生物能量学原理

关于生物能量学原理1第一页，共四十八页，2022年，8月28日2㈠生物能量学与热力学Bioenergetics:

thequantitativestudyoftheenergytransductionsthatoccurinlivingcellsandofthenatureandfunctionofthechemicalprocessesunderlyingthesetransductionsLW-2§1.生物能量转化服从热力学定律

-Gibbsfreeenergy(G)

表述常温及常压下某个反应中能够用以做功的能量根据特定反应的自由能变化(⊿G=Gp–Gs)可以判断：⊿G<０

(Gp<Gs) 放能反应，可以自发进行⊿G=０

(Gp=Gs) 系统处于平衡态⊿G>０

(Gp>Gs) 吸能反应，不能自发进行-

自由能是(热)焓和熵的结合函数在标准温度和压力下可表述为：⊿G=⊿H–T⊿S第二页，共四十八页，2022年，8月28日3

⊿G’o=-RTln

K’eq其变化取决于反应发生时的条件(人为选择的标准态)

-

溶液化学：标准温度为298K(25℃)，标准压力为

101.3kPa(1atm)，标准溶质浓度1mol/L条件下的自由能变化为标准自由能变化⊿Go

-

生物化学：标准条件包括[H+]为10-7mol/L

(pH=7)

而不是1mol/L(pH=0)，相应地以⊿G’o表示在生物学标准态下的自由能变化§2.标准自由能变化与反应的平衡常数直接相关LW-2(cf.p253)第三页，共四十八页，2022年，8月28日4一般生化反应A+B←→C+D的实际自由能变化为：

⊿G=⊿G’o+RTln其中：⊿G’o为不变的常量，只取决于反应物本身的性质；

RTln([C][D]/[A][B])则是变量，随实际[P]/[S]

以及反应温度而变LW-3§3.

实际自由能变化取决于反应物和产物的浓度反应达到平衡时因⊿G=0，而=

K’eq，故有：⊿G’o=-RTlnK’eq(cf.p253)[C]eq[D]eq[A]eq[B]eq[C]

[D][A]

[B]第四页，共四十八页，2022年，8月28日5即便⊿G’o为正值，但只要RTln([C][D]/[A][B])项为负且其绝对值大于⊿G’o，则⊿G仍然可以是负值而使反应自发进行LW-4因此，判断某一反应的自发性或进行方向的依据是⊿G而不是⊿G’o推论：-活细胞中所有能自发进行的反应，其⊿G值至少应当稍负

-就不可逆反应而言，其⊿G不仅是负值，而且绝对值很大注意：⊿G<<0的热力学利好反应在自然条件下的自发进行可能很慢，需由外界提供活化能或经由酶促反应以降低其活化能第五页，共四十八页，2022年，8月28日6§4.(标准)自由能变化是可加合的LW-5-要使偶联的多个反应能够自发进行，其⊿Gtotal应当是负值-一个热力学上的不利反应可以被与之相偶联的有利反应所推动(cf.p255)推论…↑13.8kJ/mol←-30.5kJ/mol第六页，共四十八页，2022年，8月28日7小结：生物能量学与热力学-

生物能量学是生命系统中有关能量相互转化的定量研究，生物能量的转换同样服从热力学定律-

化学反应的净驱动力为自由能变化G，可以表达成：G=Ｈ

–ＴS-

标准自由能变化G’o是给定反应的特征性物理常数，可以由该反应的平衡常数求得：G’o=-RTlnK’eq-

实际自由能变化G是一个变量，依赖于G’o和反应物及产物的浓度等：G=G’o+RTln([S]/[P])-

G大而负时反应趋于自发正向进行，大而正时则趋于逆向进行，等于0时系统即处于平衡状态-

反应的自由能变化是可加合的，与反应途径和进行速度无关；偶联反应的总自由能变化等于各个分反应的之和LW-6第七页，共四十八页，2022年，8月28日81-28ATPisthesharedchemicalintermediatelinkingenergy-releasingtoenergy-requiringcellprocesses.Itsroleinthecellisanalogoustothatofcurrencyinaneconomy:itis“earned/produced”inexergonicreactionsand“spent/consumed”inendergoniconesThecentralroleofATPinmetabolism㈡磷酰基转移和ATP

第八页，共四十八页，2022年，8月28日913-1§1.

