第十九章 代谢引论和生物能学概述

1. 第十九章 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

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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 能量代谢 物质代谢 信息交换 新陈代谢

6. 生物合成 机 械 功 主动运输 生物发光 生物发电 生物发热 太 阳 （光 能） 自养细胞 光合作用 生物界能量传递及转化总过程 电子传递 （电 能） ATP ADP （化 学 能） 合成 (CH2O) +O2 CO2 +H2O 分解 呼吸作用 （化 学 能） 电子传递 异养细胞 （电 能） ATP ADP 生命现象 （化 学 能）

7. 三、新陈代谢的调节 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： 分子水平 细胞水平 整体水平

8. 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

9. 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

10. 第三节 生物能学简介 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

11. 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)

12. 二、自由能（free energy） 物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*(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： ΔG<0，反应能自发进行 ΔG>0，反应不能自发进行 ΔG=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。

13. 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 ΔＧ=ΔH-TΔS 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ΔG°′变化的可加性 4、能量学用于生物化学反应中的一些规定

14. ΔG′ —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： ΔG°′ —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：ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc 式中：ΔG°′= - RTlnKeq 例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

15. 化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系 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（ ΔE0）= 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。 氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： ΔG°′=－nFΔE°′ 氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： 0（ ΔE0）= (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 例：计算NADH氧化反应的ΔG°′

16. 检流计 e + - ZnSO4 CuSO4 盐桥 原电池示意图 负极反应: Zn=Zn2++2e E0 Zn2+/Zn= - 0.76V 正极反应: Cu=Cu2++2e E0 Cu2+/Cu=+ 0.34V ΔE0= E0正极-E0负极=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V

17. 达平衡时 =Keq=19 未达平衡时 =Qc=0.1 计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 反应G-1-PG-6-P在380C达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求Δ 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Δ G是多少？ 例题： 解： ΔG°′= - RTlnKeq =-2.3038.314  311  log19 =-7.6KJ.mol-1 ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc-浓度商) =-7.6+ 2.3038.314  311  log0.1 =-13.6KJ.MOL-1

18. 例题：计算下反应式ΔG°′ NADH+H++1/2O2====NAD++H2O 正极反应：1/2O2+2H++2e H2OE+°′0.82 负极反应：NAD++H++2e  NADHE-°′ -0.3 ΔG°′-nFΔE°′  -2×96485×[0.82-(-0.32)]-220 KJ·mol-1

19. 3、偶联化学反应ΔG°′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 ΔG°′= + 20.92 KJ/mol  B = D ΔG°′= - 33.47 KJ/mol 则 A = C + D ΔG°′= - 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。

20. 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、 ΔG°′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 Systeme international Unut ，简称 SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。

21. 生物系统中的能流

22. 脂肪 多糖 蛋白质 生物体内能量产生的三个阶段 大分子降解成基本结构单位 葡萄糖、其它单糖 氨基酸 脂肪酸、甘油 小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等） 乙酰CoA 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。 +Pi 磷酸化 三羧酸循环 e- 电子传递（氧化）

23. 第五节 高能化合物 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。 一、高能化合物的类型 二、ATP的特点及其特殊作用

24. 高能化合物类型

25. + + + 腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — O- O- O- O- Mg2+ O O O 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（ΔG°′=-30.5千焦/摩尔）。 ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ G ＝-30.5kJ•MOL-1 ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+ G ＝-33.1kJ•MOL-1

26. 磷酸烯醇式丙酮酸 14 12 磷酸基团转移能 磷酸肌酸（磷酸基团储备物） ～P 10 3-磷酸甘油酸磷酸 ～P ～P 8 ATP ～P 6 ～P 6-磷酸葡萄糖 4 2 3-磷酸甘油 0 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