代謝總論與生物能學

代謝總論與生物能學第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日生物體的化學組成自然界所有的生命物體都由三類物質(zhì)組成水、無機離子和生物分子第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日生命體的元素組成組成生命體的物質(zhì)是極其復雜的。但在地球上存在的92種天然元素中，只有28種元素在生物體內(nèi)被發(fā)現(xiàn)第一類元素：包括C、H、O和N四種元素，是組成生命體最基本的元素。這四種元素約占了生物體總質(zhì)量的99%以上。第二類元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。這類元素也是組成生命體的基本元素。第三類元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物體內(nèi)存在的主要少量元素。第四類元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日生物分子生物大分子糖G6（葡萄糖）

F（果糖）脂F(xiàn)A（脂肪酸）＋甘油核酸5種含氮堿基（A、G、T、C、U）蛋白質(zhì)20種氨基酸有機小分子

維生素、輔酶、激素、有機酸、色素等。

生物復雜多樣，但在分子水平具有簡單同一性。由基本相同類型的分子單體組成研究

結(jié)構(gòu)

功能性質(zhì)第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日新陳代謝同化作用

吸收與合成生長、發(fā)育、生殖異化作用

排泄與分解衰老、死亡是生命的必然的兩個部分在新陳代謝中不斷發(fā)生能量變化及物質(zhì)變化探索物質(zhì)的運動規(guī)律第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日湖北大學生命科學學院第六章代謝總論與生物能學

(P.250-274)第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)代謝總論1、細胞如何從其環(huán)境中攝取能量和還原能力？(分解代謝）2、細胞如何合成其大分子的構(gòu)造單元？（合成代謝）

這些過程是由許多高度整合、相互交織的化學反應來完成的。營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)所經(jīng)歷的一切化學變化總稱為新陳代謝（metabolism)，簡稱代謝。

問題第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日一．代謝階段：人和高等動物可分為三個階段:1．消化、吸收：食物（糖、脂和蛋白質(zhì)）→可吸收的小分子→腸粘膜細胞→血循環(huán)→各組織細胞2.中間代謝：在細胞內(nèi)進行，中間可有多步連續(xù)反應。例糖酵解:G→G-6-P→→→→→→2丙酮酸→2乳酸

（多個酶）3．排泄廢物：腎、腸、皮膚等（生理學主講）

第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日二．代謝特點：1．多步相關(guān)聯(lián)的反應連續(xù)進行；2．反應條件溫和，由酶催化進行，一般無副反應；3．對內(nèi)外環(huán)境變化有高度適應性和靈敏的自動調(diào)節(jié)。三、代謝的研究方法：1.可從不同水平研究新陳代謝：

整體（invivo）研究:意即“在體內(nèi)”；組織切片組織勻漿和提取液：(invitro)意即

“在體外”、“在試管內(nèi)”。2.可用不同方法研究新陳代謝：

第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日(1)苯環(huán)化合物示蹤法：1904年，德國Knoop用此法確立了脂肪酸氧化方式，提出β-氧化學說。（2）同位素示蹤法：穩(wěn)定(天然)同位素（如15N、13C等）。

不穩(wěn)定同位素:放射性同位素(如14C、131I等）（3）使用酶的抑制劑：如碘乙酸抑制醛縮酶

（4）利用遺傳缺陷癥：例先天缺乏尿黑酸氧化酶，可造成體內(nèi)尿黑酸積累，從尿中檢出尿黑酸可推測Tyr代謝情況.(5)氣體測量法：如瓦氏呼吸器(P.18圖19-1）（6）核磁共振波譜法（NMR）：1948年由Bloch與Purcell建立，獲1952年諾貝爾獎。

第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、代謝的研究方法之1：使用抑制劑★酶抑制劑或呼吸電子抑制劑可以使代謝或呼吸電子傳遞途徑受阻，積累中間產(chǎn)物，利于測定果糖-1，6-二磷酸甘油醛-3-磷酸二羥丙酮磷酸醛縮酶碘乙酸-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-第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)生物能學一、體系的概念、性質(zhì)與狀態(tài)二、內(nèi)能和熱力學第一定律三、熵和熱力學第二定律四、反應的標準自由能變化及其與平衡常數(shù)的關(guān)系五、自由能變化六、標準生成自由能及其與平衡常數(shù)的關(guān)系七、能量學在生物化學應用中的一些規(guī)定八、高能磷酸化合物的儲存和利用生物化學中的熱力學第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)生物能學（生物化學中的熱力學）

熱力學在生物化學中最基本的用處在于判斷一個過程是否能夠發(fā)生。有關(guān)熱力學的一些基本概念：一、體系：熱力學中的體系（system）是在一限定范圍內(nèi)的物質(zhì)。宇宙的其余部分的物質(zhì)稱為環(huán)境（surroundings）。開放體系：體系與環(huán)境之間既有能量傳遞又有物質(zhì)交換；封閉體系：體系與環(huán)境之間只有能量傳遞沒有物質(zhì)交換；隔離體系：體系與環(huán)境之間沒有能量傳遞也沒有物質(zhì)交換。

