09生物能量学原理s.ppt

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1、1,生物能量学原理,- 生物能量学与热力学 - 磷酰基转移和ATP - 生物氧化-还原反应,(细胞)呼吸 一般而言，呼吸只不过是碳和氢的缓慢燃烧，与点燃着的灯或蜡烛非常相似，也正是基于这一点，呼吸着的动物实际上就是某种能燃烧及消耗自身的可燃烧体人们很可能惊讶于古代诗人或先哲竟然也没有忽视燃烧与呼吸之间这一惊人的相似：普罗米修斯由天堂窃得火种并非仅仅是诗人的灵感一现，实际上它真实地再现了自然演变的进程，至少就所有能够呼吸的动物而言；由此人们可以认为，生命之炬在婴儿第一次呼吸时就已经点燃了自身，并且将一直燃烧直至生命的终结。 (from a memoir by Lavoisier),LW-1,2,

2、 生物能量学与热力学,Bioenergetics: the quantitative study of the energy transductions that occur in living cells and of the nature and function of the chemical processes underlying these transductions,LW-2,3,Go = - RT ln Keq 其变化取决于反应发生时的条件(人为选择的标准态) - 溶液化学：标准温度为298 K (25)，标准压力为 101.3 kPa (1 atm)，标准溶质浓度1 mol/

3、L条件下 的自由能变化为标准自由能变化Go - 生物化学：标准条件包括H+为10-7 mol/L (pH=7) 而不是1 mol/L (pH=0)，相应地以Go表示在生 物学标准态下的自由能变化,2. 标准自由能变化与反应的平衡常数直接相关,LW-2,(cf. p253),4,一般生化反应 A + B C + D 的实际自由能变化为： G =Go + RT ln 其中：Go为不变的常量，只取决于反应物本身的性质； RT ln (CD/AB) 则是变量，随实际P/S 以及反应温度而变,LW-3,3. 实际自由能变化取决于反应物和产物的浓度,C D,A B,5,即便Go为正值，但只要RT ln (

4、CD/AB)项为负且其绝对值大于Go，则G仍然可以是负值而使反应自发进行,LW-4,因此，判断某一反应的自发性或进行方向的依据是G 而不是Go,推论：- 活细胞中所有能自发进行的反应， 其G值至少应当稍负 - 就不可逆反应而言，其G不仅是 负值，而且绝对值很大,注意：G 0的热力学利好反应在自然条件 下的自发进行可能很慢，需由外界提供 活化能或经由酶促反应以降低其活化能,6,4. (标准)自由能变化是可加合的,LW-5,- 要使偶联的多个反应能够自发进行， 其Gtotal应当是负值 - 一个热力学上的不利反应可以被与之 相偶联的有利反应所推动 (cf. p255),推论, 13.8 kJ/mo

5、l -30.5 kJ/mol,7,小结：生物能量学与热力学 - 生物能量学是生命系统中有关能量相互转化的定量研究， 生物能量的转换同样服从热力学定律 - 化学反应的净驱动力为自由能变化G，可以表达成： G = S - 标准自由能变化Go是给定反应的特征性物理常数，可以由 该反应的平衡常数求得： Go = - RT ln Keq - 实际自由能变化G是一个变量，依赖于Go和反应物及产物 的浓度等：G = Go + RT ln (S/P) - G大而负时反应趋于自发正向进行，大而正时则趋于逆向进 行，等于0时系统即处于平衡状态 - 反应的自由能变化是可加合的，与反应途径和进行速度无关； 偶联反应的

6、总自由能变化等于各个分反应的之和,LW-6,8,1-28,ATP is the shared chemical intermediate linking energy-releasing to energy-requiring cell processes. Its role in the cell is analogous to that of currency in an economy: it is “earned/produced” in exergonic reactions and “spent/consumed” in endergonic ones,The central ro

7、le of ATP in metabolism, 磷酰基转移和ATP,9,13-1,1. ATP水解具有 大而负的自由能变化,- 水解可部分消除ATP分子中的 静电排斥/相反共振作用,- 水解产物Pi (HPO43)具有更大 的共振稳定性(e离域),- 水解中间产物ADP可随即解离 并向H+极低的介质释出H+,- Pi和ADP的溶剂化(水化)作用 要比ATP的相对更大,(cf. Fig 8-4),delocalization,10,13-2/T13-5,Formation of Mg2+ complexes partially shields the negative charges and

