生物能學(xué)與生物氧化

生物能學(xué)與生物氧化第1頁/共49頁

一、新陳代謝的概念

新陳代謝（metabolism）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)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)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation），通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。特點：特異、有序、高度適應(yīng)和靈敏調(diào)節(jié)、代謝途徑逐步進(jìn)行第2頁/共49頁新陳代謝的概念及內(nèi)涵

小分子大分子合成代謝（同化作用）需要能量

釋放能量分解代謝（異化作用）大分子小分子物質(zhì)代謝能量代謝新陳代謝信息交換第3頁/共49頁生物界能量傳遞及轉(zhuǎn)化總過程太陽電子傳遞合成分解電子傳遞光合作用呼吸作用生命現(xiàn)象自養(yǎng)細(xì)胞異養(yǎng)細(xì)胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（電能）（化學(xué)能）（化學(xué)能）（電能）（化學(xué)能）生物合成機械功主動運輸生物發(fā)光生物發(fā)電生物發(fā)熱第4頁/共49頁

三、新陳代謝的調(diào)節(jié)分子水平細(xì)胞水平整體水平

生物機體的新陳代謝是一個完整的整體，機體代謝的協(xié)調(diào)配合，關(guān)鍵在于它存在有精密的調(diào)節(jié)機制。代謝的調(diào)節(jié)使生物機體能適應(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：第5頁/共49頁

四、代謝中常見的有機化學(xué)反應(yīng)機制基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)氧化-還原反應(yīng)消除、異構(gòu)化和重排反應(yīng)碳-碳鍵的形成與斷裂反應(yīng)第6頁/共49頁五新陳代謝研究方法一、同位素示蹤法二、酶抑制劑的應(yīng)用三、氣體測量法四、核磁共振波譜法五、利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑第7頁/共49頁第二節(jié)生物能學(xué)

一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、自由能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義四、生物體的能流和能量產(chǎn)生的三個階段第8頁/共49頁一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念

體系、環(huán)境、狀態(tài)能的兩種形式—熱與功熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internalenergy)、焓(enthalpy)熱力學(xué)第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy)第9頁/共49頁二、自由能（freeenergy）物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*

(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：

ΔG<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行

ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行

ΔG=0，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正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內(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)來計算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。第10頁/共49頁三、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

ΔＧ=ΔH-TΔS2、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)ΔG°′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)定第11頁/共49頁化學(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：aA+bB=cC+dD

恒溫恒壓下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc

式中：ΔG°′=-RTlnKeq例：計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化

ΔG′—

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pH和溫度而改變的自由能變化。

Qc-濃度商：

ΔG°′—

標(biāo)準(zhǔn)條件（T=298OK,大氣壓為1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。

Keq-平衡常數(shù)：第12頁/共49頁化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化-還原電勢的關(guān)系氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池。氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原(E0)，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下式計算：0（ΔE0

）

=E0正極-E0負(fù)極生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)時，基本原理和原電池一樣。例：計算NADH氧化反應(yīng)的ΔG°′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：

0（ΔE0

）

=(RT/nF)lnKeq=2.3(RT/nF)lgKeq第13頁/共49頁

原電池示意圖ΔE0

=E0正極-E0負(fù)極=+0.34V-(-0.76V)=+1.10V負(fù)極反應(yīng):Zn=Zn2++2eE0Zn2+/

Zn=-0.76V正極反應(yīng):Cu=Cu2++2eE0Cu2+/

Cu=+0.34V檢流計鹽橋ZnSO4CuSO4e+-第14頁/共49頁計算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化

達(dá)平衡時=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ.mol-1ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ.MOL-1未達(dá)平衡時=Qc=0.1反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達(dá)到平衡時，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反應(yīng)的ΔG是多少？例題：第15頁/共49頁例題：計算下反應(yīng)式ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正極反應(yīng)：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82負(fù)極反應(yīng)：NAD++H++2eNADH

E-°′-0.3ΔG°′-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

第16頁/共49頁3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)ΔG°′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)自由能變化是可以相加的：例：

A=B+CΔG°′=+20.92KJ/mol

B=DΔG°′=-33.47KJ/mol

則A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol

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)所驅(qū)動而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。第17頁/共49頁4、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，水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。3、ΔG°′是pH為7.0時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4、根據(jù)國際單位制(LeSystemeinternationalUnut，簡稱SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。第18頁/共49頁生物系統(tǒng)中的能流第19頁/共49頁脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)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間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個階段第20頁/共49頁第五節(jié)高能化合物一、高能化合物的類型

二、ATP的特點及其特殊作用

生化反應(yīng)中，在水解時或基團轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（>21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物。第21頁/共49頁高能化合物類型第22頁/共49頁ATP的特點

