生物化學：生物能學介紹

Chapter2IntroductionofBioenergetics

生物能學介紹Bioenergetics

isthequantitativestudyoftheenergytransductionsthatoccurinlivingcellsandofthenatureandfunctionofthechemicalprocessesunderlyingthesetransductions.簡單地說，生物能學是定量研究活細胞內(nèi)的能量傳導和能量利用過程。2.1代謝的能量來源和轉(zhuǎn)化2.2能量偶聯(lián)在生物化學反應中的意義2.3生物體的高能化合物2.4ATP在能量代謝中的重要作用2.1

代謝的能量來源和轉(zhuǎn)化生物體是一個開放系統(tǒng)(opensystem)，不斷地和環(huán)境進行物質(zhì)與能量的交換以維持正常的生命活動。生物體所需的能量，間接或直接地，都來源于太陽能(solarenergy)。自養(yǎng)生物吸收太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，貯存于化合物中；異養(yǎng)生物通過分解這些化合物獲得化學能。氧化-還原反應的電子傳遞是細胞能量傳遞的基礎。Sunlight代謝的能量來源和轉(zhuǎn)化光合作用細胞呼吸2.2能量偶聯(lián)在生物化學反應中的意義連續(xù)化學反應的自由能變化是可加的(additive)。細胞內(nèi)吸能(endergonic)反應可通過與放能(exergonic)的化學或光化學過程偶聯(lián)來推動。任一代謝途徑由一系列偶聯(lián)的化學反應組成，使其在熱力學上是有利的（thermodynamicallyfavored）。EnergycouplinginmechanicalprocessesEnergycouplinginchemicalprocesses自由能變化、標準自由能變化和化學平衡的關系自由能變化(ΔG)標準自由能變化(ΔG0)生物化學反應標準自由能變化(ΔG0’)恒溫和恒壓下，對于一個化學反應:

ΔG=ΔG0’+RTln[產(chǎn)物]/[底物]

ΔG0’

=-RTlnK’eq2.3生物體的高能化合物高能化合物：水解可釋放出大于25千焦/摩爾的自由能的化合物。高能磷酸化合物：通過磷酸酐鍵水解釋放出大于25千焦/摩爾的自由能的有機磷酸化合物。根據(jù)高能鍵型特點，生物體的高能化合物歸納為四類：

1.磷氧鍵型

2.氮磷鍵型

3.硫酯鍵型

4.甲硫鍵型磷氧鍵型氮磷鍵型硫酯鍵型甲硫鍵型2.4ATP在能量代謝中的重要作用2.4.1ATP的結(jié)構(gòu)和能量2.4.2ATP提供能量的化學機制2.4.3ATP的生成2.4.4ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡2.4.1ATP的結(jié)構(gòu)和能量

ATP最早是在1941年FritzLipmann和HermanKalckar研究糖酵解途徑時發(fā)現(xiàn)的。

ATP在細胞內(nèi)的活性形式通常是與Mg2+

或Mn2+形成復合物。（復合物形式是NTP-依賴型激酶NTP-dependentkinase的真正底物，如己糖激酶。）ATP的兩個磷酸酐鍵(phosphoanhydridebonds)水解可形成更穩(wěn)定的產(chǎn)物,并產(chǎn)生大量的自由能

(

G’o

is-30.5kJ/mol;Gincellsis-50to-65kJ/mol)。由于ATP水解反應的活化能(G?)比較高，ATP水解反應需要酶的催化。在pH7的條件下，ATP分子是穩(wěn)定的。這一特性有利于細胞內(nèi)能量的調(diào)節(jié)。High-energy（腺苷三磷酸）γβαThelargefree-energychangeassociatedwithATPhydrolysis.ATP-Mg2+complexesandADP-Mg2+complexes.2.4.2ATP提供能量的機制

ATP具有中等的磷?；鶊F轉(zhuǎn)移勢能，也就是說，ATP是磷?；鶊F的供體（或載體），ADP是磷酰基團的受體。ATP通過基團轉(zhuǎn)移活化底物的形式提供能量，而不是簡單的水解作用。(也有一些生化過程由ATP或GTP直接水解提供能量，如肌肉收縮。)在ATP參與的反應中，ATP通過基團轉(zhuǎn)移可提供磷酰基團、焦磷?；鶊F和腺苷酰基團。Phosphocreatine+H2OCreatine+Pi

