代谢总论与生物能学

代谢总论与生物能学第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期六生物体的化学组成自然界所有的生命物体都由三类物质组成水、无机离子和生物分子第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期六生命体的元素组成组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期六生物分子生物大分子糖G6（葡萄糖）

F（果糖）脂FA（脂肪酸）＋甘油核酸5种含氮碱基（A、G、T、C、U）蛋白质20种氨基酸有机小分子

维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等。

生物复杂多样，但在分子水平具有简单同一性。由基本相同类型的分子单体组成研究

结构

功能性质第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期六新陈代谢同化作用

吸收与合成生长、发育、生殖异化作用

排泄与分解衰老、死亡是生命的必然的两个部分在新陈代谢中不断发生能量变化及物质变化探索物质的运动规律第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期六湖北大学生命科学学院yangyanyan@第六章代谢总论与生物能学

(P.250-274)第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期六第一节代谢总论1、细胞如何从其环境中摄取能量和还原能力？(分解代谢）2、细胞如何合成其大分子的构造单元？（合成代谢）

这些过程是由许多高度整合、相互交织的化学反应来完成的。营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢（metabolism)，简称代谢。

问题第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期六一．代谢阶段：人和高等动物可分为三个阶段:1．消化、吸收：食物（糖、脂和蛋白质）→可吸收的小分子→肠粘膜细胞→血循环→各组织细胞2.中间代谢：在细胞内进行，中间可有多步连续反应。例糖酵解:G→G-6-P→→→→→→2丙酮酸→2乳酸

（多个酶）3．排泄废物：肾、肠、皮肤等（生理学主讲）

第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期六二．代谢特点：1．多步相关联的反应连续进行；2．反应条件温和，由酶催化进行，一般无副反应；3．对内外环境变化有高度适应性和灵敏的自动调节。三、代谢的研究方法：1.可从不同水平研究新陈代谢：

整体（invivo）研究:意即“在体内”；组织切片组织匀浆和提取液：(invitro)意即

“在体外”、“在试管内”。2.可用不同方法研究新陈代谢：

第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期六(1)苯环化合物示踪法：1904年，德国Knoop用此法确立了脂肪酸氧化方式，提出β-氧化学说。（2）同位素示踪法：稳定(天然)同位素（如15N、13C等）。

不稳定同位素:放射性同位素(如14C、131I等）（3）使用酶的抑制剂：如碘乙酸抑制醛缩酶

（4）利用遗传缺陷症：例先天缺乏尿黑酸氧化酶，可造成体内尿黑酸积累，从尿中检出尿黑酸可推测Tyr代谢情况.(5)气体测量法：如瓦氏呼吸器(P.18图19-1）（6）核磁共振波谱法（NMR）：1948年由Bloch与Purcell建立，获1952年诺贝尔奖。

第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期六三、代谢的研究方法之1：使用抑制剂★酶抑制剂或呼吸电子抑制剂可以使代谢或呼吸电子传递途径受阻，积累中间产物，利于测定果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸二羟丙酮磷酸醛缩酶碘乙酸-甘油酸-3-磷酸磷酸烯醇式丙酮酸甘油酸-2-磷酸烯醇化酶氟化物-第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期六第二节生物能学一、体系的概念、性质与状态二、内能和热力学第一定律三、熵和热力学第二定律四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的关系五、自由能变化六、标准生成自由能及其与平衡常数的关系七、能量学在生物化学应用中的一些规定八、高能磷酸化合物的储存和利用生物化学中的热力学第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期六第二节生物能学（生物化学中的热力学）

热力学在生物化学中最基本的用处在于判断一个过程是否能够发生。有关热力学的一些基本概念：一、体系：热力学中的体系（system）是在一限定范围内的物质。宇宙的其余部分的物质称为环境（surroundings）。开放体系：体系与环境之间既有能量传递又有物质交换；封闭体系：体系与环境之间只有能量传递没有物质交换；隔离体系：体系与环境之间没有能量传递也没有物质交换。

