代谢引论和生物能学概述.ppt

第1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。,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 生物能学简介第四节 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、能量流动和信息传递的过程。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。,Cells need energy to do all their work,To generate and maintain its highly ordered structure(biosynthesis of macromolecules)To generate all kinds of movementTo generate concentration and electrical gradients across cell membranesTo maintain a body temperatureTo generate light in some animalsThe“energy industry”(production,storage and use)is central to the economy of the cell society!,Living organisms use energy extracted from nutrients or sunlight,Potential energyEnergy transductions accomplish work,Nutrients in environment(complex molecules such as sugars,fats)SunlightChemical synthesisMechanical workOsmotic and electrical gradientsHeat productionGenetic information transfer,The energy needs of virtually all organisms are provided,directly or indirectly,by solar energy,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,能量传递,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,ATP,ADP,CO2+H2O,(CH2O)+O2,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,NAD+,NADP+,FMN and FAD are the commonly used electron carriers.NAD+and NADP+are dinucleotides able to accept/donate a hydride ion(thus with 2e-)for each round of reduction/oxidation.NAD+and NADP+can easily diffuse out of the enzymes.NAD+generally functions in catabolic reactions,whereas NADPH is always part of an anabolic reaction.,NAD:Nicotinamide Adenine DinucleotideNADP:Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate,Nicotinamide,FMN:Flavin MonoNucleotide FAD:Flavin Adenine Dinucleotide,Reactive sites,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,第二节 新陈代谢研究方法,一、同位素示踪法（胆固醇分子中C原子来源于乙酰 辅酶A）二、酶抑制剂的应用（酵母的酒精发酵）三、气体测量法（味精发酵中发酵液内谷氨酸含量）四、核磁共振波谱法（人体前臂肌肉P谱峰值）五、利用遗传缺陷症研究代谢途径（缺乏-半乳糖苷酶的E.coli）,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（system）、环境(surroundings)、状态(status)能的两种主要形式 热(heat)、功(work)热力学第一定律和内能(internal energy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(free energy),1、体系、环境、状态,开放体系物质交换、能量传递封闭体系无物质交换隔离体系无物质交换、能量传递,体系,热无序运动功有序运动,2、能的两种主要形式 热与功,3、内能(internal energy)、焓(enthalpy),热力学第一定律内能体系内部质点能量的总和，为体系状 态的函数，U or E。焓为一个体系的内能与其全部分子的压力 和体积总变化之和，亦为体系状态的函 数，H。H U PV,4、热力学第二定律和熵(entropy),热力学第二定律熵代表一个体系质点散乱无序、能量分散 程度的状态函数，S。热力学第二定律就是著名的熵定律，它指在一个封闭的系统里，能量总是从高的地方流向低的地方，系统从有序渐渐变成无序（混沌状态），系统的熵最终将达到最大值（宇宙大爆炸）。这是一个不可逆的过程。熵的极大值或极小值都预示着生命的死亡。,二、自由能（free energy）,物理意义：*(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：G0，反应不能自发进行 G=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=H-TS2、化学反应自由能变化与平衡常数的关系3、偶联化学反应G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,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：,G o=-RT ln Keq=-2.3038.314 10-3 311 log19-1,G=G+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314 10-3 311 log0.1-1,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 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 G是多少？,例题：,3、偶联化学反应G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 G=+20.92 KJ/mol B=D G=-33.47 KJ/mol 则 A=C+D G=-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、G是 pH为7.0时的标准自由能变化。4、根据国际单位制(Le Systeme international Unit，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,D,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（G=-30.5千焦/摩尔）。,ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+G-30.5kJMOL-1,For most enzymatic reactions that involve ATP as phosphoryl group donor,the true substrate is MgATP2-,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,ATP provides energy by group transfer(donating a Pi,PPi or AMP to form covalent intermediates),not by simple hydrolysis,ATP energizes active transport and muscle contraction.In the firefly,ATP is used in a set of reactions that convert chemical energy into light energy.In the lab,as little as a few picomoles(10-12 mol)of ATP can be measured using firefly luciferin and luciferase(荧光素酶),using spectroscopic methods.,In the firefly,ATP is used in a set of reactions that convert chemical energy into light energy,ATP is not a long-term storage form of free energy in living cells,being consumed within a minute following its formation(phosphocreatine(磷酸肌酸)act as a energy storage form for longer term).The concentration of ATP remains constant,because the rate of ATP consumption equals its rate of synthesis.A resting human consumes about 40 kg of ATP in 24 hours!,References,Alberty,R.A.(1994)“Biochemical thermodynamics”Biochim.Biophys.Acta,1207:1-11.Frey,P.A.and Arabshahi,A.(1995)“Standard free energy change for hydrolysis of the a-b phosphoanhydride bridge in ATP”Biochemistry,34:11307-11310.Westheimer,F.H.,(1987)“Why nature chose phosphates”Science,235:1173-1178.Kornberg,A et al.(1999)“Inorganic polyphosphate:a molecule of many functions”Annu.Rev.Biochem.68:89-125.,