生化生物能学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

5 5 生物能学与代谢总论生物能学与代谢总论第1页自由能自由能（Free Energy)Free Energy)自由能自由能(G)(G)：指一个反应体系中：指一个反应体系中能够做功能够做功那部分能量。那部分能量。自由能对生物体主要，不但可用以判断生物体内某自由能对生物体主要，不但可用以判断生物体内某一过程一过程能否自发进行能否自发进行，且生物体内能用于作功能也，且生物体内能用于作功能也正是体内正是体内生物化学反应释放出自由能生物化学反应释放出自由能。18781878年，年，Josiah Willard GibbsJosiah Willard Gibbs结合热力学第一和结合热力学第一和第二定律，提出了自由能公式：第二定律，提出了自由能公式：G=G=H-TH-TS SG G代表体系自由能改变，代表体系自由能改变，H H代表体系热焓改变，代表体系热焓改变，S S代表熵改变。代表熵改变。第2页自由能改变自由能改变自由能改变自由能改变(G)(G)：产物自由能与反应物自由产物自由能与反应物自由能之差能之差，与反应转变过程无关。，与反应转变过程无关。标准自由能改变标准自由能改变(G(G0 0)：298K298K，101.3KPa101.3KPa，反，反应物浓度为应物浓度为1mol/L1mol/L。生化反应中标准自由能改变生化反应中标准自由能改变(G(G0 0)：298K298K，101.3KPa101.3KPa，反应物浓度为，反应物浓度为1mol/L1mol/L，pH=7pH=7。第3页如如 A+B C+DA+B C+D G=(GG=(GC C+G+GD D)-(G)-(GA A+G+GB B)G=GG=G0 0+RTlnCD/AB+RTlnCD/AB G0 G0G0 反应反应不能自发不能自发进行，需要提供能量进行，需要提供能量 自由能改变与生物化学反应自由能改变与生物化学反应反应反应G G仅决定于反应物（初始状态）自由能与产物（最终状态）自有能，而仅决定于反应物（初始状态）自由能与产物（最终状态）自有能，而与反应路径和反应机制无关。与反应路径和反应机制无关。G G是判断一个化学反应能否向某个反向进行依据，而与反应速度无关。是判断一个化学反应能否向某个反向进行依据，而与反应速度无关。第4页氧化还原电位氧化还原电位氧化还原反应氧化还原反应：凡是反应中有电子从一个物质转移：凡是反应中有电子从一个物质转移到另一个物质化学反应。到另一个物质化学反应。提供电子分子称为提供电子分子称为还原剂还原剂接收电子分子称为接收电子分子称为氧化剂氧化剂物质失去电子后，成为物质失去电子后，成为氧化型氧化型氧化型再得到电子又成为氧化型再得到电子又成为还原型还原型氧化还原电位（氧化还原电位（E E）：）：在氧化还原反应中，自由能改在氧化还原反应中，自由能改变与反应物供出或得到电子趋势成百分比，这种趋变与反应物供出或得到电子趋势成百分比，这种趋势用数字表示，称为。势用数字表示，称为。第5页E E和和E E标准氧化还原电位标准氧化还原电位E E：在：在25 25，pHpH0 0，压力，压力101.3KPa101.3KPa和全部反应物、生成物浓度为和全部反应物、生成物浓度为1mol1molL L-1-1半反半反应电极电位。应电极电位。E E：pHpH7 7时标准氧化还原电位时标准氧化还原电位E E=标准氧化电极电位标准还原电极电位标准氧化电极电位标准还原电极电位E E值越小，电负性越大，供出电子倾向越大，即还原能力值越小，电负性越大，供出电子倾向越大，即还原能力越强越强E E值越大，电正性越大，得到电子倾向越大，即氧化能力值越大，电正性越大，得到电子倾向越大，即氧化能力越强越强电子总是从较低氧化还原电位（即电子总是从较低氧化还原电位（即E E值较小）向高电位流值较小）向高电位流动（即动（即E E值较大）值较大）第6页氧化还原电位与自由能氧化还原电位与自由能GG -nFE-nFEn n转移电子数转移电子数F F法拉第常数（法拉第常数（96.403kJ96.403kJmolmol-1-1）在生物化学反应中，这种自由能改变意味着一在生物化学反应中，这种自由能改变意味着一个体系能够转移电子能力。个体系能够转移电子能力。