ATP水解具有

大而负的自由能变化-水解可部分消除ATP分子中的静电排斥/相反共振作用-水解产物Pi(HPO43–)具有更大的共振稳定性(e离域)-水解中间产物ADP可随即解离并向[H+]极低的介质释出H+-Pi和ADP的溶剂化(水化)作用要比ATP的相对更大(cf.Fig8-4)delocalization

第九页，共四十八页，2022年，8月28日1013-2/T13-5FormationofMg2+complexespartiallyshieldsthenegativechargesandinfluencestheconformationofthephosphategroupsinATPandADP-细胞中的[ATP]、

[ADP]和[Pi]均不相同，而且<<1.0M

的标准态

-活细胞中的ATP实际水解G通常更高(cf.Fig8-5)↓

-35.7kJ/mol第十页，共四十八页，2022年，8月28日1113-3notpossibleinPEP磷酸烯醇式丙酮酸可共振稳化PEP的磷酯键水解可产生烯醇式丙酮酸，后者随即互变异构成更稳定的酮式丙酮酸

§2.其他磷酸化合物和硫酯也具有大而负的水解自由能(cf.Tab.8-4)∆G’°=-41.8kJ/mol第十一页，共四十八页，2022年，8月28日1213-4产物均可共振稳化1,3-二磷酸甘油酸1,3-BPG的酸酐键水解直接产物3-PG可

迅速电离而转化成共振稳化的3-PG盐/酯第十二页，共四十八页，2022年，8月28日1313-5磷酸肌酸PCr的P–N键水解可以产生均能共振稳化的Pi和肌酸而有利于反应正向进行第十三页，共四十八页，2022年，8月28日1413-6-酯键中的O被S所取代的硫酯也具有大而负的

G’o，是为活化酰基，广泛存在于转酰基、缩合及氧-还反应-

硫酯的共振稳化要比

氧酯的低得多，因而反应物与其共振稳化的水解产物之间的自由能差异要比氧酯的更大乙酰-CoA水解第十四页，共四十八页，2022年，8月28日1513-7硫酯和氧酯的水解自由能变化Theproductsofbothtypesofhydrolysisreactionhaveaboutthesamefreeenergycontent(G),butthioesterhasahigherGthanoxygenester:OrbitaloverlapbetweenOandCallowsresonancestabilizationinoxygenesters;orbitaloverlapbetweenSandCispoorerandprovideslittleresonancestabilization第十五页，共四十八页，2022年，8月28日16T13-6-

水解产物的自由能低，即具有很高的基团转移势能-释出的Pi的共振形式使之相对于反应物更为稳定，从而使已经是负值的自由能变化更负高能化合物共同特点-含有易被水解的特定键型

(~)，如磷氧，氮磷，硫酯及甲硫键等第十六页，共四十八页，2022年，8月28日17-产物可共振稳化，如PCr释出的肌酸、酰基磷酸和硫酯释出的羧酸离子、酸酐或磷酯键释出的Pi总之，就具有大而负标准自由能变化的水解反应而言，产物均比反应物更为稳定…-反应物中静电排斥/相反共振形成的键张力在分解成产物后均可得到缓解，如ATP-产物因电离而稳化，如ATP、1,3-BPG和硫酯([P]/[S]ratiobeinglower)-产物因互变异构而稳化，如PEPLW-7第十七页，共四十八页，2022年，8月28日1813-8-ATP的一部分(磷酰基、焦磷酰基或腺苷酸AMP)

