代谢总论与生物能学优秀课件.ppt

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1、代谢总论与生物能学第1页，本讲稿共44页生物体的化学组成生物体的化学组成v自然界自然界所有的所有的生命物生命物体都由体都由三类物三类物质组成质组成水、无水、无机离子机离子和生物和生物分子分子第2页，本讲稿共44页生命体的元素组成生命体的元素组成组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的存在的9292种天然元素中，只有种天然元素中，只有2828种元素在生物种元素在生物体内被发现体内被发现第一类元素：包括第一类元素：包括C C、H H、O O和和N N四种元素四种元素，是组成是组成生生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体命体最基本的元素。这四种元素约

2、占了生物体总质量的总质量的99%99%以上。以上。第二类元素：包括第二类元素：包括S S、P P、ClCl、CaCa、K K、NaNa和和MgMg。这类这类元素也是组成生命体的基本元素。元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括第三类元素：包括FeFe、CuCu、CoCo、MnMn和和ZnZn。是生物体内是生物体内存在的主要少量元素。存在的主要少量元素。第四类元素：包括第四类元素：包括AlAl、AsAs、B B、BrBr、CrCr、F F、GaGa、I I、MoMo、SeSe、SiSi等等。第3页，本讲稿共44页生物分子生物分子v生物大分子生物大分子 糖糖 G G6 6（葡萄糖）（葡萄糖）

3、F F（果糖）（果糖）脂脂 FA FA（脂肪酸）甘油（脂肪酸）甘油 核酸核酸 5 5种含氮碱基（种含氮碱基（A A、G G、T T、C C、U U）蛋白质蛋白质 20 20种氨基酸种氨基酸v有机小分子有机小分子 维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等。维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等。生物复杂多样，但在分子水平具有简单同一性。生物复杂多样，但在分子水平具有简单同一性。由基本相由基本相同类型的同类型的分子单体分子单体组成组成研究 结构结构 功能功能 性质性质 第4页，本讲稿共44页新陈代谢新陈代谢同化作用同化作用 吸收与吸收与合成合成 生长、发育、生殖生长、发育、生殖异化作用异化作用 排泄与排泄与

4、分解分解 衰老、死亡衰老、死亡 是生命的必然的两个部分是生命的必然的两个部分在新陈代谢中不断发生能量变化及物质变化在新陈代谢中不断发生能量变化及物质变化探索物质的运动规律探索物质的运动规律第5页，本讲稿共44页湖北大学生命科学学院湖北大学生命科学学院 第六章第六章 代谢总论与生物能学代谢总论与生物能学 (P.250-274)第6页，本讲稿共44页 第一节 代谢总论 1、细胞如何从其环境中摄取能量 和还原能力？(分解代谢）2、细胞如何合成其大分子的构造 单元？（合成代谢）这些过程是由许多高度整合、相互交织的化学反应来完成的。营养物质在生物体内所经历的一切化学变化总称为新陈代谢新陈代谢（metab

5、olism)，简称代谢。问题第7页，本讲稿共44页一代谢阶段一代谢阶段：人和高等动物可分为三个阶段三个阶段:1消化、吸收：消化、吸收：食物（糖、脂和蛋白质）可吸收的小分子肠粘膜细胞血循环各组织细胞 2.中间代谢：中间代谢：在在细胞内进行，中间可有多步连续 反应。例 糖酵解:GG-6-P2丙酮酸2乳酸 （多个酶）3排泄废物：肾、肠、皮肤等排泄废物：肾、肠、皮肤等（生理学主讲）第8页，本讲稿共44页二二代谢特点代谢特点：1多步相关联的反应连续进行；2反应条件温和，由酶催化进行，一般无副反应；3对内外环境变化有高度适应性和灵敏的自动调节。三、代谢的研究方法：1.可从不同水平研究新陈代谢：整体（in

6、vivoin vivo）研究:意即“在体内”；组织切片组织匀浆和提取液：(in vitroin vitro)意即 “在体外”、“在试管内”。2.可用不同方法研究新陈代谢：第9页，本讲稿共44页(1)苯环化合物示踪法：1904年，德国 Knoop用此法确 立了脂肪酸氧化方式，提出-氧化学说。（2）同位素示踪法：稳定(天然)同位素（如15N、13C等）。不稳定同位素:放射性同位素(如14C、131I等）（3）使用酶的抑制剂：如碘乙酸抑制醛缩酶醛缩酶 （4）利用遗传缺陷症：例先天缺乏尿黑酸氧化酶尿黑酸氧化酶，可造成体内尿黑酸积累，从尿中检出尿黑酸可推测TyrTyr代谢情况.(5)气体测量法：如瓦氏呼

