生物能學(xué)與生物氧化演示課件

1、第五章 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,第一節(jié) 代謝通論總論,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（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所

2、謂異化作用（dissimilation ），通過上述過程不斷地進(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)化總過程,太 陽,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,(CH2O) +O2,(CO2) +H2O,ATP,ADP,（光 能）,（電 能）,（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

3、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),五 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,第二節(jié) 生物能學(xué),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

4、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)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于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。它不僅可以用來判

5、斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(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 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：

6、,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

7、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 log19 =-7.6KJ.mol-1,G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.

8、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 -2964850.82-(-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

9、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)國際單位制(Le

10、 Systeme international Unut ，簡稱 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

11、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，因而水解自由能很大（G=-30.5千焦/摩爾）。,ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5kJMOL-1,ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1,ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用, ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨” ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體,26,第三節(jié) 生物氧化,一、生物氧化概述

12、 （一）生物氧化的概念 概念：有機(jī)物質(zhì)在體內(nèi)氧化分解產(chǎn)生CO2、H2O 并釋放能量產(chǎn)生ATP的過程。生物氧化在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，消耗O2， 產(chǎn)生CO2，故稱呼吸作用。,27,（二）生物氧化的歷程 細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物的徹底氧化分解大體上要經(jīng)過三個(gè)階段。脫氫被還原。物質(zhì)在酶促作用下分解，并將所攜帶的電子和氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移到氧化型的輔酶如NAD+ 或FAD上，使其轉(zhuǎn)變成還原性的NADH + H+或FADH2；傳遞并氧化。這些還原型的輔酶通過一系列的電子傳遞載體最終將電子傳遞給O2；偶聯(lián)磷酸化。是伴隨著電子傳遞過程產(chǎn)生能量物質(zhì)ATP。,28,（三）生物氧化的特點(diǎn)（與體外的化學(xué)氧化） 1.在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，作用條件溫和

13、。通常在常溫、常壓、pH接近中性及有水環(huán)境中進(jìn)行； 2. 有許多酶參加； 3. 分階段進(jìn)行，能量逐步釋放； 4. 所釋放的能量大多以高能鍵的形式先貯存在一些特殊的高能化合物中，如ATP。,29,二、生物氧化中 CO2的生成 （一）體內(nèi)生成CO2的特點(diǎn) 糖、脂、蛋白質(zhì)等有機(jī)物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。 （二）有機(jī)酸的脫羧方式,30,31,三、生物氧化中H2O的生成 （一）H2O生成的一般原理 水的生成是通過生物氧化體系來實(shí)現(xiàn)的。生物氧化體系是由脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成。最重要的生物氧化體系是呼吸鏈。,32,（二）呼吸鏈 1.概念： 代謝物上的氫原子被脫氫酶脫落后

14、，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧，而生成水的全部體系的體系。也稱電子傳遞鏈。 2.組成和類型 （1）組成 煙酰胺脫氫酶類 以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶，目前已者達(dá)200種以上。,33,NAD(P)+2H NAD(P)H+H+,34,黃素脫氫酶類 以FMN或FAD為輔基的脫氫酶，重要的黃素脫氫酶有琥珀酸脫氫酶（FAD）、脂酰CoA脫氫酶（FAD）、NADH脫氫酶（FMN）。 MH2+E-FMN(FAD) E-FMNH2(E-FADH2)+M,35,鐵硫蛋白類(Fe-S) 存在于線粒體上的一種電子傳遞蛋白質(zhì)，其分子中含有非卟啉鐵和對(duì)酸不穩(wěn)定的硫，鐵和硫構(gòu)成等量關(guān)系（Fe2S2,

15、Fe4S4 )形成鐵硫中心，通常簡寫為Fe-S。其作用是借鐵硫中心內(nèi)鐵化合價(jià)的轉(zhuǎn)變而傳遞電子作用。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+,36,輔酶Q類（泛醌類） 為脂溶性的醌類化臺(tái)物。因廣泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原而形成對(duì)苯二酚衍生物，具有遞氫作用。,37,細(xì)胞色素類（Cyt類） 是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)，在呼吸鏈中，也依靠鐵的化合價(jià)的變化而傳遞電子。 2Fe3+ + 2e- 2Fe2+ 目前，發(fā)現(xiàn)至少有5種不同的Cyt，它們?cè)诘湫秃粑溨信帕许樞蚴莃c1caa3。,38,(2)類型 NADH呼吸鏈,39,FADH2呼吸鏈,40,3.呼吸鏈中4個(gè)蛋白質(zhì)復(fù)

16、合體,41,4.呼吸鏈中傳遞體的順序 （1）傳遞順序,42,（2）特異阻斷劑 NADHCoQ CoQCytc1 Cytaa3O2-,43,四、ATP的生成氧化磷酸化 （一）底物水平磷酸化（5） 在被氧化的底物上發(fā)生的磷酸化作用。如磷酸甘油酸激酶 （二）電子傳遞體系磷酸化（95）氧化磷酸化,44,（二）電子傳遞體系磷酸化（95）氧化磷酸化 1.概念：電子從NADH或FADH2經(jīng)過電子傳遞體系傳遞給氧形成水，同時(shí)伴有ADP磷酸化為ATP的過程。 2.偶聯(lián)作用和偶聯(lián)部位,45,NADH CoQ CoQ Cytc Cytaa3 O2 3.P/O 指每消耗1摩爾氧所消耗無機(jī)磷酸的摩爾數(shù)。NADH呼吸鏈P/O理論數(shù)3，F(xiàn)ADH2呼吸鏈P/O理論數(shù)2；NADH呼吸鏈P/O實(shí)際數(shù)2.5；FADH2呼吸鏈P/O實(shí)際數(shù)1.5。,46,4.氧化磷酸化作用機(jī)制 關(guān)于氧化磷酸