先被转移到某个底物分子或酶的特定氨基酸残基上、形成共价连接以增加后者的自由能-该含有磷酸的组分随即被

亲核取代而释出Pi、PPi

或AMPATP依赖性的Gln合成酶反应更易接受亲核攻击因磷酰基的存在而更缺e–

§3.ATP供能主要是通过基团转移而不是简单水解第十八页，共四十八页，2022年，8月28日19⊿G’o-30-33-14(kJ/mol)phosphateesterbond-其它核苷三磷酸均具有几乎相同的⊿G’o，且彼此之间的磷酰基团转移常数约为1，代谢研究中常以等价的ATP

来评估其消耗-高能磷酸键并非指该键本身具有高能，而是其断裂生成的产物具有比反应物更低的自由能G3.9第十九页，共四十八页，2022年，8月28日2013-12-存在于所有细胞的核苷二磷酸激酶可以将ATP转化为所需要的(d)NTP-在迫切需要ATP时，细胞均可通过

腺苷酸激酶降低[ADP]而获得ATP：

2ADP

←→ATP+AMP(G’o≈0)ATP+(d)NDP←→ADP+(d)NTP

(G’o≈0)(细胞中相对较高的[ATP]/[ADP]总是有利于反应正向进行)所有细胞都能进行核苷酸之间的转磷酸化第二十页，共四十八页，2022年，8月28日2113-9-ATP在细胞内的多种

磷酸原中具有中间值的磷酰基转移势能，是为偶联反应中的重要共享载能中间物-磷酰基团的转移均由

激酶催化进行-磷酰基团P经由ATP

中继从高能供体转移到受体以形成相应的

低能衍生物，由激酶催化的这类磷酰基转移在细胞内条件下总是伴随总自由能的减少，而低能磷酸化合物水解释出的Pi几乎不再具备任何磷酰基转移势能ATPservesastheuniversalenergycurrencyinalllivingcells–25(cf.Fig8-6)第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日2213-10亲核体可能是醇或羧酸的O、肌酸或Arg/His侧链中的N

eg.Glc→G6PR5P→PRPPFAactivation腺苷酰化在热力学上是非常利好的：ATP的两个磷酸酐键均被断开§4.ATP可分别提供磷酰基、

焦磷酰基和腺苷酰基第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日23LW-8小结：磷酰基转移和ATP-ATP自身的结构特点使之具有大而负的标准水解自由能变化-ATP是异化和同化代谢的化学连接点，为活细胞的能量通币，其放能转化(→ADP+Pi/AMP+PPi)

可偶联于许多吸能反应和过程-

在偶联于吸能反应时，ATP通常是通过将其磷酰基、焦磷酰基或腺苷酰基转移给某一底物或酶分子的共价结合方式供能的(~提高底物自由能)-

细胞还有着其他一些具有大而负水解自由能的代谢中间物，如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸和磷酸肌酸等；这些高能化合物和ATP一样都具有很高的磷酰基转移势能，是为良好的磷酰基供体；硫酯也具有很高的水解自由能第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日24㈢生物氧化-还原反应

LW-9Theflowofelectronsinthesereactionsisresponsible,directlyorindirectly,forallworkdonebylivingorganisms

Oxidation-reductionreactionsinvolvethelossofelectronsbyonechemicalspecies(oxidized),andthegainofelectronsbyanother(reduced)Thepathofelectronflowinmetabolismiscomplex,involvingvariousspecializedelectroncarriersinenzyme-catalyzedreactionsCellscontainavarietyofmolecularenergytransducerstoconverttheenergyofelectronflowintousefulwork第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日25LW-10电子流可以做生物功活细胞具有类似于马达电路的生物电路：以相对还原态高的化合物(eg.Glc)作为电子源，随着其酶促氧化反应释出的电子流可在电动势(emf)的驱动下自发经由一系列电子载体中间物而流向另一相对氧化态高的化合物(eg.O2)，期间释出的能量则可被各种分子能量转换器(酶和其他蛋白质)利用而做生物功eg.inmitochondrion:某些膜结合酶可以将电子流偶联于跨膜pH差的形成以完成渗透功和电功，而由此形成的跨膜[H+]梯度则具有相应的质子动势(pmf)，可以被内膜上的ATP合酶利用做化学功：随着H+自发地跨膜内流而以ADP和Pi为原料合成ATP第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日26LW-11-