8、influences the conformation of the phosphate groups in ATP and ADP,- 细胞中的ATP、 ADP和Pi均不 相同，而且 1.0 M 的标准态,-, 活细胞中的ATP实 际水解G通常更高,(cf. Fig 8-5), -35.7 kJ/mol,11,13-3,not possible in PEP,磷酸烯醇式丙酮酸,可共振稳化, PEP的磷酯键水解可产生烯醇式丙酮酸， 后者随即互变异构成更稳定的酮式丙酮酸,2. 其他磷酸化合物和硫酯也 具有大而负的水解自由能,(cf. Tab. 8-4),G= -41.8 kJ/mol,12,13

9、-4,产物均可共振稳化,1,3-二磷酸甘油酸, 1,3-BPG的酸酐键水解直接产物3-PG可 迅速电离而转化成共振稳化的3-PG盐/酯,13,13-5,磷酸肌酸, PCr的PN键水解可以产生 均能共振稳化的Pi和肌酸 而有利于反应正向进行,14,13-6,- 酯键中的O被S所取代 的硫酯也具有大而负的 Go，是为活化酰基， 广泛存在于转酰基、 缩合及氧-还反应,- 硫酯的共振稳化要比 氧酯的低得多，因而 反应物与其共振稳化的 水解产物之间的自由能 差异要比氧酯的更大, 乙酰-CoA水解,15,13-7, 硫酯和氧酯的水解自由能变化,The products of both types of h

10、ydrolysis reaction have about the same free energy content (G), but thioester has a higher G than oxygen ester: Orbital overlap between O and C allows resonance stabilization in oxygen esters; orbital overlap between S and C is poorer and provides little resonance stabilization,16,T13-6,- 水解产物的自由能低，

11、即 具有很高的基团转移势能,- 释出的Pi的共振形式使之 相对于反应物更为稳定， 从而使已经是负值的自由 能变化更负, 高能化合物共同特点,- 含有易被水解的特定键型 ()，如磷氧，氮磷，硫酯 及甲硫键等,17,- 产物可共振稳化，如PCr释出的肌酸、 酰基磷酸和硫酯释出的羧酸离子、酸酐 或磷酯键释出的Pi,总之，就具有大而负标准自由能变化的水解反应而言，产物均比反应物更为稳定,- 反应物中静电排斥/相反共振形成的键张力 在分解成产物后均可得到缓解，如ATP,- 产物因电离而稳化，如ATP、1,3-BPG 和硫酯(P/S ratio being lower),- 产物因互变异构而稳化，如PEP

12、,LW-7,18,13-8,- ATP的一部分(磷酰基、 焦磷酰基或腺苷酸AMP) 先被转移到某个底物分 子或酶的特定氨基酸残 基上、形成共价连接以 增加后者的自由能,- 该含有磷酸的组分随即被 亲核取代而释出Pi、PPi 或AMP,ATP依赖性的Gln合成酶反应,因磷酰基的存在而更缺e,3. ATP供能主要是 通过基团转移而 不是简单水解,19,Go -30 -33 -14 (kJ/mol),phosphate ester bond,- 其它核苷三磷酸均具有几乎 相同的Go，且彼此之间的 磷酰基团转移常数约为 1， 代谢研究中常以等价的ATP 来评估其消耗,- 高能磷酸键并非指该键本 身具有

13、高能，而是其断裂 生成的产物具有比反应物 更低的自由能,G3.9,20,13-12,- 存在于所有细胞的核苷二磷酸激酶 可以将ATP转化为所需要的(d)NTP,- 在迫切需要ATP时，细胞均可通过 腺苷酸激酶降低ADP而获得ATP： 2ADP ATP + AMP (Go0),ATP + (d)NDP ADP + (d)NTP (Go0),(细胞中相对较高的ATP/ADP总是有利于反应正向进行), 所有细胞都能进行核苷酸之间的转磷酸化,21,13-9,- ATP在细胞内的多种 磷酸原中具有中间值 的磷酰基转移势能， 是为偶联反应中的重 要共享载能中间物 - 磷酰基团的转移均由 激酶催化进行,-

14、磷酰基团P经由ATP 中继从高能供体转移 到受体以形成相应的 低能衍生物，由激酶 催化的这类磷酰基转 移在细胞内条件下总 是伴随总自由能的减 少，而低能磷酸化合 物水解释出的Pi几乎 不再具备任何磷酰基 转移势能, ATP serves as the universal energy currency in all living cells, 25,(cf. Fig 8-6),22,13-10,亲核体可能是醇或羧酸的O、肌酸或Arg/His侧链中的N,eg. GlcG6P R5PPRPP FA activation,腺苷酰化在热力学上是非常利好的：ATP的两个磷酸酐键均被断开,4. ATP可分