第7页一、生物氧化反应中电子载体一、生物氧化反应中电子载体二、二、ATPATP在生物能学中作用在生物能学中作用三、新陈代谢三、新陈代谢四、代谢中常见有机反应机制四、代谢中常见有机反应机制第8页NAD+NADHNADP+NADPHFADFADH2FMNFMNH2CoASHTPP辅酶辅酶（氧化型氧化型）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）辅酶辅酶（还原型还原型）辅酶辅酶（氧化型氧化型）辅酶辅酶（还原型还原型）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（氧化型氧化型）黄素腺嘌呤二核苷酸（黄素腺嘌呤二核苷酸（还原型还原型）黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（氧化型氧化型）黄素单核苷酸（黄素单核苷酸（还原型还原型）辅酶辅酶A焦磷酸硫胺素焦磷酸硫胺素一、生物氧化反应中电子载体一、生物氧化反应中电子载体p260第9页辅酶辅酶（NAD+）辅酶辅酶（NADP+）以以一个一个H H+和和2 2个电子个电子（氢负（氢负离子离子H H-）形式将自有能转）形式将自有能转移给生物合成需能反应移给生物合成需能反应烟酰胺（氧化型）烟酰胺（氧化型）烟酰胺（还原型）烟酰胺（还原型）烟烟酰酰胺胺腺腺嘌嘌呤呤二二核核苷苷酸酸NAD+（烟酰胺嘌呤二核苷酸）（烟酰胺嘌呤二核苷酸）和和NADP+（烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸烟酰胺嘌呤二核苷酸磷酸）第10页AH2+NAD+A+NADH+H+乙醇乙醇乙醛乙醛醇脱氢酶醇脱氢酶NAD+搜集分解代谢释放搜集分解代谢释放电子电子和产生能量和产生能量氧化性分解代谢氧化性分解代谢相关相关接收一个接收一个H H+和和2 2个电子（个电子（2e2e）第11页NADPH为合成代谢提供为合成代谢提供还原力还原力还原型底物还原型底物合成代谢合成代谢分解代谢分解代谢氧化型前体氧化型前体氧化型产物氧化型产物还原型产物还原型产物第12页FMN（黄素单核苷酸）（黄素单核苷酸）和和FAD（黄素腺嘌呤二核苷）（黄素腺嘌呤二核苷）6,7-二甲基二甲基异咯嗪异咯嗪核核黄黄素素核糖醇核糖醇第13页FMN+2HFMNH2FAD+2HFADH2参加一个电子或两个电子传递参加一个电子或两个电子传递氧化型氧化型黄色黄色还原型还原型无色无色半醌型半醌型蓝色蓝色半醌型半醌型第14页辅酶辅酶A在能量代谢中作用在能量代谢中作用p306p306-巯基乙胺巯基乙胺泛酸泛酸泛泛酰酰巯巯基基乙乙胺胺焦磷酸焦磷酸活性部位活性部位-SH-SH在酶促转乙酰基反应在酶促转乙酰基反应中，起着中，起着接收或提供酰基接收或提供酰基作用。作用。高能硫酯键高能硫酯键第15页二、二、ATP在生物能学中作用在生物能学中作用高能键高能键形成或打断一个键要释放或形成或打断一个键要释放或消耗较多能量；消耗较多能量；稳定键稳定键生物化学：生物化学：含有高磷酸基团转移势能或含有高磷酸基团转移势能或水解时释放较多自由能磷酸水解时释放较多自由能磷酸酐键或硫酯键；酐键或硫酯键；不稳定键不稳定键普通化学：普通化学：高能磷酸键高能磷酸键：生化中将磷酸化合物水解时释出：生化中将磷酸化合物水解时释出能量能量20KJ/mol者所含磷酸键称为高能磷酸键，惯用者所含磷酸键称为高能磷酸键，惯用P表示，含有高能键化合物称为表示，含有高能键化合物称为高能化合物高能化合物(highenergycompound)。第16页1.1.生物体中高能化合物类型生物体中高能化合物类型胍基磷酸化合物：胍基磷酸化合物：磷酸肌酸磷酸肌酸酰基化合物：酰基化合物：乙酰磷酸乙酰磷酸烯醇式磷酸化合物：烯醇式磷酸化合物：磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸焦磷酸化合物：焦磷酸化合物：腺苷三磷酸腺苷三磷酸硫酯键化合物：硫酯键化合物：乙酰辅酶乙酰辅酶A A甲硫键化合物：甲硫键化合物：S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸磷氧键型磷氧键型-O-OP P磷氮键型磷氮键型-N-NP P硫碳键型硫碳键型-C-CS S第17页ATP提供以下四方面对能量需要：提供以下四方面对能量需要：提供生物合成做化学功时所需能量提供生物合成做化学功时所需能量是生物体活动以及肌肉收缩能量起源是生物体活动以及肌肉收缩能量起源供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞供给营养物逆浓度梯度跨膜运输到机体细胞内所需自由能内所需自由能在在DNA、RNA和蛋白质等生物合成中，确保和蛋白质等生物合成中，确保基因信息正确传递基因信息正确传递第19页Firefly Flashes:Glowing Reports of ATP氧合虫荧光素氧合虫荧光素荧光素酶荧光素酶虫萤光素虫萤光素再生反应再生反应Thefirefly,abeetleoftheLampyridaefamily.萤火虫，萤科甲虫萤火虫，萤科甲虫萤光素化腺苷酸萤光素化腺苷酸 萤光素化腺苷酸萤光素化腺苷酸 萤火虫萤火虫荧光素荧光素 第20页酸酐键酸酐键磷脂键磷脂键2.ATP2.ATP结构结构ATP4-+H2O ADP3-+Pi2-+H+ATP4-+H2O AMP2-+PPi3-+H+G=-30.5KJmol-1G=-33.1KJmol-1ATPATP分子分子内约有内约有4 4个负电荷个负电荷第21页不稳定原因：不稳定原因：1、静电斥力静电斥力：ATP在生理在生理pH条件下，几乎条件下，几乎完全水解为完全水解为ATP4-离子，离子，即带有即带有4个负电荷，负个负电荷，负电荷空间距离靠近，产电荷空间距离靠近，产生很强斥力。