生物化學(xué)第19和20章代謝總論和生物能學(xué).ppt

1、第19章 代謝總論,(General Introduction of Metabolism),一、分解代謝與合成代謝 二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位 三、輔酶和輔酶的遞能作用 四、FMN和FAD的遞能作用 五、輔酶A在能量代謝中的作用 六、新陳代謝的調(diào)節(jié) 七、代謝中常見的有機反應(yīng)機制 八、新陳代謝的研究方法,新陳代謝的功能,新陳代謝簡稱代謝。人們將代謝的功能概括為5個方面：從周圍環(huán)境中獲得營養(yǎng)物質(zhì)。將外界引入的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨硇枰慕Y(jié)構(gòu)元件，即大分子的組成前體。將結(jié)構(gòu)元件裝配成自身的大分子。合成或降解執(zhí)行生物體特殊功能所需的生物分子。提供生命活動所需的一切能量。,代謝途徑,雖然新陳代謝包

2、括數(shù)以千計的不同酶催化的反應(yīng)，但仍可以從錯綜復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)中總結(jié)歸納成一些具有共同規(guī)律的途徑，并將這些途徑稱為主要代謝途徑。這些主要代謝途徑在千差萬別的生物界具有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴?一、分解代謝與合成代謝,通過一系列的反應(yīng)，將有機營養(yǎng)物分解成較小的、較簡單的物質(zhì)的過程稱為分解代謝（catabolism），分解代謝的同時，將蘊藏在有機大分子中的能量逐步釋放出來，提供給生命活動使用，同時，分解代謝的中間產(chǎn)物也可用于合成生命活動所需的新的物質(zhì)。 利用小分子或大分子的結(jié)構(gòu)元件合成生物大分子或其它所需分子的過程稱為合成代謝（anabolism）。合成代謝需要提供能量。 分解代謝途徑與合成代謝途徑一般是不同的

3、，但不同的代謝途徑之間也可以有重疊的部分。,二、能量代謝在新陳代謝中的重要地位,各種分子之間的互相轉(zhuǎn)變稱為物質(zhì)代謝，而伴隨著物質(zhì)代謝發(fā)生的能量的吸收、轉(zhuǎn)移、釋放、利用稱為能量代謝。 太陽能是所有生物最根本的能量來源，能進行光合作用的植物將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能，這些化學(xué)能提供了植物生命活動所需的全部能量（有少數(shù)特殊情況），動物和大多數(shù)微生物直接或間接依靠植物光合作用貯存的化學(xué)能生活。,ATP是能量代謝的中心物質(zhì),生物體直接利用的能量物質(zhì)主要是ATP，在分解代謝中，釋放出的能量主要用于合成ATP，在需要提供能量的反應(yīng)或其它生命活動中，主要由ATP水解來提供能量，所以ATP是能量代謝的中心物質(zhì)。ATP不

4、是一種能量貯存物質(zhì)，而是一種傳遞能量的分子，因為在一般情況下，ATP分子合成后，在1分鐘之內(nèi)就被利用。 生物體對能量的消耗是驚人的。據(jù)計算，一個處于安靜狀態(tài)的成年人，一日內(nèi)需消耗40kg的ATP。在劇烈運動時，ATP的利用可達到每分鐘0.5kg。,三、輔酶和輔酶的遞能作用,由營養(yǎng)物質(zhì)的分解代謝釋放出的化學(xué)能，除了通過合成ATP的途徑捕獲外，還有另外一種途徑，就是以氫原子和電子的形式將自由能轉(zhuǎn)移給生物合成的需能反應(yīng)。這種具有高能的氫原子是由脫氫反應(yīng)形成的。脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子和電子可由輔酶或輔酶接受。當(dāng)這些輔酶被氧化時，能量又被釋放出來。,四、FMN和FAD的遞能作用,（略）,五、輔酶A在能量代

5、謝中的作用,酯酰CoA中有一個高能的硫酯鍵，這也可以看成是?；囊环N活化形式。ATP的磷酸酐鍵水解時釋放出30.54 kJ/mol的自由能，而乙酰CoA的硫酯鍵水解時釋放出31.38 kJ/mol的自由能。,六、新陳代謝的調(diào)節(jié),新陳代謝的調(diào)節(jié)主要是靠酶數(shù)量和活性的調(diào)節(jié)，細胞中有許多由膜分割的部位，特定的代謝途徑在特定的細胞部位進行。物質(zhì)需要在細胞不同的部位間運輸，有時還需要在細胞間或整個機體內(nèi)運輸。物質(zhì)運輸?shù)姆较?、量及速度也影響代謝。,七、代謝中常見的有機反應(yīng)機制,（略）,八、新陳代謝的研究方法,（一）使用酶的抑制劑,酶的抑制劑可使代謝途徑受到阻斷，結(jié)果造成其底物積累，為測定該代謝物提供條件。