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），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（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ?MOL-1ATP3-+H2O＝ADP2-+Pi3-+H+G＝-33.1kJ?MOL-1腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+第23頁/共49頁ATP在能量轉(zhuǎn)運中地位和作用

★

ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團轉(zhuǎn)移的中間載體

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基團儲備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第24頁/共49頁第三節(jié)生物氧化一、生物氧化概述（一）生物氧化的概念概念：有機物質(zhì)在體內(nèi)氧化分解產(chǎn)生CO2、H2O并釋放能量產(chǎn)生ATP的過程。生物氧化在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，消耗O2，產(chǎn)生CO2，故稱呼吸作用。第25頁/共49頁

（二）生物氧化的歷程細(xì)胞內(nèi)有機物的徹底氧化分解大體上要經(jīng)過三個階段。①脫氫被還原。物質(zhì)在酶促作用下分解，并將所攜帶的電子和氫質(zhì)子轉(zhuǎn)移到氧化型的輔酶如NAD+或FAD上，使其轉(zhuǎn)變成還原性的NADH+H+或FADH2；②傳遞并氧化。這些還原型的輔酶通過一系列的電子傳遞載體最終將電子傳遞給O2；③偶聯(lián)磷酸化。是伴隨著電子傳遞過程產(chǎn)生能量物質(zhì)ATP。第26頁/共49頁（三）生物氧化的特點（與體外的化學(xué)氧化）

1.在活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行，作用條件溫和。通常在常溫、常壓、pH接近中性及有水環(huán)境中進(jìn)行；

2.有許多酶參加；

3.分階段進(jìn)行，能量逐步釋放；

4.所釋放的能量大多以高能鍵的形式先貯存在一些特殊的高能化合物中，如ATP。第27頁/共49頁二、生物氧化中CO2的生成（一）體內(nèi)生成CO2的特點糖、脂、蛋白質(zhì)等有機物轉(zhuǎn)變成含羧基的中間化合物，然后在酶催化下脫羧而生成CO2。（二）有機酸的脫羧方式第28頁/共49頁第29頁/共49頁三、生物氧化中H2O的生成（一）H2O生成的一般原理水的生成是通過生物氧化體系來實現(xiàn)的。生物氧化體系是由脫氫酶、傳遞體及氧化酶組成。最重要的生物氧化體系是呼吸鏈。第30頁/共49頁（二）呼吸鏈

1.概念：代謝物上的氫原子被脫氫酶脫落后，經(jīng)過一系列的傳遞體，最后傳遞給被激活的氧，而生成水的全部體系的體系。也稱電子傳遞鏈。

2.組成和類型（1）組成①煙酰胺脫氫酶類以NAD+或NADP+為輔酶的脫氫酶，目前已者達(dá)200種以上。第31頁/共49頁NAD(P)++2HNAD(P)H+H+第32頁/共49頁②黃素脫氫酶類以FMN或FAD為輔基的脫氫酶，重要的黃素脫氫酶有琥珀酸脫氫酶（FAD）、脂酰CoA脫氫酶（FAD）、NADH脫氫酶（FMN）。

MH2+E-FMN(FAD)E-FMNH2(E-FADH2)+M第33頁/共49頁③鐵硫蛋白類(Fe-S)

存在于線粒體上的一種電子傳遞蛋白質(zhì)，其分子中含有非卟啉鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，鐵和硫構(gòu)成等量關(guān)系（Fe2S2,Fe4S4)形成鐵硫中心，通常簡寫為Fe-S。其作用是借鐵硫中心內(nèi)鐵化合價的轉(zhuǎn)變而傳遞電子作用。

2Fe3++2e-2Fe2+第34頁/共49頁④輔酶Q類（泛醌類）

為脂溶性的醌類化臺物。因廣泛存在于生物界，故又名泛醌。其分子中的苯醌結(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原而形成對苯二酚衍生物，具有遞氫作用。第35頁/共49頁⑤細(xì)胞色素類（Cyt類）是一類以鐵卟啉為輔基的蛋白質(zhì)，在呼吸鏈中，也依靠鐵的化合價的變化而傳遞電子。

2Fe3++2e-2Fe2+

目前，發(fā)現(xiàn)至少有5種不同的Cyt，它們在典型呼吸鏈中排列順序是b→c1→c→aa3。第36頁/共49頁(2)類型①NADH呼吸鏈第37頁/共49頁②FADH2呼吸鏈第38頁/共49頁3.呼吸鏈中4個蛋白質(zhì)復(fù)合體第39頁/共49頁4.呼吸鏈中傳遞體的順序（1）傳遞順序第40頁/共49頁（2）特異阻斷劑

NADH——CoQCoQ——Cytc1Cytaa3——O2-第41頁/共49頁四、ATP的生成—氧化磷酸化（一）底物水平磷酸化（5％）在被氧化