第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日二、內(nèi)能和熱力學第一定律：內(nèi)能（internalenergy）：體系內(nèi)部質(zhì)點能量的總和，用符號U（或E）表示。內(nèi)能的絕對值是無法測量的，但其改變量卻是可以測量的。一個體系的性質(zhì)包括：壓力、體積、溫度、組成、比熱、表面張力等，熱力學用體系的這些性質(zhì)來描述一個體系所處的狀態(tài)，并把這種性質(zhì)與狀態(tài)間的單值對應關(guān)系稱為狀態(tài)函數(shù)（只與體系狀態(tài)變化的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的過程無關(guān)。）：1．內(nèi)能U;2.焓(H=U+PV);3.熵S與自由能ΔG第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日

熱力學第一定律:就是能量守衡定律，說明能的形式只能互相轉(zhuǎn)變不能消滅。第一定律的數(shù)學表達式是：ΔU=Q-W（Q代表在過程中吸收的熱量，W代表體系所做的功，ΔU代表內(nèi)能的變化）。三、熵和熱力學第二定律：●熵（entropy）：用S表示，代表一個體系散亂無序的程度。一個體系當變?yōu)楦靵y時，它的熵增加。

●熱力學第二定律：說的是只有當體系及其周圍的熵之和增加時，過程才能自發(fā)地進行。對于自發(fā)過程ΔS體系+ΔS環(huán)境>0第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日根據(jù)熱力學第二定律，可以了解在機體內(nèi)哪些過程可能發(fā)生，推測哪些因素是某一過程發(fā)生的條件。例如，形成一個高度有序的生物結(jié)構(gòu)是可能的，因為這種體系的熵減少被周圍環(huán)境的熵增加所補償；生物體內(nèi)部所有不可逆過程的發(fā)生是可能的，它可不斷地從周圍環(huán)境吸取負熵來維持生存，新陳代謝使機體成功地向周圍環(huán)境釋放正熵。

●

自由能的概念：1878年，J.W.Gibbs把熱力學第一定律和第二定律結(jié)合起來，提出了自由能這一函數(shù)。

第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、熵和熱力學第二定律●自由能的概念：1878年，J.W.Gibbs把熱力學第一定律和第二定律結(jié)合起來，提出了自由能這一函數(shù)?！鱑是體系內(nèi)能的變化△G=△H—T△S△G是恒溫、恒壓下自由能的變化△H是體系焓的變化，△H=△U+P△V△S是體系熵的變化第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、熵和熱力學第二定律△G是判斷一個化學反應能否向某個反向進行的根據(jù)，△G是負值表示反應可自發(fā)進行?！鱃和反應的速度、變化的途徑無關(guān)，也不說明反應的速率如何。過程可逆：-△G=0，或?qū)憺椤鱃=0自發(fā)進行：-△G﹥0，或?qū)憺椤鱃﹤0過程不可能進行：-△G﹤0，或?qū)憺椤鱃﹥0意味著該過程釋放自由能意味著該過程需要提供能量才能進行第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日

四、反應的標準自由能變化及其與平衡常數(shù)的關(guān)系考慮反應：A+B===C+D此反應的△G為：

△G=△G0+RTln[C][D]/[A][B]△G0為標準自由能變化R為氣體常數(shù)T為絕對溫度

若將標準狀況的pH規(guī)定為7.0，將pH=7.0時的標準自由能變化用△G0′表示，可以導出反應的標準自由能與平衡常數(shù)之間的關(guān)系。

第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日反應的標準自由能變化

及其與平衡常數(shù)的關(guān)系平衡時，△G=0

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

K′eq=[C][D]/[A][B]則得：△G0′=—RTlnK′eq

△G0′=—2.303RTlogK′eq

需要強調(diào)的是，自發(fā)反應的判斷依據(jù)是△G值，而不是△G0′值，△G值為負即此反應能夠自發(fā)進行。第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日利用平衡常數(shù)求出△G0′和△G舉例例：當二羥丙酮磷酸與甘油醛-3-磷酸互變達到平衡時，甘油醛-3-磷酸與二羥丙酮磷酸的濃度比是0.0475（25℃，pH7）。甘油醛-3-磷酸的濃度為3×10-6mol/L，二羥丙酮磷酸的濃度為2×10-4mol/L，求出該反應的△G0′與△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]/[二羥丙酮磷酸]=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第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日利用平衡常數(shù)求出△G0′和△G舉例*需要強調(diào)的是：自發(fā)反應的判斷依據(jù)是△G值，而不是△G0′值，△G值為負值，即此反應能夠自發(fā)進行?！鱃0′指特定條件下的標準自由能，其計算與特定條件下的平衡常數(shù)有關(guān)△G指一定條件下物質(zhì)發(fā)生反應的自由能，其計算與△G0′有關(guān)，是判斷反應能否自發(fā)進行的標準。第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日五、自由能變化的可加性及熱力學上一個不利反應可由一個有利的反應推動在偶聯(lián)的幾個化學反應中，自由能的總變化等于每一步反應自由能變化的總和△G0′總=△G0′1+△G0′2+△G0′3…...第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日六．能量學在生物化學應用中的一些規(guī)定

