第六章 代谢引论和生物能学概述.ppt

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1、第六章 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,目录,第一节 新陈代谢通论 第二节 新陈代谢研究方法 第三节 生物能学简介 第五节 高能化合物,第一节 新陈代谢通论,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（assimilat

2、ion）；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）,（

3、化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,三、新陈代谢的调节,分子水平 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,第二节 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,第三节 生物能学简介

4、,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

5、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

6、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：,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-

7、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-

8、1,G=G+ RTlnQc (Qc-浓度商)=-7.6+ 2.3038.314 311 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

9、) -220 KJmol-1,3、偶联化学反应G变化的可加性,在偶联的化学反应中，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

10、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 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

11、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,