15、别提供磷酰基、 焦磷酰基和腺苷酰基,23,LW-8,小结：磷酰基转移和ATP,- ATP自身的结构特点使之具有大而负的标准水解 自由能变化 - ATP是异化和同化代谢的化学连接点，为活细胞 的能量通币，其放能转化( ADP + Pi/AMP + PPi) 可偶联于许多吸能反应和过程 - 在偶联于吸能反应时，ATP通常是通过将其磷酰 基、焦磷酰基或腺苷酰基转移给某一底物或酶分子 的共价结合方式供能的(提高底物自由能) - 细胞还有着其他一些具有大而负水解自由能的代谢 中间物，如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸 和磷酸肌酸等；这些高能化合物和ATP一样都具有 很高的磷酰基转移势能，是为良好的

16、磷酰基供体； 硫酯也具有很高的水解自由能,24, 生物氧化-还原反应,LW-9,The flow of electrons in these reactions is responsible, directly or indirectly, for all work done by living organisms,Oxidation-reduction reactions involve the loss of electrons by one chemical species (oxidized), and the gain of electrons by another (reduced

17、),The path of electron flow in metabolism is complex, involving various specialized electron carriers in enzyme-catalyzed reactions,Cells contain a variety of molecular energy transducers to convert the energy of electron flow into useful work,25,LW-10, 电子流可以做生物功,活细胞具有类似于马达电路的生物电路： 以相对还原态高的化合物(eg. G

18、lc)作为电子源，随着其酶促氧化反应释出的电子流可在电动势(emf)的驱动下自发经由一系列电子载体中间物而流向另一相对氧化态高的化合物(eg. O2)，期间释出的能量则可被各种分子能量转换器(酶和其他蛋白质)利用而做生物功,eg. in mitochondrion: 某些膜结合酶可以将电子流偶联于跨膜pH差的形成以完成渗透功和电功，而由此形成的跨膜H+梯度则具有相应的质子动势(pmf)，可以被内膜上的ATP合酶利用做化学功：随着H+自发地跨膜内流而以ADP和Pi为原料合成ATP,26,LW-11,- 电负性增加趋势为 H C S N O 电负性高者被假定拥有其共享成键电子对,- 随着原有的每个

19、e丢失，C均发生相应的氧化， 即使并没有O的参与 (eg. CH2CH2 CH=CH),- 电子从供体分子转移到受体可以有多种方式：,电子直接转移 eg. Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+,H原子(H+ + e )形式 eg. AH2 + B A + BH2,氢负离子(H )形式 eg. AH2 + NAD+ A + NADH + H+,直接与O结合 eg. R-CH3 + O2 R-CH2-OH,1. 生物氧化一般都涉及脱氢,27,13-13,Oxidation states of carbon in the biosphere,随着电子的不断丢失，碳的氧化态逐渐增加,28,LW

20、-12,两个共轭氧-还对同时存在于溶液中时，e即可自发地从一个氧-还对的供体转移到另一个氧-还对的受体： Eo低 Eo高 - 电化学标氢电势Eo = 0 (H+=1M) - 生物化学标氢电势Eo = - 0.414 V (at pH=7), 标准还原电位可用以计算自由能变化： Go = -nFEo (cf. p259) Eo = Eo受体 Eo供体,(cf. Tab. 8-3),2. 还原电位代表电子亲和力,29,LW-13, 与燃烧不同，细胞不能一步到位地在一个具有大的自由能释放 的生物氧化反应中将底物直接转化为CO2 (eg. C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Go =

21、- 2,840 kJ/mol), 作为替代，各种底物的氧化可以在特定系列的有序控制反应中 发生，期间被移除的e则可通过少数几种生物界通用的特殊载 体逐级传递至O2，即e载体的还原可将底物氧化释出的自由能 以ATP等形式分步储存起来,3. 生物氧化需要有特殊的电子载体,30,13-15, NAD(P)H以水溶性电子载体形式 参与脱氢酶作用,以H形式转移,进入水相,(cf. Fig. 8-2),e sink,31,T13-8,- NAD+一般参与异化代谢中的氧化反应：细胞中NAD+/NADH很高,- NADPH多参与同化代谢中的还原反应：细胞中NADPH/NADP+很高,- 脱氢酶大多仅能使用这两