7、吸器(P.18 图19-1）（6）核磁共振波谱法（NMR）：1948年由Bloch与Purcell建立，获1952年诺贝尔奖。第10页，本讲稿共44页三、代谢的研究方法之三、代谢的研究方法之1 1：使用抑制剂：使用抑制剂酶抑制剂或呼吸电子抑制剂酶抑制剂或呼吸电子抑制剂可以使代谢或呼吸电子传可以使代谢或呼吸电子传递途径受阻，积累中间产物，利于测定递途径受阻，积累中间产物，利于测定果糖果糖-1-1，6-6-二磷酸二磷酸甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸醛缩酶醛缩酶碘乙酸碘乙酸-甘油酸甘油酸-3-3-磷酸磷酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸甘油酸甘油酸-2-2-磷酸磷酸烯醇化烯醇

8、化酶酶氟化物氟化物-第11页，本讲稿共44页第二节第二节 生物能学生物能学一、体系的概念、性质与状态一、体系的概念、性质与状态二、内能和热力学第一定律二、内能和热力学第一定律三、熵和热力学第二定律三、熵和热力学第二定律四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的关系四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的关系五、自由能变化五、自由能变化六、标准生成自由能及其与平衡常数的关系六、标准生成自由能及其与平衡常数的关系七、能量学在生物化学应用中的一些规定七、能量学在生物化学应用中的一些规定八、高能磷酸化合物的储存和利用八、高能磷酸化合物的储存和利用生物化学中生物化学中的热力学的热力学第12页，本讲稿共44

9、页第二节第二节 生物能学（生物能学（生物化学中的热力学）生物化学中的热力学）热力学在生物化学中最基本的用处在于判断一个过程是否能热力学在生物化学中最基本的用处在于判断一个过程是否能够发生。够发生。有关热力学的一些基本概念：有关热力学的一些基本概念：一、一、体系体系：热力学中的体系（热力学中的体系（system）是在一限定范围内的物质。）是在一限定范围内的物质。宇宙的其余部分的物质称为环境（宇宙的其余部分的物质称为环境（surroundings）。）。开放体系开放体系：体系与环境之间：体系与环境之间既有既有能量传递能量传递又有又有物质交换；物质交换；封闭体系封闭体系：体系与环境之间：体系与环境之

10、间只有只有能量传递能量传递没有没有物质交换；物质交换；隔离体系隔离体系：体系与环境之间：体系与环境之间没有没有能量传递能量传递也没有也没有物质交换。物质交换。第13页，本讲稿共44页 二、内能和热力学第一定律：内能内能（internal energy）：体系内部质点能量的总和，用符号U（或E）表示。内能的绝对值是无法测量的，但其改变量却是可以测量的。一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等，热力学用体系的这些性质来描述一个体系所处的状态，并把这种性质与状态间的单值对应关系称为状态函数状态函数（只与体系状态变化的始态和终态有关，而与状态变化的过程无关。）：1内能 U;2.焓(

11、H=U+PV);3.熵 S 与自由能G第14页，本讲稿共44页 热力学第一定律热力学第一定律:就是能量守衡定律能量守衡定律，说明能的形式只能互相转变不能消灭。第一定律的数学表达式是：U=Q-W（Q代表在过程中吸收的热量，W代表体系所做的功，U代表内能的变化）。三、熵和热力学第二定律：熵（entropy）：用S表示，代表一个体系散乱无序的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵增加。热力学第二定律：说的是只有当体系及其周围的熵之和增加时，过程才能自发地进行。对于自发过程S体系+S环境0第15页，本讲稿共44页 根据热力学第二定律，可以了解在机体内哪些过程可能发生，推测哪些因素是某一过程发生的条件。例

