第十九章 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

。思考

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

第五节 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、能量交换和信息交换的过程。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

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

能量代谢

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

ATPADP

CO2

+H2O

(CH2O)

+O2

ATPADP

（光 能）

（电 能）

（化 学 能）

（化 学 能）

（电 能）

（化 学 能）生物合成机 械 功主动运输生物发光生物发电生物发热

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

基团转移反应

氧化 - 还原反应

消除、异构化和重排反应

碳 - 碳键的形成与断裂反应

第二节 新陈代谢研究方法

一、同位素示踪法

二、酶抑制剂的应用

三、气体测量法

四、核磁共振波谱法

五、利用遗传缺陷症研究代谢途径

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、环境、状态

能的两种形式 — 热与功

热力学第一定律和内能 (internal energy) 、焓 (enthalp

y)

热力学第二定律和熵 (entropy)

自由能 (free energy)

二、自由能（ free energy ）物理意义：－ Δ Ｇ＝Ｗ * ( 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：

ΔG<0 ，反应能自发进行

ΔG>0 ，反应不能自发进行

ΔG=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

Δ Ｇ =ΔH-TΔS

2 、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系

3 、偶联化学反应 ΔG°′ 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

假设有一个化学反应式： aA + bB = cC + dD 恒温恒压下： ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc 式中： ΔG°′= - RTlnKeq

例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

ba

dC

C BA

DCQ

][][

][][

ΔG′ — 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的 pH和温度而改变的自由能变化。 Qc - 浓度商：

ba

dC

BA

DCKeq

][][

][][

ΔG°′ — 标准条件（ T=298OK, 大气压为 1atm, 反应物和生成物浓度为 1mol/L,pH=7.0 ）下，化学反应自由能的变化。 Keq - 平衡常数：

化学反应自由能的变化和氧化 - 还原电势的关系

氧化 - 还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下： ΔG°′= － nFΔE°′

任何一个氧化 - 还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化 - 还原物质连在一起，都可以有氧化 - 还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原 (E0) ，电池的标准电动势可用下

式计算： 0 （ ΔE0 ） = E0 正极 -E0 负极 生物体内的氧化还原物质在进行氧化 - 还原反应时，基本原理

和原电池一样。

例：计算NADH 氧化反应的 ΔG°′

氧化 - 还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

0 （ ΔE0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq

原电池示意图

ΔE0 = E0 正极 -E0 负极 =+0.34V -(-0.76V)=+1.10V

负极反应 : Zn=Zn2++2e E0 Zn2+

/ Zn= - 0.76V

正极反应 : Cu=Cu2++2e E0 Cu2+

/ Cu=+ 0.34V

检流计

盐桥

ZnSO4 CuSO4

e +-

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：

ΔG°′= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1

ΔG′=ΔG°′+ RTlnQc (Qc- 浓度商 ) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-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 Δ 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 Δ G 是多少？

例题：

例题：计算下反应式 ΔG°′

NADH+H++1/2O2====NAD++H2O

正极反应： 1/2O2+2H++2e H2O E+°′ 0.82

负极反应： NAD++H++2e NADH E-°′ -0.3

ΔG°′-nFΔE°′ -2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220 KJ·mol-1

3 、偶联化学反应 ΔG°′ 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 ΔG°′= + 20.92 KJ/mol B = D ΔG°′= - 33.47 KJ/mol 则 A = C + D ΔG°′= - 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 、 ΔG°′ 是 pH 为 7.0 时的标准状况下的的标准自由能。

4 、根据国际单位制 (Le Systeme international Unut ，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

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（ ΔG°′=-30.5 千焦 /摩尔）。

ATP4- + H2O ＝ ADP3- + Pi2- + H+ G ＝ -30.5kJ•MOL-1

ATP3- + H2O ＝ ADP2- + Pi3- + H+ G ＝ -33.1kJ•MOL-1

腺嘌呤—核糖— O — P — O — P — O — P — O-

O O O

O- O- O-

+ ++

Mg2+

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

～ P～ P

～ P

～ P

ATP～ P

0

2

10

8

6

4

12

14

磷酸基团转移能

磷酸烯醇式丙酮酸

3- 磷酸甘油酸磷酸

磷酸肌酸（磷酸基团储备物）

6- 磷酸葡萄糖

3- 磷酸甘油