺陷，先天就缺少某种酶。某些个体由于遗传缺陷，先天就缺少某种酶。余同前。余同前。 用瓦氏呼吸计测定反应用瓦氏呼吸计测定反应过程中吸收的气体量或释放过程中吸收的气体量或释放的气体量。这不是一种研究的气体量。这不是一种研究方法，而是一种实验技术。方法，而是一种实验技术。 用放射性同位素示踪，可以跟踪某一用放射性同位素示踪，可以跟踪某一原子的去向，从而得知代谢途径。原子的去向，从而得知代谢途径。 放射性强度测定放射性强度测定 放射自显影放射自显影 同位素名称同位素名称符号符号放射线类型放射线类型半衰期半衰

10、期氢氢3（氚）（氚）3H,T12.26年年碳碳1414C 5730年年磷磷3232P 14.3天天碘碘131131I8.070天天硫硫3535S87.1天天 这也是一种实验技术。这也是一种实验技术。 （Bioenergetics）一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念二、化学反应中自由能的变化和意义二、化学反应中自由能的变化和意义三、高能化合物三、高能化合物（自由能的概念自由能的概念) )凡是能够用于做功的能量称为自由能。凡是能够用于做功的能量称为自由能。 （二）标准自由能变化和化学平衡的关系（二）标准自由能变化和化学平衡的关系 在化学反应中，反应物和产物各自都有特定的在化学

11、反应中，反应物和产物各自都有特定的自由能。产物自由能的总和与反应物自由能的总和自由能。产物自由能的总和与反应物自由能的总和之差，就是该反应的自由能变化。为了计算的方便之差，就是该反应的自由能变化。为了计算的方便，人们总是规定一些条件作为标准条件，并将在此，人们总是规定一些条件作为标准条件，并将在此条件下所发生的化学反应的自由能变化称为标准自条件下所发生的化学反应的自由能变化称为标准自由能变化。由能变化。 标准条件指的是，反应的温度为标准条件指的是，反应的温度为25，即，即298K，大气压为，大气压为101,325 Pa（1atm），反应物和产物的），反应物和产物的浓度都是浓度都是1mol/L。

12、标准自由能变化的符号用。标准自由能变化的符号用Go 表表示。对于生物化学反应，标准状况还规定反应进行示。对于生物化学反应，标准状况还规定反应进行的环境为的环境为pH=7，这时的标准自由能变化用，这时的标准自由能变化用G o表表示。示。 Go 是在标准条件下，一个化学反应的自是在标准条件下，一个化学反应的自由能变化，它是一个常数，而由能变化，它是一个常数，而G 是一个化学反是一个化学反应在某一实际条件下的自由能变化，应在某一实际条件下的自由能变化，G 随着反随着反应的温度、反应物及产物的浓度、反应介质的应的温度、反应物及产物的浓度、反应介质的pH等的变化而变化。等的变化而变化。 假设有如下的一个

13、化学反应式：假设有如下的一个化学反应式： aA + bB cC + dD在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是在恒温和恒压下，这一反应的自由能变化公式是： 式中式中Go 是该反应的标准自由能变化，是该反应的标准自由能变化，R是是气体常数，气体常数，T是绝对温度，是绝对温度，A、B、C、D代表代表4种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。种物质的摩尔浓度，严格地应为活度。badcBADCRTGGln0 从以上的公式可以看出，一个化学反应自由能的变化从以上的公式可以看出，一个化学反应自由能的变化值值G，由两部分决定，一部分是不变因素，即由反应本，由两部分决定，一部分是不变因素，即由反应本身的性质所决

14、定；另一部分是可变因素，即各物质的浓度身的性质所决定；另一部分是可变因素，即各物质的浓度、反应的化学当量以及反应的温度。、反应的化学当量以及反应的温度。 当反应达到平衡时，自由能变化为零，即当反应达到平衡时，自由能变化为零，即G = 0，而反应的平衡常数，而反应的平衡常数 代入上式得代入上式得 当当pH为为7时时 根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度，可根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度，可以计算出反应的平衡常数，代入上式可以计算出反以计算出反应的平衡常数，代入上式可以计算出反应的标准自由能变化值。应的标准自由能变化值。 badceqBADCKeqKRTGln0ln0eqKRTG 注意，生化

15、反应很多都是可逆反应，正反两个方向注意，生化反应很多都是可逆反应，正反两个方向反应的反应的G0 的绝对值相同，符号相反。的绝对值相同，符号相反。 G可用来判断一个反应是否能够自发进可用来判断一个反应是否能够自发进行，当行，当G0时（反应放出能量），反应可以时（反应放出能量），反应可以自发进行，自发进行，G负值的绝对值越大，反应自发负值的绝对值越大，反应自发进行的趋势越大，随着反应的进行，进行的趋势越大，随着反应的进行，G负值负值的绝对值越来越小，当的绝对值越来越小，当G = 0时，反应达到平时，反应达到平衡；当衡；当G0时，反应不能自发进行。时，反应不能自发进行。 每一种有机化合物都有自己的标