电负性增加趋势为H<C<S<N<O

电负性高者被假定拥有其共享成键电子对-

随着原有的每个e–丢失，C均发生相应的氧化，即使并没有O的参与(eg.–CH2–CH2–→–CH=CH–)-电子从供体分子转移到受体可以有多种方式：电子直接转移

eg.Fe2++Cu2+←→Fe3++Cu+

H原子(H++e–

)形式

eg.AH2+B←→A+BH2

氢负离子(H–

)形式

eg.AH2+NAD+→A+NADH+H+

直接与O结合

eg.R-CH3+½O2→R-CH2-OH

§1.生物氧化一般都涉及脱氢第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日2713-13Oxidationstatesofcarboninthebiosphere

随着电子的不断丢失，碳的氧化态逐渐增加第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日28LW-12两个共轭氧-还对同时存在于溶液中时，e–即可自发地从一个氧-还对的供体转移到另一个氧-还对的受体：

Eo低Eo高

-电化学标氢电势Eo=0([H+]=1M)-生物化学标氢电势E’o=-0.414V

(atpH=7)标准还原电位可用以计算自由能变化：⊿G’o=-nF⊿E’o (cf.p259)⊿E’o=E’o受体

–E’o供体(cf.Tab.8-3)§2.还原电位代表电子亲和力第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日29LW-13与燃烧不同，细胞不能一步到位地在一个具有大的自由能释放的生物氧化反应中将底物直接转化为CO2(eg.C6H12O6+6O2→6CO2+6H2OG’o=-2,840kJ/mol)作为替代，各种底物的氧化可以在特定系列的有序控制反应中发生，期间被移除的e–则可通过少数几种生物界通用的特殊载体逐级传递至O2，即e–载体的还原可将底物氧化释出的自由能以ATP等形式分步储存起来

水溶性辅酶/基(fromvitamins)能可逆进行氧化还原

-吡啶核苷酸NAD(P)+容易在相继反应的酶之间移动

-黄素核苷酸FMN/FAD多为紧密结合于特定酶的辅基

脂溶性辅酶如泛醌(CoQ)是生物膜中的e–载体和H+供体，能在膜结合酶(相对固定)之间移动

Fe-S蛋白和cyt均为紧密结合的辅基通用电子载体§3.生物氧化需要有特殊的电子载体第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日3013-15NAD(P)H以水溶性电子载体形式参与脱氢酶作用以H–形式转移

进入水相(cf.Fig.8-2)e–sink第三十页，共四十八页，2022年，8月28日31T13-8-NAD+一般参与异化代谢中的氧化反应：细胞中[NAD+]/[NADH]很高-NADPH多参与同化代谢中的还原反应：细胞中[NADPH]/[NADP+]很高-脱氢酶大多仅能使用这两种辅酶之一，且只能催化A型或B型转移而不能催化两者(功能与定位的专化使细胞能同时持有两套截然不同且互不干扰的电子载体库)第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日3213-18-氧化态黄素核苷酸能以H的形式接受1~2e–而形成稳定的半醌自由基或FADH2/FMNH2黄素核苷酸可参与1~2e–的传递-黄素核苷酸与酶蛋白紧密结合而不能在酶之间游离，但可从还原性底物将e–传送给特定载体ribitol(cf.Fig.8-3)Keq=10–8~–11(yellow)(blue)(colorless)第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日33T13-9(covalentbond)第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日34LW-14小结：生物氧化-还原反应-生物的主要储能过程大多是Glc逐步氧化成CO2，期间随着e–传递给O2而有部分氧化能以ATP形式被储存-

