代謝引論與生物能學(xué)概述ppt課件

1、第六章第六章 代謝引論和生物能學(xué)概述代謝引論和生物能學(xué)概述 主要內(nèi)容：介紹新陳代謝的概念和研究方法，生物能力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特點(diǎn)。思索思索 目錄目錄第一節(jié)第一節(jié) 新陳代謝通論新陳代謝通論第二節(jié)第二節(jié) 新陳代謝研究方法新陳代謝研究方法第三節(jié)第三節(jié) 生物能學(xué)簡介生物能學(xué)簡介第五節(jié)第五節(jié) 高能化合物高能化合物第一節(jié)第一節(jié) 新陳代謝通論新陳代謝通論一、新陳代謝概念一、新陳代謝概念二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位三、新陳代謝的調(diào)節(jié)三、新陳代謝的調(diào)節(jié)四、代謝中常見的有機(jī)反應(yīng)四、代謝中常見的有機(jī)反應(yīng) 一、新陳代謝的概念一、新陳代謝的概念 新陳代謝新陳代謝m

2、etabolism是生命最基本的特征是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換、能量交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周交換和信息交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn) 變 成 自 身 組 織 成 分 ， 即 所 謂 同 化 作 用 轉(zhuǎn) 變 成 自 身 組 織 成 分 ， 即 所 謂 同 化 作 用 assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡

3、單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用或排出體外，即所謂異化作用dissimilation ），通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。，通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。 特點(diǎn)：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)特點(diǎn)：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行、代謝途徑逐步進(jìn)行新陳代謝的概念及內(nèi)涵新陳代謝的概念及內(nèi)涵 小分子小分子 大分子大分子合成代謝同化作用）合成代謝同化作用） 需要能量需要能量 釋放能量釋放能量分解代謝異化作用）分解代謝異化作用） 大分子大分子 小分子小分子物物質(zhì)質(zhì)代代謝謝能能量量代代謝謝新新陳陳代代謝謝信信息息交交換換生生物物界界能能量量傳傳遞遞及及轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化總總過過程程太太

4、陽陽電子傳遞電子傳遞合成合成分解分解電子傳遞電子傳遞光光合合作作用用呼呼吸吸作作用用生生命命現(xiàn)現(xiàn)象象自自養(yǎng)養(yǎng)細(xì)細(xì)胞胞異異養(yǎng)養(yǎng)細(xì)細(xì)胞胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光（光 能）能）（電（電 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）（電（電 能）能）（化（化 學(xué)學(xué) 能）能）生物合成生物合成機(jī)機(jī) 械械 功功主動運(yùn)輸主動運(yùn)輸生物發(fā)光生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)電生物發(fā)熱生物發(fā)熱三、新陳代謝的調(diào)節(jié)三、新陳代謝的調(diào)節(jié) 分子水平分子水平 細(xì)胞水平細(xì)胞水平 整體水平整體水平 生物機(jī)體的新陳代謝是一個完整的整體，機(jī)體代謝的協(xié)調(diào)生物機(jī)體的新陳代謝是一個完整的整體，機(jī)體代謝

5、的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機(jī)制。代謝的調(diào)節(jié)使生物配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機(jī)制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機(jī)體能適應(yīng)其內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精機(jī)體能適應(yīng)其內(nèi)、外復(fù)雜的變化環(huán)境，從而得以生存。這種精密的調(diào)節(jié)機(jī)制是生物在長期演化中獲得的。密的調(diào)節(jié)機(jī)制是生物在長期演化中獲得的。 代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：代謝調(diào)節(jié)可分為三個不同水平：四、代謝中常見的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制四、代謝中常見的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)機(jī)制 基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng) 氧化氧化- -還原反應(yīng)還原反應(yīng) 消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng)消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng) 碳碳- -碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)第二節(jié)第二節(jié) 新陳代謝研

6、究方法新陳代謝研究方法一、同位素示蹤法一、同位素示蹤法二、酶抑制劑的應(yīng)用二、酶抑制劑的應(yīng)用三、氣體測量法三、氣體測量法四、核磁共振波譜法四、核磁共振波譜法五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑第三節(jié)第三節(jié) 生物能學(xué)簡介生物能學(xué)簡介一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、自由能的概念二、自由能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個階段四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個階段一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念 體系、環(huán)境、形狀體系、環(huán)境、形狀 能的兩種形式能的兩種形式 熱與功

7、熱與功 熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internal energy)、焓、焓(enthalpy) 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵(entropy) 自由能自由能(free energy)二、自由能二、自由能free energyfree energy）物理意義：物理意義：* * ( (體系中能對環(huán)境作功的能量體系中能對環(huán)境作功的能量) ) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即：自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即： G0G0G0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G=0G=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有

8、很重要的意義，生物自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(fā)正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。三、三、 化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義1、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式 =

9、H-TS2、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關(guān)系、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關(guān)系3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性變化的可加性4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系 假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：aA + bB = cC + aA + bB = cC + dDdD 恒溫恒壓下：恒溫恒壓下：G=GG=G+ RTlnQc + RTlnQc 式中：式中：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq例：計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化例：計(jì)算磷酸葡萄