12、如，形成一个高度有序的生物结构是可能的，因为这种体系的熵减少被周围环境的熵增加所补偿；生物体内部所有不可逆过程的发生是可能的，它可不断地从周围环境吸取负熵来维持生存，新陈代谢使机体成功地向周围环境释放正熵。自由能的概念：1878年，J.W.Gibbs 把热力学第一定律和第二定律结合起来，提出了自由能这一函数。第16页，本讲稿共44页三、熵和热力学第二定律三、熵和热力学第二定律自由能自由能的概念：的概念：18781878年，年，J.W.Gibbs J.W.Gibbs 把把热力学第一定律和第二定律结合起来，热力学第一定律和第二定律结合起来，提出了自由能这一函数。提出了自由能这一函数。UU是体系内能

13、的变化是体系内能的变化G=HG=HTSTSGG是恒温、恒压下自由能的变化是恒温、恒压下自由能的变化HH是体系焓的变化，是体系焓的变化，H=U+PVH=U+PVSS是体系熵的变化是体系熵的变化第17页，本讲稿共44页三、熵和热力学第二定律三、熵和热力学第二定律GG是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，GG是负值表示反应可自发进行。是负值表示反应可自发进行。GG和反应的速度、变化的途和反应的速度、变化的途径无关，也不说明反应的速率如何。径无关，也不说明反应的速率如何。过程可逆：过程可逆：-G=0-G=0，或写为，或写为G=0G=0自发进行：自发进行

14、：-G-G0 0，或写为，或写为G0G0过程不可能进行：过程不可能进行：-G 0-G 0，或写为，或写为GG0 0意味着该过程释放自由能意味着该过程释放自由能意味着该过程需要提供能量才能进行意味着该过程需要提供能量才能进行第18页，本讲稿共44页 四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的 关系关系 考虑反应考虑反应 ：A+B=C+D 此反应的此反应的G为：为：G=G0+RT lnCD/AB G0为标准自由能变化为标准自由能变化 R为气体常数为气体常数 T为绝对温度为绝对温度 若将标准状况的pH规定为7.0，将pH=7.0时的标准自由标准自由能变化能变化用

15、GG0 0表示，可以导出反应的标准自由能与平衡常数之间的关系。第19页，本讲稿共44页 反应的标准自由能变化反应的标准自由能变化 及其与平衡常数的关系及其与平衡常数的关系 平衡时，平衡时，G=0 0=G0+RT lnCD/AB 因此，因此，G0=RT ln CD/AB 令令 Keq=CD/AB 则得：则得：G0=RT lnKeq G0=2.303 RT logKeq 需要强调的是，自发反应的判断依据是需要强调的是，自发反应的判断依据是G值，而不是值，而不是G0值，值，G值为负即此反应能够自发进行。值为负即此反应能够自发进行。第20页，本讲稿共44页利用平衡常数求出利用平衡常数求出 G G0 0

16、和和 G G 举例举例例：当二羟丙酮磷酸与甘油醛例：当二羟丙酮磷酸与甘油醛-3-3-磷酸互变达到平衡时，甘油醛磷酸互变达到平衡时，甘油醛-3-3-磷酸与二羟丙酮磷酸与二羟丙酮磷酸的浓度比是磷酸的浓度比是0.04750.0475（2525，pH7pH7）。甘油醛）。甘油醛-3-3-磷酸的浓度为磷酸的浓度为310310-6-6mol/Lmol/L，二，二羟丙酮磷酸的浓度为羟丙酮磷酸的浓度为210210-4-4mol/Lmol/L，求出该反应的，求出该反应的GG0 0与与GG值。值。解：解：GG0 0=-RT ln K=-RT ln Keq=-2.303 RT lg Keq=-2.303 RT lg

17、 Keq eq =-2.303 =-2.3031.987101.98710-3-3（273+25273+25）lg0.0475lg0.0475 =-1.364lg0.0475 =-1.364lg0.0475 =1.81 kcal/mol=7.57 kJ/mol =1.81 kcal/mol=7.57 kJ/mol G=G0+RT ln CD/AB G=G0+RT ln甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸/二羟丙酮磷酸二羟丙酮磷酸=1.81+2.303=1.81+2.3031.987101.98710-3-3298lg298lg（310310-6-6/210/210-4-4）=1.81=1.81 2.