还原电位E’o代表e–亲和力，e–可自发地从一个氧-还对供体转移到另一个氧-还对受体-

氧-还反应的标准自由能变化正比于两个半电池的标准还原电位差：G’o=-nF

E’o-

生物氧化反应大多为脱氢，即1~2H从底物传递给某个受体，反应均涉及到特化的e–载体-

NAD(P)是许多脱氢酶的可游离辅酶，NAD(P)+都能以H–形式接受2e–和1H+-

FAD和FMN是黄素蛋白的紧密结合辅基，可以接受1~2e–

第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日35复习题(p112~114)一、选择1~5二、填空1~9四、判断1~7五、问答与计算1,2作业

1.如何判断一个化学反应能否自发进行？2.从ATP的结构特点说明其在能量传递中的作用及地位第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日36细胞中的生化反应大多可划分为四大类

-

氧-还反应

-

形成及断开C–C键反应

-

分子内重排、异构及消除反应

-

基团转移反应两项基本化学原则：

LW-3

-

共价键可发生均裂或异裂

-

反应多涉及到亲核和亲电子基团的互作ReviewforMainReactionMechanisms第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日37Ⅱ-5C–C或C–H键断裂的两种机制-均裂产生的碳自由基和异裂产生的负碳离子、正碳离子及氢负离子都极不稳定，相应加强了其化学反应能力第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日386-21生化反应中的常见亲核及亲电子基团

FunctionalgroupsrichinelectronsandcapableofdonatingthemElectron-deficientfunctionalgroupsthatseekelectrons-依据成键类型及其周边的功能基团，碳原子在反应中既可用作亲核也可用作亲电子基团第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日39Ⅱ-6Theoxidationstatesofcarboninbiomolecules:Eachcompoundisformedbyoxidationoftheredcarboninthecompoundlistedaboveit;CO2isthemosthighlyoxidizedformofcarbonfoundinlivingsystems.①氧-还反应

Oxidation-reductionreactions与氧共享的电子对愈多则氧化态愈高第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日40Ⅱ-7-反应实质为电子得失，故任何氧化反应都必定伴有还原反应-氧化反应通常为放能的，活细胞大多通过各种生物氧化途径将电子经由一系列载体最终传递给氧而获取能量乳酸丙酮酸脱氢酶(≠催化C与O共价结合的氧化酶)脱氢--常见的生物氧-还反应第四十页，共四十八页，2022年，8月28日41②形成及断开C–C键反应成键O的电子吸引作用使得羰基C具有部分正电荷而类似于亲电子体Ⅱ-8a/b通过共振作用使电子发生离域，羰基的存在可促进周边C的负碳离子瞬间形成而类似于亲核体携带有电负性原子的基团如羰基的作用在这类反应中至为关键第四十一页，共四十八页，2022年，8月28日42Ⅱ-8c

羰基在三大类涉及到C–C键形成及断开反应中的作用

负碳离子为亲核体而羰基C为亲电子体，前者的稳定均得益于其相邻羰基的存在脱羧时生成的负碳离子被相邻的羰基(或具有类似功能的亚胺等)所稳定羟醛缩合Claisen酯缩合-酮酸脱羧-多种代谢途径都是围绕着特定部位某一羰基的引进而组合的：使附近的某个

C–C键得以形成或断裂第四十二页，共四十八页，2022年，8月28日43Ⅱ-9③分子内异构、消除及重排反应分子内重排发生的电子重新分布可导致异构化和双键的移位或顺-反式转换B1和B2是酶的特定碱性基团，随着反应进行可依次接受和给出H+烯二醇中间物磷酸己糖异构酶nextbreakpoint第