第十九二十一章代谢总论生物能学2011
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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。
1）磷氧键型：ATP、氨甲酰磷酸 2）氮磷键型：磷酸肌酸 3）硫酯键型：酰基CoA 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸
高 能 化 合 物 类 型
硫酯键型
甲硫键性
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）。
a
b
g
O
O
O
腺嘌呤—核糖— O — P — O ~ P — O ~ P — O-
O-
O-
O-
G= G+RTlnK平， G=-RTlnK平 生化标准自由能改变：pH=7 G= - RTlnK平 （单位：J /mol或kJ/mol）
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
例题： 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ΔG0。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ΔG ′是多少？
传递。
由分解代谢释放出的化学能，除合成 ATP外，还以氢原子和电子的形式供给生物 合成的需能反应，其中，辅酶Ⅰ（NAD）、 辅酶Ⅱ（NADP）、FMN和FAD在这一过程 中起重要作用。
烟酰胺 （维生素PP）
辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ
（H-：）
..
维生素PP(抗赖皮维生 素)
R
R
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
R=H：NAD R=-PO3：NADP
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。
三、化学反应中自由能的变化
G ， G ， G
对于化学反应：A+B C+D
标准自由能改变（G） ：25度、1大气压、反应 物、产物浓度均为1mol/L(有氢离子参加时，其浓 度也是1mol/L，pH为0 )时。 G= G+RTln[生成物]/[反应物] 反应达到平衡点时 G=0
自由能的概念对于研究生物化学过程的能力学具有 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。
在温度和压力不变时： －ΔＧ＝Ｗ* (体系中能对环境作功的能量)
内能:U(E)：体系质点能量综总合（ U ） 体系
体系
做功
焓（H）：体系的热含量；焓变： 吸H热=U+PV,
热力学第一定律：能量守恒定律 ，U=Q-W
生物化学中近似恒压恒容， 所以：H≈U
4. 热力学第二定律和熵(entropy) 热的传导只能由高温物体传至低温物体。 熵（S）：体系质点散乱无序程度 熵变（S），隔离体系：S= S体系+ S环境≧0
式中“=”表示可逆的过程， S=0,此时体系处于平衡状态。 “﹥0”表示不可逆的过程，体系熵增加。 所有自发过程都是不可逆的，熵总是增加。
新陈代谢过程使生物有机体不断向环境释放其生命 活动不得不产生的全部正熵。
用熵作为衡量生化过程能否自发进行是困难的，自 由能则可以。
二、自由能（free energy）
➢ 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
五、代谢研究的方法
代谢研究所指的活细胞是一种概括的说 法，既来自于单细胞、也来自于多细胞生物、 还包括病毒和噬菌体等。
代谢研究主要是对中间代谢的研究。可以 在不同的水平上进行，用生物整体的研究称 体内研究，用 in vivo表示， 用组织切片、匀 浆、提取液作为材料的研究体称外研究，用 in vitro表示。
太阳是地球上所有生物最根本的能量来源
代谢总貌
➢ATP起捕获和贮存能量(传递能量)的作用 ➢能量传递系统：ATP→ADP+Pi
以ATP形式贮存的能量有以下作用：
（1）提供生物合成所需能量
（2）机体活动及肌肉收缩所需能量
（3）营养物跨膜运输所需能量
（4）DNA,RNA，蛋白质等合成中，保证基因信息正 确
解：达平衡时
=Keq=19
ΔG0′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19
=-7.6kJ.mol-1
未达平衡时
=0.1
ΔG′=ΔG0′+ RTln[生成物]/[反应物] =-7.6+ 2.3038.314 311 log 0.1 =-13.6 kJ.Mol-1
四、高能化合物
FMN和FAD
(VB2)
核
黄
核
素
黄
腺
素
嘌
呤
核
二
黄
核
素
苷
单
酸
核百度文库
苷
酸
异咯嗪
辅酶A（CoA）在能量代谢中的作用
乙酰Co-A形成的硫酯键和ATP的高能磷 酸键相似，水解时可释放出大量自由能。 许多代谢的终产物都能形成乙酰Co-A。
O
C H 3 C～～S CoA
辅酶A
(VB3)
四、代谢中常见的有机化学反应机制
体系：
开放体系（open system） 封闭体系（closed system） 隔离体系（isolated system）
2. 能的两种主要形式 — 热与功 能的表现形式有多种，热与功是两种主要形式，
是体系发生变化时与环境交换能量的两种形式。
3. 内能(internal energy)、焓(enthalpy)和热力 学第一定律：
一、有关热力学的一些基本概念
1. 体系、环境、状态
2. 体系（system）：系统、物系, 热力学中指研究所涉及全
部
3.
物质总称。
环境（surrounding）：外界, 除体系外全部物质总称。
一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比热、表 面张力…………。
一个体系的各种性质确定了，其状态就确定了。
代谢研究主要方法：
1、酶抑制剂的应用 2、同位素示踪法 3、气体测量法 4、核磁共振波谱法 5、利用遗传缺陷症研究代谢途径
×
酪氨酸氧化酶
尿黑酸
尿黑酸氧化酶
本章基本要求
1.熟悉代谢作用的特点。 2.掌握重要辅酶在代谢中的作用。 3.了解常用的代谢作用研究方法
第二十章 生物能学 Chapter 20.Bioenergetics)
1）磷氧键型：ATP、氨甲酰磷酸 2）氮磷键型：磷酸肌酸 3）硫酯键型：酰基CoA 4）甲硫键型：S-腺苷甲硫氨酸
高 能 化 合 物 类 型
硫酯键型
甲硫键性
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）。
a
b
g
O
O
O
腺嘌呤—核糖— O — P — O ~ P — O ~ P — O-
O-
O-
O-
G= G+RTlnK平， G=-RTlnK平 生化标准自由能改变：pH=7 G= - RTlnK平 （单位：J /mol或kJ/mol）
计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化
例题： 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ΔG0。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ΔG ′是多少？
传递。
由分解代谢释放出的化学能，除合成 ATP外，还以氢原子和电子的形式供给生物 合成的需能反应，其中，辅酶Ⅰ（NAD）、 辅酶Ⅱ（NADP）、FMN和FAD在这一过程 中起重要作用。
烟酰胺 （维生素PP）
辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ
（H-：）
..
维生素PP(抗赖皮维生 素)
R
R
烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（磷酸）
R=H：NAD R=-PO3：NADP
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。
三、化学反应中自由能的变化
G ， G ， G
对于化学反应：A+B C+D
标准自由能改变（G） ：25度、1大气压、反应 物、产物浓度均为1mol/L(有氢离子参加时，其浓 度也是1mol/L，pH为0 )时。 G= G+RTln[生成物]/[反应物] 反应达到平衡点时 G=0
自由能的概念对于研究生物化学过程的能力学具有 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。
在温度和压力不变时： －ΔＧ＝Ｗ* (体系中能对环境作功的能量)
内能:U(E)：体系质点能量综总合（ U ） 体系
体系
做功
焓（H）：体系的热含量；焓变： 吸H热=U+PV,
热力学第一定律：能量守恒定律 ，U=Q-W
生物化学中近似恒压恒容， 所以：H≈U
4. 热力学第二定律和熵(entropy) 热的传导只能由高温物体传至低温物体。 熵（S）：体系质点散乱无序程度 熵变（S），隔离体系：S= S体系+ S环境≧0
式中“=”表示可逆的过程， S=0,此时体系处于平衡状态。 “﹥0”表示不可逆的过程，体系熵增加。 所有自发过程都是不可逆的，熵总是增加。
新陈代谢过程使生物有机体不断向环境释放其生命 活动不得不产生的全部正熵。
用熵作为衡量生化过程能否自发进行是困难的，自 由能则可以。
二、自由能（free energy）
➢ 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
五、代谢研究的方法
代谢研究所指的活细胞是一种概括的说 法，既来自于单细胞、也来自于多细胞生物、 还包括病毒和噬菌体等。
代谢研究主要是对中间代谢的研究。可以 在不同的水平上进行，用生物整体的研究称 体内研究，用 in vivo表示， 用组织切片、匀 浆、提取液作为材料的研究体称外研究，用 in vitro表示。
太阳是地球上所有生物最根本的能量来源
代谢总貌
➢ATP起捕获和贮存能量(传递能量)的作用 ➢能量传递系统：ATP→ADP+Pi
以ATP形式贮存的能量有以下作用：
（1）提供生物合成所需能量
（2）机体活动及肌肉收缩所需能量
（3）营养物跨膜运输所需能量
（4）DNA,RNA，蛋白质等合成中，保证基因信息正 确
解：达平衡时
=Keq=19
ΔG0′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19
=-7.6kJ.mol-1
未达平衡时
=0.1
ΔG′=ΔG0′+ RTln[生成物]/[反应物] =-7.6+ 2.3038.314 311 log 0.1 =-13.6 kJ.Mol-1
四、高能化合物
FMN和FAD
(VB2)
核
黄
核
素
黄
腺
素
嘌
呤
核
二
黄
核
素
苷
单
酸
核百度文库
苷
酸
异咯嗪
辅酶A（CoA）在能量代谢中的作用
乙酰Co-A形成的硫酯键和ATP的高能磷 酸键相似，水解时可释放出大量自由能。 许多代谢的终产物都能形成乙酰Co-A。
O
C H 3 C～～S CoA
辅酶A
(VB3)
四、代谢中常见的有机化学反应机制
体系：
开放体系（open system） 封闭体系（closed system） 隔离体系（isolated system）
2. 能的两种主要形式 — 热与功 能的表现形式有多种，热与功是两种主要形式，
是体系发生变化时与环境交换能量的两种形式。
3. 内能(internal energy)、焓(enthalpy)和热力 学第一定律：
一、有关热力学的一些基本概念
1. 体系、环境、状态
2. 体系（system）：系统、物系, 热力学中指研究所涉及全
部
3.
物质总称。
环境（surrounding）：外界, 除体系外全部物质总称。
一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比热、表 面张力…………。
一个体系的各种性质确定了，其状态就确定了。
代谢研究主要方法：
1、酶抑制剂的应用 2、同位素示踪法 3、气体测量法 4、核磁共振波谱法 5、利用遗传缺陷症研究代谢途径
×
酪氨酸氧化酶
尿黑酸
尿黑酸氧化酶
本章基本要求
1.熟悉代谢作用的特点。 2.掌握重要辅酶在代谢中的作用。 3.了解常用的代谢作用研究方法
第二十章 生物能学 Chapter 20.Bioenergetics)