18、487=-0.677 kcal/mol=-2.487=-0.677 kcal/mol=-2.8332.833 kJ/mol kJ/mol1cal=4.184J1cal=4.184J第21页，本讲稿共44页利用平衡常数求出利用平衡常数求出 G G0 0和和 G G 举例举例*需要强调的是：需要强调的是：1.1.自发反应的判断依据是自发反应的判断依据是GG值，而不是值，而不是GG0 0值，值，GG值值为负值，即此反应能够自发进行。为负值，即此反应能够自发进行。2.2.GG0 0指特定条件下的标准自由能，其计算与特指特定条件下的标准自由能，其计算与特定条件下的平衡常数有关定条件下的平衡常数有关3.3

19、.GG指一定条件下物质发生反应的自由能，其计算指一定条件下物质发生反应的自由能，其计算与与GG0 0有关，是判断反应能否自发进行的标准。有关，是判断反应能否自发进行的标准。第22页，本讲稿共44页五、自由能变化的可加性及热力学上一个不五、自由能变化的可加性及热力学上一个不利反应可由一个有利的反应推动利反应可由一个有利的反应推动在偶联的几个化学反应中，自由能的总变在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和化等于每一步反应自由能变化的总和G0总总 =G01+G02+G03 .第23页，本讲稿共44页六能量学在生物化学应用中的一些规定 1、水的活度规定为1；2、把标准状况的

20、pH规定为7.0；3、G0值基于每个反应物和产物都能够解离；4、生化系统的标准自由能变化在过去以 cal 或 kcal 表示，现建议用 J 或 kJ 表示。1 cal 1 cal相当于相当于4.184 J4.184 J第24页，本讲稿共44页 第三节第三节 生物氧化生物氧化还原反应中自由能变化还原反应中自由能变化一、一、生物氧化生物氧化与与氧化还原电势氧化还原电势 生物氧化生物氧化：有：有 机机 物物 在在 体体 内内 氧氧 化分化分 解解 为为 二二 氧氧 化化 碳和水并碳和水并 释放能释放能量的过程。量的过程。又可称组织呼吸、细胞呼吸。又可称组织呼吸、细胞呼吸。氧化还原反应氧化还原反应是指

21、是指电子电子从一种物质转移到另一种从一种物质转移到另一种物质上的化学反应。物质上的化学反应。第25页，本讲稿共44页（一）生物氧化中物质氧化的方式生物体内氧化作用主要有三种方式：1.失电子 如：Fe2+Fe3+e 2.脱氢 如：醇氧化为醛 3.加氧 如：醛氧化为酸（加水脱氢反应）*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的释放和转移 第26页，本讲稿共44页 1.标准氧化还原电势氧化还原电势 一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为氧化还原氧化还原电势电势(电位电位)：生物氧化中包括许多氧化还原反应：H2 2H+2e Fe2+Fe3+e 电子供体电子供体 电子受体电子受体 电子供体电子供体 电子受

22、体电子受体(还原型还原型)(氧化型氧化型)(还原型还原型)(氧化型氧化型)分别构成氧化还原氧化还原(电电)对对:H+/1/2 H2，Fe3+/Fe2+在生物氧化反应中，通常用氧化还原电位来相对地表示各种化合物对电子亲合力的大小。（二）二）氧化氧化-还原电势（电位）还原电势（电位）第27页，本讲稿共44页 在标准条件(250C,常压,氧化型还原型:1mol)下,每一个氧化还原对都有一个标准氧化还原电势(E0);生物体氧化还原反应的标准条件:PH=7,故用E0表示,此时氢电极 E0=-0.421 (P.258 表8-3)2.标准电势标准电势与自由能的关系：与自由能的关系：E0；氧化还原体系中两个半

23、反应的氧化还原 电位差：E0=E0正极-E0负极（失去电子倾向高）G0=-nE0 F F 3.标准电势标准电势与平衡常数的关系：与平衡常数的关系：G0=-2.303 RT logKeq=-nE0 F F (=96480 J.)E0=2.303 RT logKeq/n F 第28页，本讲稿共44页1.以以NAD+或或NADP+为辅酶的脱氢酶为辅酶的脱氢酶(尼克酰胺核苷酸类尼克酰胺核苷酸类)NADNAD+和和NADPNADP+的结构的结构NADNAD+：R=HR=HNADPNADP+：R=POR=PO3 32-2-功能：功能：将底物上的将底物上的氢氢 激活并脱下。激活并脱下。辅酶：辅酶：NADNA