16、准生成自由每一种有机化合物都有自己的标准生成自由能，用符号能，用符号Gof 表示。标准生成自由能表示。标准生成自由能Gof 的定的定义是，由处在标准状态下的最稳定单质合成义是，由处在标准状态下的最稳定单质合成1mol标准状态的化合物时，其标准自由能的变化值。标准状态的化合物时，其标准自由能的变化值。由于各种物质的标准自由能都无法测得，人们规由于各种物质的标准自由能都无法测得，人们规定，在定，在1个大气压下，一定温度时，最稳定的单质个大气压下，一定温度时，最稳定的单质的标准自由能为零。这样，由最稳定的单质反应的标准自由能为零。这样，由最稳定的单质反应生成某一种物质的反应的标准自由能变化值就是生成

17、某一种物质的反应的标准自由能变化值就是这种物质的标准生成自由能。这种物质的标准生成自由能。 利用各种物质的标准生成自由能，也能计算利用各种物质的标准生成自由能，也能计算出一个反应的标准自由能变化量出一个反应的标准自由能变化量Go ，即，即Go =产物的标准生成自由能产物的标准生成自由能 反应物的标准生成自由能反应物的标准生成自由能 进一步还可以计算出反应的平衡常数。进一步还可以计算出反应的平衡常数。 在互相联系或称为偶联的化学反应中，这些相互在互相联系或称为偶联的化学反应中，这些相互联系的化学反应的总的自由能变化等于各步反应自联系的化学反应的总的自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。当其中一

18、个反应的自由能变化为由能变化的总和。当其中一个反应的自由能变化为正值时，只要总反应的自由能变化为负值，这个反正值时，只要总反应的自由能变化为负值，这个反应也是能够进行的。在生化反应中，常有自由能变应也是能够进行的。在生化反应中，常有自由能变化为正值的反应与化为正值的反应与ATP的水解反应相偶联，也就是的水解反应相偶联，也就是说，说，ATP水解释放出的能量驱动了某一需能反应。水解释放出的能量驱动了某一需能反应。 C+ATPD+ADP+Pi1G 0是反应能够自发进行的判据，随着反是反应能够自发进行的判据，随着反应的进行，应的进行，G逐渐趋向于零，其反应的限度是逐渐趋向于零，其反应的限度是G = 0

19、，这时反应达到平衡。，这时反应达到平衡。2G只提示化学反应的方向和限度，不预示反只提示化学反应的方向和限度，不预示反应过程的速率，实际上许多应过程的速率，实际上许多G 0的反应，的反应，即使有催化剂也不能进行。即使有催化剂也不能进行。3不稳定的基团自由能高，容易发生反应。不稳定的基团自由能高，容易发生反应。1一个稀的水溶液系统，如果有水作为反应物一个稀的水溶液系统，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度规定为或产物时，水的浓度规定为1.0。2在生物化学能量学中，通常把标准状况的在生物化学能量学中，通常把标准状况的pH规定为规定为7.0。而在物理化学中，标准状况规定为。而在物理化学中，标准状况规定

20、为pH0.0（即（即H+浓度为浓度为1.0mmol/L）。）。不同不同pH下下Go不同。不同。3标准自由能的单位为标准自由能的单位为 kJ/mol 或或 kcal/mol。(高能化合物的概念高能化合物的概念) 机体内有许多含磷酸的化合物，当其磷酰基水机体内有许多含磷酸的化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量的自由能，这类含磷酸的化合物解时，释放出大量的自由能，这类含磷酸的化合物称为高能磷酸化合物。当这些磷酰基水解时，能释称为高能磷酸化合物。当这些磷酰基水解时，能释放出放出20.92kJ/mol（5 kcal/mol）以上的能量，因此）以上的能量，因此将这些磷酸基团与其它基团之间的键称为将这些磷酸

21、基团与其它基团之间的键称为“高能键高能键”（high-energy bond），并用符号），并用符号 表示。注意表示。注意生物化学中的生物化学中的“高能键高能键”的含义与化学中使用的的含义与化学中使用的“键能键能”含义是完全不同的。含义是完全不同的。 高能磷酸化合物中的磷酸大多数是与另一个酸高能磷酸化合物中的磷酸大多数是与另一个酸形成酸酐，与之形成酸酐的酸有羧酸、磷酸、硫酸形成酸酐，与之形成酸酐的酸有羧酸、磷酸、硫酸等。还有磷酸与胍基、烯醇式羟基之间结合的化合等。还有磷酸与胍基、烯醇式羟基之间结合的化合物也是高能磷酸化合物。除了含磷酸的高能化合物物也是高能磷酸化合物。除了含磷酸的高能化合物外，

22、还有不含磷酸的高能化合物，如酰基外，还有不含磷酸的高能化合物，如酰基CoA中的中的硫酯键、硫酯键、S-腺苷甲硫氨酸中甲基与腺苷甲硫氨酸中甲基与S之间的硫醚键之间的硫醚键也是高能键。也是高能键。 乙酰磷酸乙酰磷酸氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸焦磷酸焦磷酸氨酰腺苷酸氨酰腺苷酸酰基腺苷酸酰基腺苷酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸精氨酸磷酸精氨酸磷酸肌酸磷酸肌酸3-腺苷磷酸腺苷磷酸5-磷酰硫酸磷酰硫酸酰基酰基CoAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸与核糖的与核糖的5 5碳相连碳相连化合物化合物Go磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸-61.

