代谢总论与生物能学

放能反应,ΔG为负值; 吸能反应,ΔG为正值
二、细胞需要自由能
细胞是等温体系,它们在一个基本恒定的温 度和压力下行使功能。由于热只能从高温物 体向低温物体传递才能做功,所以热的流动 不是细胞的能量来源。
细胞能够而且必须利用的能量是自由能
太阳能是所有生物最根本的能量来源。异养细 胞、光合细胞能将营养物或太阳能转化成ATP和 其他富含能量、能在恒温下做功的化合物。
生物体用于作功的能量正是体内化 学反应释放的自由能，其通过生物氧 化产生能量并提供给有机体利用。 自由能可以用来判断机体内某一过程 能否自发进行。
三、化学反应中自由能的变化和意义 化学能的转化:
指化学物质所含的能量在其化学反应时转 化成其它形式的过程。
葡萄糖 在体外燃烧释放能量为 2868.8 kJ/mol 在体内 能量逐步释放
有遵循结构-功能范例的蛋白质。这些所谓的内在无
序蛋白质无论整体或部分均不能折叠,但它们是具有 功能的。
真核生物或多细胞生物体,其数量可达到整个蛋白质组的30% 或40%。 但信号蛋白质组（将信号传给其他蛋白的蛋白质）的序列是 内在无序的,其数量高达60-70%。 似乎存在一种职责分工。结构蛋白参与了催化和运输。内部 无序蛋白对于信号传导和调控是非常重要的。
标准自由能的变化，在标准条件下等于 产物和反应物的自由能之差
A
B
C
<0 有能量释放，自发正向进行 ＝0 反应处于平衡状态 >0 吸能反应，逆向进行
有机化合物所含的自由能取决于化合 物中所含基团的能量，一般来说，不
稳定、活泼的化学基团常具有较高的
自由能。
3.实际自由能的变化取决于 反应物和产物的浓度 细胞内反应物与产物的浓度始终处于变化 状态，在非标准状态下，生化反应中的自 由能变化ΔG'的计算： ΔG'=2.303RT· log [产物] -2.303RT· log· K平
+2H 2e -2H 2e
FMNH2
O OH
FAD
+2H 2e -2H 2e
FADH2
OHOHOH N N
5
CH2CHCHCHCH2OPOH CH3 CH3
8 7 6 9 10
N
1 2C O 3 4 NH
C
O
功能 ： 在脱氢酶催化的反应中 , 起电子和
质子的传递作用 , 是一些氧化还原酶 - 黄素
焓(H):热含量，J/mol
放热反应：产物的热含量比反应物的热含量
低，ΔH是负值 热力学第一定律：任何物理或化学变化中， 能量的形式可变化，但能量总量恒定。
热力学第二定律：宇宙总是趋向越来越无序,
而 熵(S)：系统处于无序状态时的能量，
热力学的这两个定律可以用自由能变化使其 联系起来。
自由能的概念 自由能是一个化合物分子结构中所固有的能 量，是一种能在恒温恒压下做功的能量。自 由能的热力学表达式为：
电子受体
-2H -2e
+2H +2e +2H +2e
NADH + H+
电子供体
NADPH+ 氧化型
NADPH + H+ 还原型
NAD+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,又称辅酶I，CoI) NADP+ (烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,又称辅酶II，
CoII )
辅酶I、辅酶II是氧化还原酶 (脱氢酶)的辅酶, 通过吡啶环可逆的进行氧化还原反应 , 起着递 氢和递电子的作用 , 同时 NAD+ 又是呼吸链递氢 过程中的一员 , 参与能量代谢 , 也是 DNA 连接酶 的辅酶。
在标准条件下, 产物和反应物在反应初始时 的浓度都为1mol/L, 或比值=1, 则式（1）为
ΔG = RT· In1 - RT· In· Keq =2.303RTlog1–2.303RT· K平 = - 2.303 RT logK平 在标准条件下, ΔG 以 即： 表示
（ 2）
反应自由能的变化不仅与产物、反应物浓度 有关,还与反应时的温度、pH有关。
乙酰CoA
+Pi
磷酸化 电子传递 （氧化）
e-
三羧酸循环
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并释放 出大量能量，其 中一部分通过磷 酸化储存在ATP 中。
机体在分解代谢中产生自由能的过程大致可 分为3个阶段：
第一阶段:由营养物的大分子如淀粉、蛋白质、
脂肪等分解成较小的分子如葡萄糖、氨基酸、 脂肪酸等；
2012年诺贝尔化学奖授予两美国科学家
10月10日下午,2012年诺贝尔化学奖在瑞典斯德哥尔 摩揭晓。美国科学家罗伯特· 莱夫科维茨和布赖恩· 科比
