生命科学导论-能量及代谢2012-4.ppt

代谢：发生在生物体内全部的化学物质和能量的转化过程。同化作用与异化作用组成了新陈代谢的两个方面。 同化作用或合成代谢：生物体将简单小分子合成复杂大分子并消耗能量的过程。光合作用是最典型的同化作用过程。 异化作用或分解代谢：生物体将复杂化合物分解为简单小分子并放出能量的反应。细胞呼吸是最重要的异化作用过程。 在细胞或生物体内，异化作用释放的能量常常被用来供给同化作用，这种放能反应与吸能反应之间能量的转移称为能量代谢的偶联。 新陈代谢也可以分为物质代谢与能量代谢两个方面。 伴随着能量的流动，这些代谢反应基本都发生在生物膜（如类囊体膜和线粒体膜）上，还都需要酶的催化作用。 二、热力学定律 三、细胞的能量通货—ATP 仲夏的夜晚，萤火虫是如何利用ATP来发光的？ 发光细胞有荧光素酶（E-LH），酶促反应使ATP与E-LH先偶联，偶联的高能中间产物E～LH2-AMP在氧气存在时可释放出能量，并以荧光的形式发射出来： ATP + E-LH → E～LH2-AMP + Pi E～LH2-AMP + O2 → E-P + CO2+ hu (荧光） 第二节 生物催化剂-酶 二、酶的催化作用机制 三、影响酶活性的因素 四、酶的辅助因子和辅酶 第三节 生物代谢 在细胞极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应。 新陈代谢简称代谢，是生物体内所有生物化学反应和能量转换过程的总称。代谢也是生命最基本的特征之一。 在细胞这个微小的体系中，物质代谢总是伴随着能量的转化。细胞利用呼吸作用放出的能量（ATP）完成各种各样的工作。 细胞不是一个装满了各种酶和反应物的口袋，细胞复杂的结构特别是膜的结构固定了各代谢反应的空间和时间，使它们高度有序并可以控制和调节。 细胞的代谢像一个经过精心制作的复杂道路交通图。 长期的进化过程中，生物体获得了对生物代谢精密的调控机制。酶的调节是其中最基本的代谢调节。 我们可以把活细胞看作是一个微小化学工业园。在这个化学工业园中发生着各种称之为生物代谢的化学反应。 生物代谢的作用包括： （1）从环境和不同器官部位获得营养物质，又将代谢废物和热输出到环境中。 （2）将营养物质分解成自身代谢需要的有机化合物分子或组成生物大分子的前体分子或构件。 （3）合成细胞内的生物大分子（生物聚合物）。 （4）为生命活动提供能量。 （5）细胞核中的遗传物质（基因）最终对各种反应起控制作用，细胞核类似于一个控制中心。 生物代谢是发生在生物体内全部的化学物质变化和能量转化过程，是生命区别于非生命的基本特征之一。 二、氧化-还原反应 氧化-还原反应实质是电子的得失反应：获得电子的过程是还原反应，失去电子的过程是氧化反应。失去电子的物质为还原剂，得到电子的物质是氧化剂。 细胞中氢及其电子从一个化合物向另一个化合物转移时发生氧化-还原反应，被转移的电子所携带的能量便贮存在新的化学键中。 如： XH2 (还原型底物)＋NAD+→X(氧化型产物)＋NADH＋H+ XH2 (还原型底物)＋NADP+→X(氧化型产物)＋NADPH＋H+ XH2 (还原型底物)＋FAD →X(氧化型产物)＋FADH2 还原态的NADH、NADPH和FADH2等还可将所接受的电子和氢传递给其他传递体如细胞色素、辅酶Q等。 电子的传递必须由低氧化-还原电位（E0）物质向高氧化还原物质传递。氧化-还原电位又称为标准还原电位,它是以氢电极为标准并以氢原子氧化-还原体系的E0值为对照来反映还原剂失去电子能力大小的电位差值。在有电子转移的代谢反应中，氧化-还原电位的改变（ΔE0）与标准自由能的改变（ΔG）成正比。 细胞呼吸过程是一个氧化-还原反应。 三、其他常见的代谢反应 常见的生物代谢反应还包括基团转移反应、碳键的形成和断裂反应、水解反应、消除反应、重排反应等。 在酶的调节催化作用下，细胞内各类代谢反应能否发生取决于反应前后标准自由能的变化（ΔG）。反应前后标准自由能的变化（ΔG ）与该反应的化学反应平衡常数（Keq）相关。化学反应平衡常数是在标准状态条件下一个化学反应达到平衡时产物与反应物浓度的比值。 ΔG ＝ -RTlnKeq 即使ΔG 0，并不等于反应就一定能自发进行，还需要酶的催化作用来降低启动代谢反应所需的活化能和提高反应的速率。 第四节 细胞呼吸 细胞呼吸是生物体获得能量的主要代谢途径。 细胞呼吸是一种氧化反应，细胞呼吸与汽油燃烧本质上都是氧化有机质产生能量： 有机化合物 + O2 → CO2 + 能量 细胞呼吸消耗的“燃料”可包括糖类、脂肪、蛋白质等多种“食物分子”。 细胞呼吸是在复杂的细胞体系中（主要在线粒体中）进行的，在温和条件和酶的参与和调控下，能量逐步按需释放，没有剧烈的发光发热现象，细胞呼吸能量的转化和利用效率很高。