5 生物能学与生物氧化.ppt

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1、第五章第五章 代谢引论和生物能学概述代谢引论和生物能学概述 主主要要内内容容：介介绍绍新新陈陈代代谢谢的的概概念念和和研研究究方方法法，生生物物能能力力学学的的基基本本内内容和高能化合物的概念和特点。容和高能化合物的概念和特点。思考思考第一节第一节 代谢通论总论代谢通论总论一、一、新陈代谢新陈代谢概念概念二、能量代谢在新陈代谢中的二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位重要地位三、新陈代谢的三、新陈代谢的调节调节四、代谢中四、代谢中常见的有机反应常见的有机反应 一、新陈代谢的概念一、新陈代谢的概念 新新陈陈代代谢谢（metabolism）是是生生命命最最基基本本的的特特征征之之一一，泛泛指指生生物物

2、与与周周围围环环境境进进行行物物质质交交换换、能能量量交交换换和和信信息息交交换换的的过过程程。生生物物一一方方面面不不断断地地从从周周围围环环境境中中摄摄取取能能量量和和物物质质，通通过过一一系系列列生生物物反反应应转转变变成成自自身身组组织织成成分分，即即所所谓谓同同化化作作用用（assimilation）；另另一一方方面面，将将原原有有的的组组成成成成份份经经过过一一系系列列的的生生化化反反应应，分分解解为为简简单单成成分分重重新新利利用用或或排排出出体体外外，即即所所谓谓异异化化作作用用（dissimilation），通通过过上上述述过过程程不不断断地地进行自我更新。进行自我更新。特特

3、点点：特特异异、有有序序、高高度度适适应应和和灵灵敏敏调调节节、代代谢谢途途径逐步进行径逐步进行新陈代谢的概念及内涵新陈代谢的概念及内涵 小分子小分子 大分子大分子合成代谢合成代谢（同化作用）（同化作用）需要能量需要能量 释放能量释放能量分解代谢分解代谢（异化作用）（异化作用）大分子大分子 小分子小分子物物质质代代谢谢能能量量代代谢谢新新陈陈代代谢谢信信息息交交换换生生物物界界能能量量传传递递及及转转化化总总过过程程太太 阳阳电子传递电子传递合成合成分解分解电子传递电子传递光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命现现象象自自养养细细胞胞异异养养细细胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+

4、H2OATPADP（光光 能）能）（电电 能）能）（化化 学学 能）能）（化化 学学 能）能）（电电 能）能）（化化 学学 能）能）生物合成生物合成机机 械械 功功主动运输主动运输生物发光生物发光生物发电生物发电生物发热生物发热三、新陈代谢的调节三、新陈代谢的调节 分子水平分子水平 细胞水平细胞水平 整体水平整体水平 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。这种精机体能适应其内、外

5、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。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：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四、代谢中常见的有机化学反应机制 基团转移反应基团转移反应 氧化氧化-还原反应还原反应 消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应 碳碳-碳键的形成与断裂反应碳键的形成与断裂反应五五 新陈代谢研究方法新陈代谢研究方法一、同位素示踪法一、同位素示踪法二、酶抑制剂的应用二、酶抑制剂的应用三、气体测量法三、气体测量法四、核磁共振波谱法四、核磁共振波谱法五、利用遗传缺陷症研究代谢途径五、利用遗传缺陷症研

6、究代谢途径第二节第二节 生物能学生物能学一、有关热力学的一些一、有关热力学的一些基本概念基本概念二、二、自由能自由能的概念的概念三、三、化学反应化学反应中自由能的变化和意义中自由能的变化和意义四、生物体的四、生物体的能流能流和能量产生的和能量产生的三个阶段三个阶段一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念 体系、环境、状态体系、环境、状态 能的两种形式能的两种形式 热与功热与功 热热 力力 学学 第第 一一 定定 律律 和和 内内 能能(internal energy)、焓焓(enthalpy)热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵(entropy)自由能自由能(free ener

7、gy)二、自由能（二、自由能（free energyfree energy）物理意义：物理意义：*(体系中能对环境作功的能量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：自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：G0G0G0，反应不能自发进行反应不能自发进行 G=0G=0，反应处于平衡状态。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

8、机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判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。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、三、化学反应中自由能的变化和意义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、化学反应的自由能变化的基本公式 =H-TS=H-TS2、化学反应自由能变化与化学反应自由能变化与平衡常数平衡常数和和电势电势的关系的关系3、偶联化学反应、偶联化学反应GG变化的变化的可加性可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些、能量学用于生物化学反应中的

9、一些规定规定化学反应自由能的变化和平衡常数的关系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：假设有一个化学反应式：aAaA+bBbB=cCcC+dDdD 恒温恒压下：恒温恒压下：G=G+G=G+RTlnQcRTlnQc 式中：式中：G=-G=-RTlnKeqRTlnKeq例例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 G 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pHpH和温度而改变的自由能变化。和温度而改变的自由能变化。Qc-Qc-浓度商：浓度商：G G 标准条件（标准条件（T

10、=298T=298O OK,K,大气压为大气压为1atm,1atm,反应物和生成物浓度为反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。下，化学反应自由能的变化。KeqKeq-平衡常数：平衡常数：化学反应自由能的变化和氧化化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系还原电势的关系 氧化氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：G=nFE 任何一个氧化任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池原电池。氧化氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化还原物质连在一

11、起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原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电池的标准电动势可用下式计算：式计算：0（E0）=E0正极正极-E0负极负极 生物体内的氧化还原物质在进行氧化生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理还原反应时，基本原理和原电池一样。和原电池一样。例例：计算：计算NADHNADH氧化反应的氧化反应的GG 氧化氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：还原反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 原原电电池池示示意意