尔卡因在G蛋白偶联受体领域做出的卓越贡献,分享 了这一奖项。 G蛋白偶联受体是一大类膜蛋白受体的统称，其作为 一种信号通路和激素受体,能够接受信号,且能参与多 种细胞信号转导过程。简单地说,人们目可视物、鼻可 嗅闻、唇舌间可有酸甜苦辣萦绕,实现这些功能的与其 说是器官,不如说是器官上的各种细胞,但真正完成 “感知”这项工作的,是分布在细胞膜上的特殊蛋白 质——G蛋白偶联受体。
一、氧化还原反应与氧化还原电势
氧化还原反应
标准氧还电势 -0.412V 电子供体 电子受体 +0.77V
电子流动方向
电子总是从低电位向高电位流动
标准氧化还原电势
一个氧化还原对失去电子和得到电子的倾 3+ 向。如 Fe2+失去电子或Fe 得到电子的倾向, 称作氧化还原电势或氧化还原电位(E)。 生物体内的氧化还原对标准电势规定： pH7、氧化型和还原型的浓度为1.0mol/L、 25℃,在这样的标准条件下与标准氢电极偶 联,测得的标准氧化还原电势用 表示。
G = H-TS
（1）
G:自由能；H:焓,以热表示的能量；T:绝对温度；S:熵
所有自发的过程总伴随着自由能的降低
就化学反应来说,自由能的释放或利用体现 了产物与反应物之间自由能的差别：
Δ G = G产物 – G反应物
根据式（1）
（2 ）
Δ G =（H-TS）产物 –（H-TS）反应物
=（H产物-H反应物）-T（S产物-S反应物）
NH2 CONH2 O O N
+ -
N N
N
O
CH2OPOPOCH2 N O O O OH OH
OH
OH(OPO3H2)
2．FMN、FAD
维生素B2又名核黄素，由核糖醇和7，8-二甲基异 咯嗪两部分组成。 FMN 黄素单核苷酸
VitB2
FAD
黄素腺嘌呤二核苷酸

异咯嗪1,5位N原子上可加氢及脱氢,易起氧化 还原反应。 FMN
=Δ H-TΔ S
ΔG : 反应体系中自由能的变化；
（3）
ΔH：反应体系中热含量或焓的变化
ΔS：该体系反应前后熵的变化，自然界ΔS 总是正值
Δ G =Δ H-TΔ S
（3）
一个自发进行的反应系统的ΔG总是负的； 当反应进行到平衡状态时，无自由能的变 化，即Δ G=0，故从处于平衡状态反应中不
能得到做功所需的能量
2.营养物质转变为自身的结构元件 3.结构元件装配成生物大分子 4.形成或分解生物体特殊功能的生物大分子 5.提供生命活动所需的一切能量
代谢: 包括分解代谢与合成代谢
异化作用
物 质 代 谢
能 量 代 谢
同化作用
同化作用: 小分子合成大分子; 需要能量
代 谢
物质代谢
能 量 代 谢
异化作用: 大分子分解成小分子;释放能量
[反应物]
=
[产物] +2.303RT· log [反应物]
[产物] < [反应物]，则ΔG'<0
4.偶联化学反应标准自由能变化的可加性
1 、 A
2 、 B
B+C
D C+D
= + 5 kcal/mol
= - 8 = - 3 kcal/mol kcal/mol
总
A
偶联化学反应各反应的标准自由能变化是可以 相加的, 因此, 总的标准自由能变化等于各步反 应自由能变化的总和。且
第二节 生物氧化还原反应中的 自由能变化
生物氧化的定义
糖、脂、蛋白质等有机物在活细胞内氧化 分解,产生CO2和H2O,并释放出能量的过程 各个物质氧化的途径不同,但脱下的氢和电子 最终传递给氧,并生成水的过程是相同的。电 子传递过程由一系列的氧化还原反应组成,氧 化还原反应中释放出能量推动ATP合成。
分解代谢：将从外界摄取或自身储存
的有机营养物,通过一系列反应转变为
较小的、较简单的物质的过程
合成代谢：生物体利用小分子或大分 子的结构元件合成自质
大分子化合物 分解成小分子
脂肪酸、甘油
葡萄糖、 其它单糖
氨基酸
小分子转化成 共同的中间产 物（如丙酮酸、 乙酰CoA等）
第二阶段:小分子进一步转变为少数几种共同 物质如乙酰辅酶A等； 第三阶段:由柠檬酸循环(产生NADH和FADH2)和
氧化磷酸化产生大量的ATP,这是产能的主要阶 段。
新陈代谢的调节
整体水平
激素调节 神经调节
细胞水平
酶量的调节
分子水平
酶的调节
酶活的调节
控制代谢反应速度的几种方式
别构调节：效应物对限速酶活性的调节 酶活的调节 共价修饰调节：对酶结构修饰的调节 如：磷酸化、去磷酸化
细胞内生物化学反应的pH值、水的浓度基本恒 定，所以对生理条件下的标准自由能做了规定 除H 和水外, 反应物和产物的浓度仍为1mol/L, [H ]=10 mol/L, 水的浓度为55.5mol/L。
生化体系标准自由能变化用
表示
（ 3）