第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期六二、内能和热力学第一定律：内能（internalenergy）：体系内部质点能量的总和，用符号U（或E）表示。内能的绝对值是无法测量的，但其改变量却是可以测量的。一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等，热力学用体系的这些性质来描述一个体系所处的状态，并把这种性质与状态间的单值对应关系称为状态函数（只与体系状态变化的始态和终态有关，而与状态变化的过程无关。）：1．内能U;2.焓(H=U+PV);3.熵S与自由能ΔG第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期六

热力学第一定律:就是能量守衡定律，说明能的形式只能互相转变不能消灭。第一定律的数学表达式是：ΔU=Q-W（Q代表在过程中吸收的热量，W代表体系所做的功，ΔU代表内能的变化）。三、熵和热力学第二定律：●熵（entropy）：用S表示，代表一个体系散乱无序的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵增加。

●热力学第二定律：说的是只有当体系及其周围的熵之和增加时，过程才能自发地进行。对于自发过程ΔS体系+ΔS环境>0第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期六根据热力学第二定律，可以了解在机体内哪些过程可能发生，推测哪些因素是某一过程发生的条件。例如，形成一个高度有序的生物结构是可能的，因为这种体系的熵减少被周围环境的熵增加所补偿；生物体内部所有不可逆过程的发生是可能的，它可不断地从周围环境吸取负熵来维持生存，新陈代谢使机体成功地向周围环境释放正熵。

●

自由能的概念：1878年，J.W.Gibbs把热力学第一定律和第二定律结合起来，提出了自由能这一函数。

第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期六三、熵和热力学第二定律●自由能的概念：1878年，J.W.Gibbs把热力学第一定律和第二定律结合起来，提出了自由能这一函数。△U是体系内能的变化△G=△H—T△S△G是恒温、恒压下自由能的变化△H是体系焓的变化，△H=△U+P△V△S是体系熵的变化第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期六三、熵和热力学第二定律△G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，△G是负值表示反应可自发进行。△G和反应的速度、变化的途径无关，也不说明反应的速率如何。过程可逆：-△G=0，或写为△G=0自发进行：-△G﹥0，或写为△G﹤0过程不可能进行：-△G﹤0，或写为△G﹥0意味着该过程释放自由能意味着该过程需要提供能量才能进行第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期六

四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的关系考虑反应：A+B===C+D此反应的△G为：

△G=△G0+RTln[C][D]/[A][B]△G0为标准自由能变化R为气体常数T为绝对温度

若将标准状况的pH规定为7.0，将pH=7.0时的标准自由能变化用△G0′表示，可以导出反应的标准自由能与平衡常数之间的关系。

第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期六反应的标准自由能变化

及其与平衡常数的关系平衡时，△G=0

0=△G0′+RTln[C][D]/[A][B]因此，△G0′=—RTln[C][D]/[A][B]令

K′eq=[C][D]/[A][B]则得：△G0′=—RTlnK′eq

△G0′=—2.303RTlogK′eq

需要强调的是，自发反应的判断依据是△G值，而不是△G0′值，△G值为负即此反应能够自发进行。第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期六利用平衡常数求出△G0′和△G举例例：当二羟丙酮磷酸与甘油醛-3-磷酸互变达到平衡时，甘油醛-3-磷酸与二羟丙酮磷酸的浓度比是0.0475（25℃，pH7）。甘油醛-3-磷酸的浓度为3×10-6mol/L，二羟丙酮磷酸的浓度为2×10-4mol/L，求出该反应的△G0′与△G值。解：△G0′=-RTlnK’eq=-2.303RTlgK’eq=-2.303×1.987×10-3×（273+25）×lg0.0475=-1.364×lg0.0475=1.81kcal/mol=7.57kJ/mol

△G=△G0′+RTln

[C][D]/[A][B]