24、D+或或NADPNADP+（三）生物氧化反应的电子载体（三）生物氧化反应的电子载体（P.260）第29页，本讲稿共44页2.FMN和和FAD 也是重要的电子载体也是重要的电子载体（P.261）辅酶辅酶FMN传递电子的过程：传递电子的过程：第30页，本讲稿共44页第四节 高能磷酸化合物的 储存和利用一一.生物体内的高能磷酸化合物生物体内的高能磷酸化合物二二.ATP.ATP在生物能学中的作用在生物能学中的作用三三.生物体内生物体内ATPATP生成的方式生成的方式第31页，本讲稿共44页一.生物体内的高能磷酸化合物生物化学中将磷酸化合物水解时释放出的能量大于25KJ/mol者,称高能磷酸化合物。其所

25、含键称高能磷酸键。高能磷酸化合物主要有四类：1.磷酸酐 2.混合酐 3.烯醇磷酸 4.磷酸胍类第32页，本讲稿共44页 高能磷酸化合物高能磷酸化合物 1、概念概念：生物机体内的许多磷酸化合物，其磷酸基团水解时可释放出大量的自由能，这类化合物称为高高能磷酸化合物能磷酸化合物。（P.262 表8-4）2、类型、类型:常见：磷氧键型磷氧键型(-O-P):酰基磷酸化合物，焦磷酸化合物，烯醇式磷酸化合物。第33页，本讲稿共44页高能磷酸化合物 的类型 磷氧键型磷氧键型(-O-P)氮磷键型氮磷键型(-N-P)硫酯键型硫酯键型(-CO-S)甲硫键型甲硫键型(-S-CH3)第34页，本讲稿共44页第35页，本

26、讲稿共44页 二.ATP在生物能学中的作用 1.ATP为生命活动直接提供能量第36页，本讲稿共44页 2.磷酸肌酸与ATP的转换:第37页，本讲稿共44页肌酸激酶的作用肌酸激酶的作用磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。磷酸肌酸作为肌肉和脑组织中能量的一种贮存形式。第38页，本讲稿共44页3.ATP的生理作用的生理作用1.机体能量的暂时存储形式2.机体其它能量形式的来源3.可生成cAMP参与激素作用4.可直接参与体内代谢调节 第39页，本讲稿共44页ATP特殊的分子结构中存在二种不稳定因素特殊的分子结构中存在二种不稳定因素:（1）静电斥力）静电斥力:ATP可解离为带可解离为带4个负电荷

27、个负电荷（2）相反共振现象）相反共振现象(竞争共振现象竞争共振现象):在二个相邻的磷原子之间存在着竞争酯键氧原在二个相邻的磷原子之间存在着竞争酯键氧原子上未共用电子的现象子上未共用电子的现象.(P.263 图图8-4)ATP ADP+PiAMP+PPi极端极端4.ATP具有较高的磷酸基转移势具有较高的磷酸基转移势第40页，本讲稿共44页 三.生物体内生物体内ATP的生成方式的生成方式1.底物水平磷酸化底物水平磷酸化：底物的高能磷酸基团直接转移给ADP生成ATP。2.氧化磷酸化氧化磷酸化:是指在电子传递过程中,释放的能量使ADP磷酸化成ATP的过程。又称电子传递水平磷酸化 （生物氧化一章中深入学

28、习）第41页，本讲稿共44页1.ATP参与生物体内的代谢反应2.ATP促进其他多磷酸核酐生成3.ATP为生命活动直接提供能量第42页，本讲稿共44页 其基本方程式为：G=HTS（G是恒温、恒压下自由能的变化，H是体系焓的变化，S是体系熵的变化；H=U+PV，U是体系内能的变化）。自由能变化G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，G是负值表示反应可自发进行。G和反应的速度、变化的途径无关，也不说明反应的速率如何。第43页，本讲稿共44页*需要强调的是，自发反应的判断依据是是GG值值，不是不是GG0 0值，G值为负值，即此反应能够自发进行。五、五、自由能变化的可加性及热力学上一个不利自由能变化的可加性及热力学上一个不利反应可由一个有利的反应推动反应可由一个有利的反应推动：在偶联的几个化学反应中，自由能的总变化等于自由能的总变化等于每一步反应自由能变化的总和每一步反应自由能变化的总和：第44页，本讲稿共44页