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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 . 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. - PowerPoint PPT Presentation
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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
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
CO2
+H2O
(CH2O)
+O2
ATPADP
(光 能)
(电 能)
(化 学 能)
(化 学 能)
(电 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 (enthalp
y)
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:- Δ G=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。
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
Δ G =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
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
ba
dC
C BA
DCQ
][][
][][
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:
ba
dC
BA
DCKeq
][][
][][
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: ΔG°′= - nFΔE°′
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。
例:计算NADH 氧化反应的 ΔG°′
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
原电池示意图
ΔE0 = 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
ZnSO4 CuSO4
e +-
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:
ΔG°′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1
ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) =-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 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:
例题:计算下反应式 ΔG°′
NADH+H++1/2O2====NAD++H2O
正极反应: 1/2O2+2H++2e H2O E+°′ 0.82
负极反应: NAD++H++2e NADH E-°′ -0.3
ΔG°′-nFΔE°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)]
-220 KJ·mol-1
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。
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) 。
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 CoA
e-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( 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
腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — O-
O O O
O- 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~ P
~ P
~ P
ATP~ P
0
2
10
8
6
4
12
14
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