1、水的活度規(guī)定為1；2、把標準狀況的pH規(guī)定為7.0；3、△G0′值基于每個反應物和產(chǎn)物都能夠解離；4、生化系統(tǒng)的標準自由能變化在過去以cal或kcal表示，現(xiàn)建議用J或kJ表示。1cal相當于4.184J第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日

第三節(jié)生物氧化還原反應中自由能變化

一、生物氧化與氧化還原電勢

生物氧化：有機物在體內(nèi)氧化分解為二氧化碳和水并釋放能量的過程。又可稱組織呼吸、細胞呼吸。氧化還原反應是指電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)上的化學反應。第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日（一）生物氧化中物質(zhì)氧化的方式生物體內(nèi)氧化作用主要有三種方式：1.失電子如：Fe2+—→Fe3++e—

2.脫氫如：醇氧化為醛

3.加氧如：

醛氧化為酸（加水脫氫反應）

*生物體內(nèi)氧化還原反應的同時，有能量的釋放和轉(zhuǎn)移

第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日1.標準氧化還原電勢

一個氧化還原對失去電子或獲得電子的傾向稱為氧化還原電勢(電位)：生物氧化中包括許多氧化還原反應：H2←→2H++2eFe2+←→Fe3++e電子供體電子受體電子供體電子受體(還原型)(氧化型)(還原型)(氧化型)分別構(gòu)成氧化還原(電)對:H+/1/2H2，F(xiàn)e3+/Fe2+在生物氧化反應中，通常用氧化還原電位來相對地表示各種化合物對電子親合力的大小。（二）氧化-還原電勢（電位）第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日在標準條件(250C,常壓,[氧化型][還原型]:1mol)下,每一個氧化還原對都有一個標準氧化還原電勢(E0);

生物體氧化還原反應的標準條件:PH=7,故用E0’表示,此時氫電極E0’=-0.421(P.258表8-3)2.標準電勢與自由能的關(guān)系：

△E0′；氧化還原體系中兩個半反應的氧化還原電位差：△E0′=E0′正極-E0′負極（失去電子傾向高）

ΔG0′=-nΔE0’

F

3.標準電勢與平衡常數(shù)的關(guān)系：ΔG0′=-2.303RTlogK’eq=-nΔE0’

F

(=96480J.)

ΔE0’=2.303RTlogK’eq

/n

F

第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日1.以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶(尼克酰胺核苷酸類)NAD+和NADP+的結(jié)構(gòu)NAD+：R=HNADP+：R=PO32-功能：將底物上的氫激活并脫下。輔酶：NAD+或NADP+（三）生物氧化反應的電子載體（P.260）第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日2.FMN和FAD也是重要的電子載體（P.261）

輔酶FMN傳遞電子的過程：第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日第四節(jié)高能磷酸化合物的

儲存和利用一.生物體內(nèi)的高能磷酸化合物二.ATP在生物能學中的作用三.生物體內(nèi)ATP生成的方式第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日一.生物體內(nèi)的高能磷酸化合物生物化學中將磷酸化合物水解時釋放出的能量大于25KJ/mol者,稱高能磷酸化合物。其所含鍵稱高能磷酸鍵。高能磷酸化合物主要有四類：1.磷酸酐2.混合酐3.烯醇磷酸4.磷酸胍類第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日高能磷酸化合物

1、概念：生物機體內(nèi)的許多磷酸化合物，其磷酸基團水解時可釋放出大量的自由能，這類化合物稱為高能磷酸化合物

。（P.262表8-4）2、類型:常見：磷氧鍵型(-O-P):酰基磷酸化合物，焦磷酸化合物，烯醇式磷酸化合物。第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日高能磷酸化合物的類型

磷氧鍵型(-O-P)

氮磷鍵型(-N-P)

硫酯鍵型(-CO-S)

甲硫鍵型(-S-CH3)

第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日

二.ATP在生物能學中的作用

1.

ATP為生命活動直接提供能量第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日

2.磷酸肌酸與ATP的轉(zhuǎn)換:第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日肌酸激酶的作用磷酸肌酸作為肌肉和腦組織中能量的一種貯存形式。第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日3.ATP的生理作用1.機體能量的暫時存儲形式2.機體其它能量