6、利用酶的抑制劑可以研究代謝途徑，從最初的反應(yīng)物經(jīng)過哪些中間代謝產(chǎn)物，最終形成產(chǎn)物的。,（二）利用遺傳缺陷癥研究代謝途徑,某些個體由于遺傳缺陷，先天就缺少某種酶。余同前。,（三）氣體測量法,用瓦氏呼吸計測定反應(yīng)過程中吸收的氣體量或釋放的氣體量。這不是一種研究方法，而是一種實驗技術(shù)。,（四）同位素示蹤法,用放射性同位素示蹤，可以跟蹤某一原子的去向，從而得知代謝途徑。 放射性強度測定 放射自顯影,常用放射性同位素表,（五）核磁共振波譜法,這也是一種實驗技術(shù)。,第20章 生物能學(xué),（Bioenergetics）,一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義 三、高能化合物,一、有關(guān)熱

7、力學(xué)的一些基本概念,（自由能的概念),凡是能夠用于做功的能量稱為自由能。,二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義,（二）標(biāo)準(zhǔn)自由能變化和化學(xué)平衡的關(guān)系,化學(xué)反應(yīng)中的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化,在化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物和產(chǎn)物各自都有特定的自由能。產(chǎn)物自由能的總和與反應(yīng)物自由能的總和之差，就是該反應(yīng)的自由能變化。為了計算的方便，人們總是規(guī)定一些條件作為標(biāo)準(zhǔn)條件，并將在此條件下所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的自由能變化稱為標(biāo)準(zhǔn)自由能變化。,計算標(biāo)準(zhǔn)自由能變化時的標(biāo)準(zhǔn)條件,標(biāo)準(zhǔn)條件指的是，反應(yīng)的溫度為25，即298K，大氣壓為101,325 Pa（1atm），反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度都是1mol/L。標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的符號用Go 表示。對于生物

8、化學(xué)反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)狀況還規(guī)定反應(yīng)進行的環(huán)境為pH=7，這時的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用G o表示。,G0 和G,Go 是在標(biāo)準(zhǔn)條件下，一個化學(xué)反應(yīng)的自由能變化，它是一個常數(shù)，而G 是一個化學(xué)反應(yīng)在某一實際條件下的自由能變化，G 隨著反應(yīng)的溫度、反應(yīng)物及產(chǎn)物的濃度、反應(yīng)介質(zhì)的pH等的變化而變化。,標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的計算公式,假設(shè)有如下的一個化學(xué)反應(yīng)式： aA + bB cC + dD 在恒溫和恒壓下，這一反應(yīng)的自由能變化公式是： 式中Go 是該反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化，R是氣體常數(shù)，T是絕對溫度，A、B、C、D代表4種物質(zhì)的摩爾濃度，嚴(yán)格地應(yīng)為活度。,從以上的公式可以看出，一個化學(xué)反應(yīng)自由能的變化值G，由兩部分決定

9、，一部分是不變因素，即由反應(yīng)本身的性質(zhì)所決定；另一部分是可變因素，即各物質(zhì)的濃度、反應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量以及反應(yīng)的溫度。,反應(yīng)的平衡常數(shù)與G0,當(dāng)反應(yīng)達到平衡時，自由能變化為零，即 G = 0，而反應(yīng)的平衡常數(shù) 代入上式得 當(dāng)pH為7時 根據(jù)測得的反應(yīng)達到平衡時各物質(zhì)的濃度，可以計算出反應(yīng)的平衡常數(shù)，代入上式可以計算出反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值。,注意，生化反應(yīng)很多都是可逆反應(yīng)，正反兩個方向反應(yīng)的G0 的絕對值相同，符號相反。,G是反應(yīng)能否進行的判據(jù),G可用來判斷一個反應(yīng)是否能夠自發(fā)進行，當(dāng)G0時（反應(yīng)放出能量），反應(yīng)可以自發(fā)進行，G負值的絕對值越大，反應(yīng)自發(fā)進行的趨勢越大，隨著反應(yīng)的進行，G負值的絕對值

10、越來越小，當(dāng)G = 0時，反應(yīng)達到平衡；當(dāng)G0時，反應(yīng)不能自發(fā)進行。,標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的概念,每一種有機化合物都有自己的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，用符號Gof 表示。標(biāo)準(zhǔn)生成自由能Gof 的定義是，由處在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最穩(wěn)定單質(zhì)合成1mol標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的化合物時，其標(biāo)準(zhǔn)自由能的變化值。由于各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)自由能都無法測得，人們規(guī)定，在1個大氣壓下，一定溫度時，最穩(wěn)定的單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)自由能為零。這樣，由最穩(wěn)定的單質(zhì)反應(yīng)生成某一種物質(zhì)的反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化值就是這種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能。,標(biāo)準(zhǔn)生成自由能的應(yīng)用,利用各種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，也能計算出一個反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化量Go ，即 Go =產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能 反應(yīng)

