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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（assimilation）；另一方面，将原有的组成
2、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ATPADP(CH2O) +O2(CO2) +H2OATPADP（光 能）（电 能）（化 学 能）（化 学 能）（电
3、 能）（化 学 能） 生物合成 机 械 功 主动运输 生物发光 生物发电 生物发热三、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 生物能学简介一、有关
4、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是体内化学反应释放的自由能，生物氧
5、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-TS2、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 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变
6、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-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-
7、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 检流计盐桥ZnSO4CuSO4e+-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-1G=G+ RTlnQc (Qc-浓度
8、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GNADH+H+1/2O2=NAD+H2O正极反应：1/2O2+2H+2e H2OE+ 0.82负极反应：NAD+H+2e NADH E- -0.3G-nFE -2964850.82-(-0.32) -220 KJmol-13、偶联化学反应G变化的
9、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 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
10、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CoAe-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
11、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-1ATP3- + H2O ADP2- + Pi3- + H+ G -33.1kJMOL-1腺嘌呤核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O-+Mg2+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P PP PATPP02108641214磷 酸 基 团 转 移 能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘 油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油
