生物能学与生物氧化

1、第五章 代谢引论和生物能学概述,主要内容：介绍新陈代谢的概念和研究方法，生物能力学的基本内容和高能化合物的概念和特点。,思考,返回,第一节 代谢通论总论,一、新陈代谢概念 二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位 三、新陈代谢的调节 四、代谢中常见的有机反应,一、新陈代谢的概念,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所

2、谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O) +O2,(CO2) +H2O,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,三、新陈代谢的调节,分子水平

3、细胞水平 整体水平,生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。 代谢调节可分为三个不同水平：,四、代谢中常见的有机化学反应机制,基团转移反应 氧化-还原反应 消除、异构化和重排反应 碳-碳键的形成与断裂反应,五 新陈代谢研究方法,一、同位素示踪法 二、酶抑制剂的应用 三、气体测量法 四、核磁共振波谱法 五、利用遗传缺陷症研究代谢途径,第二节 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念 二、自由能的概念 三、化学反应中自由能的变化和意义 四、生物体

4、的能流和能量产生的三个阶段,一、有关热力学的一些基本概念,体系、环境、状态 能的两种形式 热与功 热力学第一定律和内能(internal energy)、焓(enthalpy) 热力学第二定律和熵(entropy) 自由能(free energy),二、自由能（free energy）,物理意义：* (体系中能对环境作功的能量) 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行 G=0，反应处于平衡状态。,自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判

5、断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。,三、 化学反应中自由能的变化和意义,1、化学反应的自由能变化的基本公式 =H-TS 2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系 3、偶联化学反应G变化的可加性 4、能量学用于生物化学反应中的一些规定,化学反应自由能的变化和平衡常数的关系,假设有一个化学反应式：aA + bB = cC + dD 恒温恒压下：G=G+ RTlnQc 式中：G= - RTlnKeq,例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,G 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化。 Qc - 浓度商：

6、,G 标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。 Keq - 平衡常数：,化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系,氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： G=nFE,任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。 氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧 还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下 式计算： 0（ E0 ） = E0正极-E0负极,生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理 和原电池一样。,例：计算NADH氧化反应的G,氧化-还原反

7、应自由能的变化与标准电势的关系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq,原电池示意图,E0 = E0正极-E0负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V,负极反应: Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V,正极反应: Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V,计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化,达平衡时 =Keq=19,解：,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.

8、314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1,未达平衡时 =Qc=0.1,反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应的 G是多少？,例题：,例题：计算下反应式G,NADH+H+1/2O2=NAD+H2O 正极反应：1/2O2+2H+2e H2O E+ 0.82 负极反应：NAD+H+2e NADH E- -0.3 G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-1,3、偶联化学反应G变化的可加性,在偶联的

9、化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 则 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol,该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。,4、能量学用于生物化学反应中的一些规定,1、在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时， 水的浓度（近似的即活度）为1.0。 2、生物体标准状况的pH规定为7.0。 3、 G是 pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。 4、根据国际单位制(Le

10、 Systeme international Unut ，简称 SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。,生物系统中的能流,脂肪,葡萄糖、其它单糖,三羧酸循环,电子传递（氧化）,蛋白质,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间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）,共同中间物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。,大分子降解成基本结构单位,生物体内能量产生的三个阶段,第五节 高能化合物,一、高能化合物的类型 二、ATP的特点及其特殊作用,生化反应中，在水解时或

11、基团转移反应中可释放出大量自由能（21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物。,高能化合物类型,ATP的特点,在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP在能量转运中地位和作用, ATP是细胞内的“能量通货” ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体,第三节 生物氧化,一、生物氧化概述 （一

12、）生物氧化的概念 概念：有机物质在体内氧化分解产生CO2、H2O 并释放能量产生ATP的过程。生物氧化在组织细胞内进行，消耗O2， 产生CO2，故称呼吸作用。,（二）生物氧化的历程 细胞内有机物的彻底氧化分解大体上要经过三个阶段。脱氢被还原。物质在酶促作用下分解，并将所携带的电子和氢质子转移到氧化型的辅酶如NAD+ 或FAD上，使其转变成还原性的NADH + H+或FADH2；传递并氧化。这些还原型的辅酶通过一系列的电子传递载体最终将电子传递给O2；偶联磷酸化。是伴随着电子传递过程产生能量物质ATP。,（三）生物氧化的特点（与体外的化学氧化） 1.在活细胞内进行，作用条件温和。通常在常温、常压

13、、pH接近中性及有水环境中进行； 2. 有许多酶参加； 3. 分阶段进行，能量逐步释放； 4. 所释放的能量大多以高能键的形式先贮存在一些特殊的高能化合物中，如ATP。,二、生物氧化中 CO2的生成 （一）体内生成CO2的特点 糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。 （二）有机酸的脱羧方式,三、生物氧化中H2O的生成 （一）H2O生成的一般原理 水的生成是通过生物氧化体系来实现的。生物氧化体系是由脱氢酶、传递体及氧化酶组成。最重要的生物氧化体系是呼吸链。,（二）呼吸链 1.概念： 代谢物上的氢原子被脱氢酶脱落后，经过一系列的传递体，最后传递给被激活的氧

14、，而生成水的全部体系的体系。也称电子传递链。 2.组成和类型 （1）组成 烟酰胺脱氢酶类 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶，目前已者达200种以上。,NAD(P)+2H NAD(P)H+H+,黄素脱氢酶类 以FMN或FAD为辅基的脱氢酶，重要的黄素脱氢酶有琥珀酸脱氢酶（FAD）、脂酰CoA脱氢酶（FAD）、NADH脱氢酶（FMN）。 MH2+E-FMN(FAD) E-FMNH2(E-FADH2)+M,铁硫蛋白类(Fe-S) 存在于线粒体上的一种电子传递蛋白质，其分子中含有非卟啉铁和对酸不稳定的硫，铁和硫构成等量关系（Fe2S2, Fe4S4 )形成铁硫中心，通常简写为Fe-S。其作用是借铁

15、硫中心内铁化合价的转变而传递电子作用。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+,辅酶Q类（泛醌类） 为脂溶性的醌类化台物。因广泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌结构能可逆地加氢还原而形成对苯二酚衍生物，具有递氢作用。,细胞色素类（Cyt类） 是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质，在呼吸链中，也依靠铁的化合价的变化而传递电子。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+ 目前，发现至少有5种不同的Cyt，它们在典型呼吸链中排列顺序是bc1caa3。,(2)类型 NADH呼吸链,FADH2呼吸链,3.呼吸链中4个蛋白质复合体,4.呼吸链中传递体的顺序 （1）传递顺序,（2）特异阻断剂 NADHCoQ CoQC

16、ytc1 Cytaa3O2-,四、ATP的生成氧化磷酸化 （一）底物水平磷酸化（5） 在被氧化的底物上发生的磷酸化作用。如磷酸甘油酸激酶 （二）电子传递体系磷酸化（95）氧化磷酸化,（二）电子传递体系磷酸化（95）氧化磷酸化 1.概念：电子从NADH或FADH2经过电子传递体系传递给氧形成水，同时伴有ADP磷酸化为ATP的过程。 2.偶联作用和偶联部位,NADH CoQ CoQ Cytc Cytaa3 O2 3.P/O 指每消耗1摩尔氧所消耗无机磷酸的摩尔数。NADH呼吸链P/O理论数3，FADH2呼吸链P/O理论数2；NADH呼吸链P/O实际数2.5；FADH2呼吸链P/O实际数1.5。,4.氧化磷酸化作用机制