11、物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能 進一步還可以計算出反應(yīng)的平衡常數(shù)。,偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性及其意義,在互相聯(lián)系或稱為偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，這些相互聯(lián)系的化學(xué)反應(yīng)的總的自由能變化等于各步反應(yīng)自由能變化的總和。當(dāng)其中一個反應(yīng)的自由能變化為正值時，只要總反應(yīng)的自由能變化為負值，這個反應(yīng)也是能夠進行的。在生化反應(yīng)中，常有自由能變化為正值的反應(yīng)與ATP的水解反應(yīng)相偶聯(lián)，也就是說，ATP水解釋放出的能量驅(qū)動了某一需能反應(yīng)。,偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)的表示方式,C+ATPD+ADP+Pi,化學(xué)反應(yīng)和自由能關(guān)系的進一步說明,1G 0的反應(yīng)，即使有催化劑也不能進行。 3不穩(wěn)定的基團自由能高，容易發(fā)生反應(yīng)。,能量學(xué)用于生物化學(xué)反

12、應(yīng)中的一些規(guī)定,1一個稀的水溶液系統(tǒng)，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度規(guī)定為1.0。 2在生物化學(xué)能量學(xué)中，通常把標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。而在物理化學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)狀況規(guī)定為pH0.0（即H+濃度為1.0mmol/L）。不同pH下Go不同。 3標(biāo)準(zhǔn)自由能的單位為 kJ/mol 或 kcal/mol。,三、高能化合物,(高能化合物的概念),機體內(nèi)有許多含磷酸的化合物，當(dāng)其磷酰基水解時，釋放出大量的自由能，這類含磷酸的化合物稱為高能磷酸化合物。當(dāng)這些磷酰基水解時，能釋放出20.92kJ/mol（5 kcal/mol）以上的能量，因此將這些磷酸基團與其它基團之間的鍵稱為“高能鍵”（high-ene

13、rgy bond），并用符號 表示。注意生物化學(xué)中的“高能鍵”的含義與化學(xué)中使用的“鍵能”含義是完全不同的。,高能磷酸化合物及其它高能化合物的類型,高能磷酸化合物中的磷酸大多數(shù)是與另一個酸形成酸酐，與之形成酸酐的酸有羧酸、磷酸、硫酸等。還有磷酸與胍基、烯醇式羥基之間結(jié)合的化合物也是高能磷酸化合物。除了含磷酸的高能化合物外，還有不含磷酸的高能化合物，如?；鵆oA中的硫酯鍵、S-腺苷甲硫氨酸中甲基與S之間的硫醚鍵也是高能鍵。,磷氧鍵型高能磷酸化合物,乙酰磷酸,氨甲酰磷酸,1,3-二磷酸甘油酸,磷氧鍵型高能磷酸化合物,焦磷酸,氨酰腺苷酸,?；佘账?磷氧鍵型高能磷酸化合物,ATP,磷酸烯醇式丙酮酸,

14、氮磷鍵型高能磷酸化合物,磷酸精氨酸,磷酸肌酸,硫酯鍵型高能化合物,3-腺苷磷酸5-磷酰硫酸,?；鵆oA,甲硫鍵型高能化合物,S-腺苷甲硫氨酸,與核糖的5碳相連,一些磷酸化合物水解的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化,注意ATP位于所列磷酸化合物的中間位置,細胞內(nèi)影響ATP自由能釋放的因素,在細胞內(nèi)環(huán)境條件下，在pH7時，ATP及ADP的全部磷酸基團都處于解離狀態(tài)。細胞內(nèi)有大量的Mg2+，Mg2+與ATP4及ADP3形成Mg2+ATP2及Mg2+ADP的形式，而實際上Mg2+ATP2才是ATP的活性形式。所以Mg2+濃度、pH、ATP、無機磷酸的濃度都能影響ATP水解時釋放的自由能的量。,ATP在能量轉(zhuǎn)運中的地位和

15、作用,1它可以在磷酸轉(zhuǎn)移中起到“共同中間傳遞體”的作用。,ATP在能量轉(zhuǎn)運中的地位和作用,2在偶聯(lián)反應(yīng)中提供能量。,磷酸肌酸的作用,神經(jīng)和肌肉等細胞活動的直接供能物質(zhì)是ATP，但ATP在細胞中的含量很低，在哺乳動物的腦和肌肉中約38mmol/kg。這些ATP只能提供肌肉劇烈活動1s左右的消耗。而肌肉和腦中磷酸肌酸的含量遠遠超過ATP，在腦中約為ATP的1.5倍，在肌肉中則為ATP的4倍。受過良好訓(xùn)練的運動員其肌肉中磷酸肌酸的含量可高達30mmol/kg。磷酸肌酸可以看成是ATP的后備軍，磷酸肌酸中貯存的能量可以很快轉(zhuǎn)移到ATP中。,磷酸肌酸的作用,上述反應(yīng)式正向反應(yīng)的G 0為-12.6kJ/mol，逆向反應(yīng)的G 0為+12.6kJ/mol，反應(yīng)的平衡常數(shù)為160。,磷酸肌酸 + ADP - 肌酸 + ATP,肌酸激酶,磷酸肌酸及其它貯能物質(zhì)的作用