生很强斥力。2、相反共振现象相反共振现象：氧原子存在未共用电子，氧原子存在未共用电子，而磷原子带部分正电荷，而磷原子带部分正电荷，两个相邻磷原子之间存两个相邻磷原子之间存在竞争酯键氧原子上未在竞争酯键氧原子上未共用电子现象。共用电子现象。第22页第23页ATPATP在生理条件下与镁离子等二价金属阳离子螯合在生理条件下与镁离子等二价金属阳离子螯合第24页（1）细胞放能反应和吸能反应主要化学偶联物）细胞放能反应和吸能反应主要化学偶联物（2）磷酸基团转移反应中间载体）磷酸基团转移反应中间载体传递能量传递能量（ATP磷酸基团转移势能处于中间位置）磷酸基团转移势能处于中间位置）能量交换中枢能量交换中枢ADP+Pi+能量能量-ATPATP-ADP+能量能量+Pi3.ATP在能量转换中作用在能量转换中作用第25页ATPppppp3-3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-3-磷酸甘油磷酸甘油磷酸肌酸（磷酸贮备物）磷酸肌酸（磷酸贮备物）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能/（4.18KJ/mol4.18KJ/mol）0 02 24 46 68 81010121214141616ATPATP作为磷酸基团共同中间传递体示意图作为磷酸基团共同中间传递体示意图第27页1,3-1,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸3-3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸烯醇式烯醇式 酮式酮式第28页4.4.磷酸肌酸和磷酸精氨酸磷酸肌酸和磷酸精氨酸(无脊椎动物无脊椎动物)及其它贮能物质及其它贮能物质磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸肌酸肌酸 磷酸肌酸是肌肉或其它兴磷酸肌酸是肌肉或其它兴奋性组织（如脑和神经）中一奋性组织（如脑和神经）中一个高能磷酸化合物，是高能磷个高能磷酸化合物，是高能磷酸基暂时贮存形式。在肌肉细酸基暂时贮存形式。在肌肉细胞中维持胞中维持ATPATP高水平。高水平。第29页磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖肌肉收缩肌肉收缩能量能量传递传递磷酸原：磷酸原：以高能磷酸形式贮能物质以高能磷酸形式贮能物质第30页 又称物质代谢，指生物与周围环境进行物质交换又称物质代谢，指生物与周围环境进行物质交换和能量交换过程。和能量交换过程。生物体新生物体新陈代谢陈代谢生物大分子分解为生物小分子生物大分子分解为生物小分子释放能量（用于合成代谢和生理及运释放能量（用于合成代谢和生理及运动需能）动需能）生物小分子合成为生物大分子生物小分子合成为生物大分子需要能量（来自分解代谢及光、热等）需要能量（来自分解代谢及光、热等）分解代谢（异化作用）分解代谢（异化作用）合成代谢（同化作用）合成代谢（同化作用）物物质质代代谢谢三、新陈代谢三、新陈代谢第31页分解代谢和合成代谢路径间能量关系分解代谢和合成代谢路径间能量关系分解代谢分解代谢(氧化、放能氧化、放能)合成代谢合成代谢(还原、吸能还原、吸能)糖类糖类脂肪脂肪蛋白质蛋白质细胞大分子细胞大分子产能营养素产能营养素蛋白质蛋白质多糖多糖脂类脂类核酸核酸氨基酸氨基酸糖糖脂肪酸脂肪酸碱基碱基前体分子前体分子第32页第33页第34页Thethreestagesofcatabolism.StageI:Proteins,polysaccharides,andlipidsarebrokendownintotheircomponentbuildingblocks,whicharerelativelyfewinnumber.StageII:Thevariousbuildingblocksaredegradedintothecommonproduct,theacetylgroupsofacetyl-CoA.StageIII:Catabolismconvergestothreeprincipalendproducts:water,carbondioxide,andammonia.ThePathwaysofCatabolism（分解代谢）（分解代谢）ConvergetoaFewEndProducts第36页代谢路径中酶组成模式代谢路径中酶组成模式第37页TheATPcycleincells（水解）（水解）光合作用光合作用分解代谢分解代谢（渗透）（渗透）第38页分解代谢全图分解代谢全图第40页四、代谢中常见有机反应机制四、代谢中常见有机反应机制基团转移反应基团转移反应氧化还原反应氧化还原反应消除、异构化和重排反应消除、异构化和重排反应碳碳键形成或断裂反应碳碳键形成或断裂反应生物化学中反应大致可归纳为四类生物化学中反应大致可归纳为四类第41页