23、9 kJ/mol61.9 kJ/mol氨甲酰磷酸氨甲酰磷酸-51.46 kJ/mol51.46 kJ/mol磷酸肌酸磷酸肌酸-49.3 kJ/mol49.3 kJ/molATP+H2O AMP+PPi -32.2 kJ/mol32.2 kJ/molATP+H2OADP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molADP+H2OAMP+Pi-30.5 kJ/mol30.5 kJ/molPPi+ H2O2Pi-28.8 kJ/mol28.8 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸-20.9 kJ/mol20.9 kJ/mol葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸-13.8 kJ/mol13.8 kJ/m

24、ol注意注意ATP位于所列磷酸化合物的中间位置位于所列磷酸化合物的中间位置 在细胞内环境条件下，在在细胞内环境条件下，在pH7时，时，ATP及及ADP的全部磷酸基团都处于解离状态。细胞内有大量的的全部磷酸基团都处于解离状态。细胞内有大量的Mg2+，Mg2+与与ATP4及及ADP3形成形成Mg2+ATP2及及Mg2+ADP的形式，而实际上的形式，而实际上Mg2+ATP2才是才是ATP的活性形式。所以的活性形式。所以Mg2+浓度、浓度、pH、ATP、无机、无机磷酸的浓度都能影响磷酸的浓度都能影响ATP水解时释放的自由能的量水解时释放的自由能的量。 1 1它可以在磷酸转移中起到它可以在磷酸转移中起到

25、“共同中间传递共同中间传递体体”的作用。的作用。2在偶联反应中提供能量。在偶联反应中提供能量。 神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是ATP，但但ATP在细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉在细胞中的含量很低，在哺乳动物的脑和肌肉中约中约38mmol/kg。这些。这些ATP只能提供肌肉剧烈活动只能提供肌肉剧烈活动1s左右的消耗。而肌肉和脑中磷酸肌酸的含量远远超左右的消耗。而肌肉和脑中磷酸肌酸的含量远远超过过ATP，在脑中约为，在脑中约为ATP的的1.5倍，在肌肉中则为倍，在肌肉中则为ATP的的4倍。受过良好训练的运动员其肌肉中磷酸肌倍。受过良好训练的运动员其

26、肌肉中磷酸肌酸的含量可高达酸的含量可高达30mmol/kg。磷酸肌酸可以看成是。磷酸肌酸可以看成是ATP的后备军，磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移的后备军，磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移到到ATP中。中。 上述反应式正向反应的上述反应式正向反应的G 0为为-12.6kJ/mol，逆向反应的，逆向反应的G 0为为+12.6kJ/mol，反应的平衡，反应的平衡常数为常数为160。 磷酸肌酸磷酸肌酸 + + ADP - 肌酸肌酸 + + ATP肌酸激酶肌酸激酶 当细胞处于静息状态时，当细胞处于静息状态时，ATP的浓度较高，反的浓度较高，反应向合成磷酸肌酸的方向进行。当细胞处于活动状应向合成磷酸肌酸

27、的方向进行。当细胞处于活动状态时，态时，ATP的浓度下降，反应即转向合成的浓度下降，反应即转向合成ATP的方的方向进行，因此磷酸肌酸有向进行，因此磷酸肌酸有“ATP缓冲剂缓冲剂”之称。之称。 磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等肌磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等肌肉中的贮能物质，其作用与磷酸肌酸相似。肉中的贮能物质，其作用与磷酸肌酸相似。 有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质。 除了除了ATP外，其它核苷三磷酸也在某些情况外，其它核苷三磷酸也在某些情况下为反应提供能量。下为反应提供能量。 细胞内的能量状态可用能荷或磷酸化势能来表示细胞内的能量状态可用能荷或

28、磷酸化势能来表示。 21AMPADPATPADPATP能荷PiADPATP磷酸化势能 各种分子之间的互相转变称为各种分子之间的互相转变称为物质代谢物质代谢，而伴，而伴随着物质代谢发生的能量的随着物质代谢发生的能量的吸收、转移、释放、利吸收、转移、释放、利用用称为称为能量代谢能量代谢。 太阳能是所有生物最根本的能量来源，能进行太阳能是所有生物最根本的能量来源，能进行光合作用的植物将光能转变成化学能，这些化学能光合作用的植物将光能转变成化学能，这些化学能提供了植物生命活动所需的全部能量（有少数特殊提供了植物生命活动所需的全部能量（有少数特殊情况），动物和大多数微生物直接或间接依靠植物情况），动物和