10、糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化badCCBADCQ G G 某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的生化學(xué)反應(yīng)的pHpH和溫度而改變的自由能變化。和溫度而改變的自由能變化。 Qc - Qc - 濃度商：濃度商：badCBADCKeq G G 標(biāo)準(zhǔn)條件標(biāo)準(zhǔn)條件T=298OK,T=298OK,大氣壓為大氣壓為1atm,1atm,反應(yīng)物和反應(yīng)物和生成物濃度為生成物濃度為1mol/L,pH=7.01mol/L,pH=7.0下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。 Keq - Keq - 平衡常數(shù)：平衡常數(shù)：化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化化學(xué)反應(yīng)自由

11、能的變化和氧化- -還原電勢的關(guān)系還原電勢的關(guān)系 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： G=nFE 任何一個氧化任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池。原電池。氧化氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生還原電勢產(chǎn)生，任何氧，任何氧還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原(E0)，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下勢可用下式計(jì)算：式計(jì)算： 0（ E0 ） = E0正極正極-E0負(fù)極負(fù)極 生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化生物體內(nèi)的氧

12、化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)時，還原反應(yīng)時，基本原理基本原理和原電池一樣。和原電池一樣。例：計(jì)算例：計(jì)算NADHNADH氧化反應(yīng)的氧化反應(yīng)的GG 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 原原電池電池示意示意圖圖E0 = E0正極正極-E0負(fù)極負(fù)極=+0.34V -(-0.76V)=+1.10V 負(fù)極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng): Zn=Zn2+2e E0 Zn2+/ Zn= - 0.76V正極反應(yīng)正極反應(yīng): Cu=Cu2+2e E0 Cu2+/ Cu=+ 0.34V 檢流

13、計(jì)檢流計(jì)鹽橋鹽橋ZnSO4CuSO4e+ +- -計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化達(dá)平衡時達(dá)平衡時 =Keq=19解：解：GG= - RTlnKeq= - RTlnKeq =-2.303 =-2.3038.314 8.314 311 311 log19 log19 =-7.6KJ.mol-1 =-7.6KJ.mol-1G=GG=G+ RTlnQc (Qc-+ RTlnQc (Qc-濃度商濃度商) ) =-7.6+ 2.303 =-7.6+ 2.3038.314 8.314 311 311 log0.1 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1 =-13

14、.6KJ.MOL-1未達(dá)平衡時未達(dá)平衡時 =Qc=0.1反應(yīng)反應(yīng)G-1-PG-6-P在在380C達(dá)到平衡時，達(dá)到平衡時， G-1-P占占5%，G-6-P占占95%，求，求 G0。如果反應(yīng)未達(dá)到平。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)衡，設(shè)G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反應(yīng)的求反應(yīng)的 G是多少？是多少？例題：例題：例題：計(jì)算下反應(yīng)式例題：計(jì)算下反應(yīng)式GGNADH+H+1/2O2=NAD+H2ONADH+H+1/2O2=NAD+H2O正極反應(yīng)：正極反應(yīng)：1/2O2+2H+2e 1/2O2+2H+2e H2O H2O E+ E+ 0.82 0.82負(fù)極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：NA

15、D+H+2e NAD+H+2e NADH NADH E- E- -0.3 -0.3GG-nFE-nFE -2 -296485964850.82-(-0.82-(-0.32)0.32) -220 KJmol-1 -220 KJmol-1 3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性變化的可加性 在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的：例：相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 那么那么 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 該規(guī)則表明一個在熱

16、力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。驅(qū)動而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度近似的即活度為水的濃度近似的即活度為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為規(guī)定為7.0。3、 G是是 pH為為7.0時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。時

17、的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4、根據(jù)國際單位制、根據(jù)國際單位制(Le Systeme international Unut ，簡稱，簡稱SI單位單位)，熱和能量的單位用焦耳，熱和能量的單位用焦耳/摩爾摩爾(Joules/mol)。生物系統(tǒng)中的能流生物系統(tǒng)中的能流脂肪脂肪葡萄糖、葡萄糖、其它單糖其它單糖三羧酸三羧酸循環(huán)循環(huán)電子傳遞電子傳遞氧化）氧化）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油脂肪酸、甘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間產(chǎn)物如中間產(chǎn)物如丙酮酸、乙酰丙酮酸、乙酰CoA等）等） 共同中間物進(jìn)共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán)入三羧酸循環(huán)

18、,氧化脫下的氫由氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞電子傳遞鏈傳遞生成生成H2O，釋放，釋放出大量能量，其出大量能量，其中一部分通過磷中一部分通過磷酸化儲存在酸化儲存在ATP中。中。大分子降解大分子降解成基本結(jié)構(gòu)成基本結(jié)構(gòu)單位單位 生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段段第五節(jié)第五節(jié) 高能化合物高能化合物一、高能化合物的類型一、高能化合物的類型 二、二、ATPATP的特點(diǎn)及其特殊作用的特點(diǎn)及其特殊作用 生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（中可釋放出大量自由能（2121千焦千焦/ /摩爾摩爾的化合物稱為高能化合物。的化合物稱為高能化合物。高高能能化化合合物物類類型型ATPATP的特點(diǎn)的特點(diǎn) 在在pH=7pH=7環(huán)境中，環(huán)境中，ATPATP分子中的三個磷酸分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶基團(tuán)完全解離成帶4 4個負(fù)電荷的離子形式個負(fù)電荷的離子形式ATP4-ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大，因而水解自由能很大GG=-30.5=-30.5千焦千焦/ /摩爾）。摩爾）。ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -