第06章 代谢总论与生物能学

NAD+：R=H NADP+：R=PO32NAD+ 和NADP+的结构
2. FMN和FAD 也是重要的电子载体（P.261） 辅酶FMN传递电子的过程：
第四节 高能磷酸化合物的 储存和利用
一. 生物体内的高能磷酸化合物 二. ATP在生物能学中的作用 三. 生物体内ATP生成的方式
一. 生物体内的高能磷酸化合物
2. △G0′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
3. △G指一定条件下物质发生反应的自由能， 其计算与△G0′有关，是判断反应能否自发 进行的标准。
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 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
第三节 生物氧化还原反应中自由能变化
一、生物氧化与氧化还原电势 生物氧化：有 机 物 在 体 内 氧 化分 解 为 二 氧 化 碳和水并 释放能 量的过程。 又可称组织呼吸、细胞呼吸。
氧化还原反应是指电子从一种物质转移到另 一种物质上的化学反应。
（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
(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β -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
（4）利用遗传缺陷症：例先天缺乏尿黑酸氧化酶，可造 成体内尿黑酸积累，从尿中检出尿黑酸可推测Tyr代谢情况.
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（metabolism)，简称代谢。
一．代谢阶段：人和高等动物可分为三个阶段: 1．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：在细胞内进行，中间可有多步连续 反应。例 糖酵解: G→G-6-P→→→→→→2丙酮酸→2乳酸
= 1.81 + 2.303×1.987×10-3×298×lg（3×10-6/ 2×10-4） = 1.81 – 2.487 = - 0.677 kcal/mol = - 2.833 kJ/mol
利用平衡常数求出 △G0′和 △G 举例
*需要强调的是：
1. 自发反应的判断依据是△G值，而不是△G0′ 值，△G值为负值，即此反应能够自发进行。
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。
三、熵和热力学第二定律
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ΔS体系+ΔS环境>0
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。 例如，形成一个高度有序的生物结构是可能的，因
吸收与合成
异化作用
生长、发育、生殖
衰老、死亡
排泄与分解 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 探索物质的运动规律
第六章
代谢总论与生物能学
(P. 250 - 274)
湖北大学生命科学学院
yangyanyan@hubu.edu.cn
第一节 代谢总论
1、细胞如何从其环境中摄取能量 问 和还原能力？(分解代谢） 题 2、细胞如何合成其大分子的构造 单元？（合成代谢）
封闭体系：体系与环境之间只有能量传递没有物质交换；
隔离体系：体系与环境之间没有能量传递也没有物质交换。
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（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。）：
(5)气体测量法：如瓦氏呼吸器(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。
三、代谢的研究方法之1：使用抑制剂
★酶抑制剂或呼吸电子抑制剂可以使代谢或呼吸 电子传递途径受阻，积累中间产物，利于测定
果糖-1，6-二磷酸
醛缩酶
ΔG0′= -2.303 RT logK’eq = -nΔE0’ F (=96480 J.)
ΔE0’ = 2.303 RT logK’eq /n F
（三）生物氧化反应的电子载体（P.260）
1. 以NAD+或NADP+为辅酶的脱氢酶 (尼克酰胺核苷酸类) 功能：将底物上的氢 激活并脱下。
辅酶：NAD+或NADP+
= -2.303×1.987×10-3×（273+25）×lg0.0475
= -1.364×lg0.0475 = 1.81 kcal/mol = 7.57 kJ/mol 1cal=4.184J
△G = △G0′ + RT ln [C][D]/[A][B] △G = △G0′ + RT ln[甘油醛-3-磷酸]/[二羟丙酮磷酸]
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
二羟丙酮磷酸 甘油醛-3-磷酸 磷酸烯醇式丙酮酸
碘乙酸
-
甘油酸-2-磷酸
甘油酸-3-磷酸
烯醇化酶
-
氟化物
第二节 生物能学
一、体系的概念、性质与状态
二、内能和热力学第一定律
三、熵和热力学第二定律
生物化学 中的热力 学
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 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 八、高能磷酸化合物的储存和利用
（多个酶）
3．排泄废物：肾、肠、皮肤等（生理学主讲）
二．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 vivo）研究: 意即“在体内” ； 组织切片组织匀浆和提取液：(in vitro)意即 “在体外”、 “在试管内” 。 2. 可用不同方法研究新陈代谢：
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. 标准电势与自由能的关系：
△E0′；氧化还原体系中两个半反应的氧化还原 电位差： △E0′= E0′正极 - E0′负极（失去电子倾向高） ΔG0′ = -nΔE0’ F 3. 标准电势与平衡常数的关系：
1．内能 U ;
2.焓 (H = U + PV);
3.熵 S 与自由能ΔG
二、 内能和热力学第一定律 ：
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。
热力学第一定律: 就是能量守衡定律，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：ΔU= Q-W（Q代表在过程中吸收的热 量，W代表体系所做的功，ΔU代表内能的变化）。
△G0′总 = △G0′1+ △G0′2+ △G0′3 …...
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相当于4.184 J
则得：△G0′= —RT lnK′eq
需要强调的是，自发反应的判断依据是△G值，而 不是△G0′值，△G值为负即此反应能够自发进行。
利用平衡常数求出 △G0′和 △G 举例
例：当二羟丙酮磷酸与甘油醛-3-磷酸互变达到平衡时，甘油醛-
3-磷酸与二羟丙酮磷酸的浓度比是0.0475（25℃，pH7）。甘油醛 -3-磷酸的浓度为3×10-6mol/L，二羟丙酮磷酸的浓度为2×104mol/L，求出该反应的△G0′与△G值。 解： △G0′= -RT ln K’eq = -2.303 RT lg K’eq
●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。
△G=△H—T△S
△G是恒温、恒压下自由能的变化 △H是体系焓的变化，△H=△U+P△V
△S是体系熵的变化
△U是体系内能的变化
三、熵和热力学第二定律
△G是判断一个化学反应能否向某个反向进行的根据，
生物分子