12、图图E0=E0正极正极-E0负极负极=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V 负极反应负极反应:Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/Zn=-0.76V正极反应正极反应:Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/Cu=+0.34V 检流计检流计盐桥盐桥ZnSO4CuSO4e+-计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化达平衡时达平衡时 =Keq=19解：解：G=-G=-RTlnKeqRTlnKeq =-2.303 =-2.303 8.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6KJ.mol-1G=G+G=G+RTlnQcRTlnQc(Qc-

13、Qc-浓度商浓度商)=-7.6+2.303 =-7.6+2.303 8.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1 =-13.6KJ.MOL-1未达平衡时未达平衡时 =Qc=0.1反应反应G-1-PG-6-P在在380C达到平衡时，达到平衡时，G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求 G0。如果反应未达到平衡，如果反应未达到平衡，设设G-1-P=0.01mol.L，G-6-P=0.001mol.L，求反求反应的应的 G 是多少？是多少？例题：例题：例题：计算下反应式例题：计算下反应式GGNADH+HNADH+H+1/2O+1/2O2 2

14、=NAD=NAD+H+H2 2O O正极反应：正极反应：1/2O1/2O2 2+2H+2H+2e+2e H H2 2O O E E+0.820.82负极反应：负极反应：NADNAD+H+H+2e+2e NADHNADH E E-0.3-0.3GG-nFEnFE -2964850.82-(-0.32)-2964850.82-(-0.32)-220 KJmol-220 KJmol-1-1 3、偶联化学反应、偶联化学反应GG变化的可加性变化的可加性 在在偶偶联联的的化化学学反反应应中中，各各反反应应的的标标准准自自由由能能变变化化是是可可以以相加的：例：相加的：例：A=B+C G=+20.92 KJ

15、/molG=+20.92 KJ/mol B=D G=-33.47 KJ/molG=-33.47 KJ/mol 则则 A=C+D G=-12.55 KJ/molG=-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。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、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，、在稀的水溶液系

16、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）为水的浓度（近似的即活度）为1.0。2、生物体标准状况的、生物体标准状况的pH规定为规定为7.0。3、GG是是 pH为为7.0时的标准状况下的的标准自由能。时的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制、根据国际单位制(Le Systeme international Unut，简称简称SI单位单位)，热和能量的单位用焦耳，热和能量的单位用焦耳/摩尔摩尔(Joules/mol)。生物系统中的能流生物系统中的能流脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它单糖其它单糖三羧酸三羧酸循环循环电子传递电子传递（氧化）（氧化）蛋白质蛋白质脂肪酸、甘油脂肪酸、甘

17、油多糖多糖氨基酸氨基酸乙酰乙酰CoAe-磷酸化磷酸化+Pi 小分子化合物小分子化合物分解成共同的分解成共同的中间产物（如中间产物（如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等）共同中间物进共同中间物进入三羧酸循环入三羧酸循环,氧化脱下的氢由氧化脱下的氢由电子传递链传递电子传递链传递生成生成H2O，释放释放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通过磷中一部分通过磷酸化储存在酸化储存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本结构成基本结构单位单位 生物体内能量产生的三生物体内能量产生的三个阶段个阶段第五节第五节 高能化合物高能化合物一、高能化合物的一、高能化合物的类型类型 二、二、ATPATP的的特点及其

18、特殊作用特点及其特殊作用 生生化化反反应应中中，在在水水解解时时或或基基团团转转移移反反应应中中可可释释放放出出大大量量自自由由能能（2121千千焦焦/摩摩尔尔）的的化化合合物物称称为为高能化合物。高能化合物。高高能能化化合合物物类类型型ATPATP的特点的特点 在在pH=7pH=7环环境境中中，ATPATP分分子子中中的的三三个个磷磷酸酸基基团团完完全全解解离离成成带带4 4个个负负电电荷荷的的离离子子形形式式（ATPATP4-4-），具具有有较较大大势势能能，加加之之水水解解产产物物稳稳定定，因因而而水水解解自自由由能能很很大（大（G=-30.5G=-30.5千焦千焦/摩尔）。摩尔）。AT

19、P4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1ATP3-+H2O ADP2-+Pi3-+H+G-33.1kJMOL-1腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+ATPATP在能量转运中地位和作用在能量转运中地位和作用 ATPATP是细胞内的是细胞内的“能量通货能量通货”ATPATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体是细胞内磷酸基团转移的中间载体PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基团团转转移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖磷酸

20、葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油第三节第三节 生物氧化生物氧化一、生物氧化概述一、生物氧化概述（一）（一）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）

21、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、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、生物氧化中二、生物氧化中 CO2的生成的生成（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、生物氧化中三、生物氧化中H2O的生成的生成（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

22、。（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，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

23、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）

24、特异阻断剂 NADHCoQ CoQCytc1 Cytaa3O2-四、四、ATP的生成的生成氧化磷酸化（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 CoQCoQ CytcCytaa3 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 关于氧化磷酸化作用机制，至今尚无定论。目前解释的假说有三种。（1）化学偶联学说（2）构象偶联学说（3）化学渗透学说5.氧化磷酸化的解偶联与抑制根据化合物作用的方式，可以分3种情况：（1）解偶联剂（uncouplers）与解偶联作用；（2）氧化磷酸化抑制剂对氧化磷酸化的抑制；（3）离子载体6.氧化磷酸化的调控五、胞液中五、胞液中NADH的氧化磷酸化的氧化磷酸化（一）甘油-磷酸穿梭系统 主要存在于骨骼肌、神经组织。1G 36ATP（二）苹果酸-天冬氨酸转运系统 主要存在于肝、肾、心等。1G 38ATP