△G=△G0′+RTln[甘油醛-3-磷酸]/[二羟丙酮磷酸]=1.81+2.303×1.987×10-3×298×lg（3×10-6/2×10-4）=1.81–2.487=-0.677kcal/mol=-2.833kJ/mol1cal=4.184J第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期六利用平衡常数求出△G0′和△G举例*需要强调的是：自发反应的判断依据是△G值，而不是△G0′值，△G值为负值，即此反应能够自发进行。△G0′指特定条件下的标准自由能，其计算与特定条件下的平衡常数有关△G指一定条件下物质发生反应的自由能，其计算与△G0′有关，是判断反应能否自发进行的标准。第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期六五、自由能变化的可加性及热力学上一个不利反应可由一个有利的反应推动在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和△G0′总=△G0′1+△G0′2+△G0′3…...第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期六六．能量学在生物化学应用中的一些规定

1、水的活度规定为1；2、把标准状况的pH规定为7.0；3、△G0′值基于每个反应物和产物都能够解离；4、生化系统的标准自由能变化在过去以cal或kcal表示，现建议用J或kJ表示。1cal相当于4.184J第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期六

第三节生物氧化还原反应中自由能变化

一、生物氧化与氧化还原电势

生物氧化：有机物在体内氧化分解为二氧化碳和水并释放能量的过程。又可称组织呼吸、细胞呼吸。氧化还原反应是指电子从一种物质转移到另一种物质上的化学反应。第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期六（一）生物氧化中物质氧化的方式生物体内氧化作用主要有三种方式：1.失电子如：Fe2+—→Fe3++e—

2.脱氢如：醇氧化为醛

3.加氧如：

醛氧化为酸（加水脱氢反应）

*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的释放和转移

第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期六1.标准氧化还原电势

一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为氧化还原电势(电位)：生物氧化中包括许多氧化还原反应：H2←→2H++2eFe2+←→Fe3++e电子供体电子受体电子供体电子受体(还原型)(氧化型)(还原型)(氧化型)分别构成氧化还原(电)对:H+/1/2H2，Fe3+/Fe2+在生物氧化反应中，通常用氧化还原电位来相对地表示各种化合物对电子亲合力的大小。（二）氧化-还原电势（电位）第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期六在标准条件(250C,常压,[氧化型][还原型]:1mol)下,每一个氧化还原对都有一个标准氧化还原电势(E0);

生物体氧化还原反应的标准条件:PH=7,故用E0’表示,此时氢电极E0’=-0.421(P.258表8-3)2.标准电势与自由能的关系：

△E0′；氧化还原体系中两个半反应的氧化还原电位差：△E0′=E0′正极-E0′负极（失去电子倾向高）

ΔG0′=-nΔE0’

F

3.标准电势与平衡常数的关系：ΔG0′=-2.303RTlogK’eq=-nΔE0’

F

(=96480J.)

ΔE0’=2.303RTlogK’eq

/n

F

第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期六1.以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶(尼克酰胺核苷酸类)NAD+和NADP+的结构NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：将底物上的氢激活并脱下。辅酶：NAD+或NADP+（三）生物氧化反应的电子载体（P.260）第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期六2.FMN和FAD也是重要的电子载体（P.261）

辅酶FMN传递电子的过程：第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期六第四节高能磷酸化合物的

储存和利用一.生物体内的高能磷酸化合物二.ATP在生物能学中的作用三.生物体内ATP生成的方式第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期六一.生物体内的高能磷酸化合物生物化学中将磷酸化合物水解时释放出的能量大于25KJ/mol者,称高能磷酸化合物。其所含键称高能磷酸键。高能磷酸化合物主要有四类：1.磷酸酐2.混合酐3.烯醇磷酸4.磷酸胍类第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期六高能磷酸化合物

1、概念：生物机体内的许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出大量的自由能，这类化合物称为高能磷酸化合物

。（P.262表8-4）2、类型:常见：磷氧键型(-O-P):酰基磷酸化合物，焦磷酸化合物，烯醇式磷酸化合物。第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期六高能磷酸化合物的类型

磷氧键型(-O-P)

氮磷键型(-N-P)

硫酯键型(-CO-S)

甲硫键型(-S-CH3)

第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期六第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期六

二.ATP在生物能学中的作用

1.

ATP为生命活动直接提供能量第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期六

2.磷酸肌酸与ATP的转换:第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期六肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期六3.ATP的生理作用1.机体能量的暂时存储形式2.机体其它能量