生物大分子
由基本相 糖 同类型的 脂 分子单体 核酸 组成 蛋白质 G6（葡萄糖） F（果糖） FA（脂肪酸）＋甘油 5种含氮碱基（A、G、T、C、U） 20种氨基酸

有机小分子
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。
研究 结构
功能
性质
新陈代谢
同化作用
第二节
生物能学（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 能够发生。 有关热力学的一些基本概念：
一、体系：热力学中的体系（system）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 （surroundings）。
开放体系：体系与环境之间既有能量传递又有物质交换；
由能变化用△G0′表示，可以导出反应的标准自由能与
平衡常数之间的关系。
反应的标准自由能变化 及其与平衡常数的关系
平衡时，△G=0 0=△G0′+RT ln[C][D]/[A][B] 因此，△G0′= —RT ln [C][D]/[A][B] 令 K′eq=[C][D]/[A][B] △G0′= —2.303 RT logK′eq
释放和转移
（二） 氧化-还原电势（电位）
1. 标准氧化还原电势
一个氧化还原对失去电子或获得电子的倾向称为 氧化还原电势(电位) ：
生物氧化中包括许多氧化还原反应： H2 ←→
电子供体 (还原型)
2H++2eΒιβλιοθήκη Baidu
电子受体 (氧化型)
Fe2+ ←→ Fe3++e
电子供体 (还原型) 电子受体 (氧化型)
分别构成氧化还原(电)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。
生物体的化学组成
自然界
所有的 生命物 体都由 三类物 质组成 水、无 机离子 和生物 分子
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




存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物 体内被发现 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组 成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生 物体总质量的99%以上。 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。 这类元素也是组成生命体的基本元素。 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生 物体内存在的主要少量元素。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、 I、Mo、Se、Si等。
△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。 过程可逆： - △G = 0，或写为△G = 0 自发进行： - △G﹥0，或写为△G﹤0 意味着该过程释放自由能 过程不可能进行： - △G ﹤ 0，或写为△G﹥0 意味着该过程需要提供能量才能进行
四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的 关系 考虑反应 ： A+B===C+D 此反应的△G为： △G=△G0+RT ln[C][D]/[A][B] △G0为标准自由能变化 R为气体常数 T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