G’o

＝-43.0kJ/molATP+H2OADP+Pi

G’o

＝-30.5kJ/mol偶聯(lián)的結(jié)果：Phosphocreatine+ADPCreatine+ATPATPhasanintermediatephosphorylgrouptransferpotential.ATPprovidesenergyusuallythroughgrouptransfer,thusactivatingthesubstrate.ThreetypesofgrouptransfertoareactantofATP2.4.2ATP提供能量的機制(續(xù))腺苷酸化是一些生物化學反應增強能量偶聯(lián)的策略(如脂肪酸氧化中脂酰CoA的生成)。

ATP分解為AMP和PPi，是螢火蟲發(fā)光的供能方式。

Inthelab,aslittleasafewpicomoles(10-12mol)ofATPcanbemeasuredusingfireflyluciferinandluciferase,usingspectroscopicmethods.

Luciferasegeneisareportergeneingeneengineering.Adenylylationreactioninactivationofafattyacid.螢火蟲發(fā)光機制蟲熒光酰腺苷酸熒光素酶熒光素Luciferasedetectionproducts(Promegacompany)2.4.3ATP的生成

ATP生成途徑:氧化磷酸化/光合磷酸化（主要）底物水平磷酸化腺苷酸激酶(adenylatekinase)催化途徑4.磷酸肌酸(PCr)轉(zhuǎn)換氧化磷酸化/光合磷酸化（主要）跨膜質(zhì)子梯度所儲存的能量使ADP在ATP合酶的催化下磷酸化生成ATP。（化學滲透學說）底物水平磷酸化

在反應過程中，由于底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能（磷酸）化合物，進而把高能（磷酸）鍵的能量轉(zhuǎn)移給ADP，生成ATP。eg.oxidationofglyceraldehyde-3-phoshphate(GAP)

step6，step7inglycolysishighenergySubstrate-levelphosphorylation！腺苷酸激酶(adenylatekinase)催化的ADP挽救途徑：

ADP+ADPATP+AMPadenylate

kinase磷酸肌酸轉(zhuǎn)換—迅速生成ATP的途徑Phosphocreatine+ADPCreatine+ATP肌酸激酶2.4.3ATP的生成(續(xù))磷酸肌酸轉(zhuǎn)換途徑是迅速產(chǎn)生ATP的方式。它揭示，磷酸肌酸是能量的貯存者，ATP是能量的載體。磷酸肌酸、磷酸精氨酸、聚偏磷酸統(tǒng)稱為磷酸原(phosphagens)，是生物體儲存能量的方式。某些無脊椎動物以磷酸精氨酸為儲能物質(zhì)，一些微生物以聚偏磷酸為儲能物質(zhì)。。2.4.4ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡ATP的動態(tài)平衡—細胞一方面調(diào)節(jié)ATP的生成以滿足能量需求，另一方面又調(diào)節(jié)ATP的利用，從而使ATP維持在相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。ATP的生成和利用是通過細胞的能量狀態(tài)來調(diào)節(jié)的。能荷(energycharge)和磷酸化勢能(phosphorylationpotential)是描述細胞能量狀態(tài)的兩個指標。

[ATP]+1/2[ADP]能荷(energycharge)=

[ATP]+[ADP]+[AMP]

理論上，能荷數(shù)值為0(全部為AMP)~1(全部為ATP)。實際上大多數(shù)細胞的能荷在0.80~0.95之間。

[ATP]磷酸化勢能=

[ADP][Pi]Theenergycharge,likethepHofacell,isbuffered！小結(jié)生物體所需的能量，間接或直接地，都來源于太陽能。自養(yǎng)生物吸收太陽能轉(zhuǎn)化為化學能，貯存于化合物中；異養(yǎng)生物通過分解這些化合物獲得化學能。細胞內(nèi)吸能反應可通過與放能的化學或光化學過程偶聯(lián)來推動。小結(jié)ATP是生物體內(nèi)重要的高能化合物

。ATP/ADPCycle是ATP提供能量的方式。

ATP通過基團轉(zhuǎn)移活化底物的形式提供能量，而不是簡單的水解作用。ATP是能量的載體，磷酸肌酸是能量的貯存者。細胞中ATP處于動態(tài)平衡。它的生成和利用是通過細胞的能量狀態(tài)來調(diào)節(jié)的。復習:1.生物圈中能量的來源和轉(zhuǎn)化。2.什么是高能化