22、种辅酶之一，且只能催化A型或B型转移 而不能催化两者(功能与定位的专化使细胞能同时持有两套截然不同 且互不干扰的电子载体库),32,13-18,- 氧化态黄素核苷酸能以H的形式 接受12e而形成稳定的半醌自 由基或FADH2/FMNH2, 黄素核苷酸可参与12e的传递,- 黄素核苷酸与酶蛋白紧密结合而 不能在酶之间游离，但可从还原 性底物将e传送给特定载体,ribitol,(cf. Fig. 8-3),Keq = 10811,(yellow),(blue),(colorless),33,T13-9,(covalent bond),34,LW-14,小结：生物氧化-还原反应,- 生物的主要储能过

23、程大多是Glc逐步氧化成CO2，期间 随着e传递给O2而有部分氧化能以ATP形式被储存 - 还原电位Eo代表e亲和力，e可自发地从一个氧-还对 供体转移到另一个氧-还对受体 - 氧-还反应的标准自由能变化正比于两个半电池的标准 还原电位差：Go = - nF Eo - 生物氧化反应大多为脱氢，即12H从底物传递给某个 受体，反应均涉及到特化的e载体 - NAD(P)是许多脱氢酶的可游离辅酶，NAD(P)+都能以 H形式接受2e和1H+ - FAD和FMN是黄素蛋白的紧密结合辅基，可以接受12e,35,复习题 (p112114),一、选择 15 二、填空 19 四、判断 17 五、问答与计算 1

24、, 2,作 业 1. 如何判断一个化学反应 能否自发进行？ 2. 从ATP的结构特点说明 其在能量传递中的作用 及地位,36, 细胞中的生化反应大多可划分为四大类 - 氧-还反应 - 形成及断开CC键反应 - 分子内重排、异构及消除反应 - 基团转移反应,两项基本化学原则：,LW-3,- 共价键可发生均裂或异裂 - 反应多涉及到亲核和亲电子基团的互作,Review for Main Reaction Mechanisms,37,-5, CC或CH键 断裂的两种机制,- 均裂产生的碳自由基和异裂 产生的负碳离子、正碳离子 及氢负离子都极不稳定， 相应加强了其化学反应能力,38,6-21, 生化反

25、应中的常见亲核及亲电子基团,Functional groups rich in electrons and capable of donating them,Electron-deficient functional groups that seek electrons,- 依据成键类型及其 周边的功能基团， 碳原子在反应中既 可用作亲核也可用 作亲电子基团,39,-6,The oxidation states of carbon in biomolecules: Each compound is formed by oxidation of the red carbon in the com

26、pound listed above it; CO2 is the most highly oxidized form of carbon found in living systems., 氧-还反应 Oxidation-reduction reactions,40,-7,- 反应实质为电子得失，故任何氧化反应都 必定伴有还原反应 - 氧化反应通常为放能的，活细胞大多通过 各种生物氧化途径将电子经由一系列载体 最终传递给氧而获取能量,乳酸,丙酮酸,脱氢酶(催化C与O共价结合的氧化酶), 脱氢 - 常见的生物氧-还反应,41, 形成及断开CC键反应,成键O的电子吸引作用使得羰基C具有部分正电荷

27、而类似于亲电子体,-8a/b,通过共振作用使电子发生离域，羰基的存在可促进周边C的负碳离子瞬间形成而类似于亲核体,携带有电负性原子的基团如羰基的作用在这类反应中至为关键,42,-8c, 羰基在三大类涉及到CC键形成及断开反应中的作用,负碳离子为亲核体而羰基C为亲电子体，前者的稳定均得益于其相邻羰基的存在,脱羧时生成的负碳离子被相邻的羰基(或具有类似功能的亚胺等)所稳定,羟醛缩合,Claisen酯缩合,-酮酸脱羧,- 多种代谢途径都是围绕着 特定部位某一羰基的引进 而组合的：使附近的某个 CC键得以形成或断裂,43,-9, 分子内异构、消除及重排反应,分子内重排发生的电子重新分布可导致异构化和双

28、键的移位或顺-反式转换,B1和B2是酶的特定碱性基团，随着反应进行可依次接受和给出H+,烯二醇中间物,磷酸己糖异构酶,next breakpoint,44,p486a,- 水的消除可以在两个原本 为饱和态的C之间引入双 键(类似反应还可导致醇 和胺的移除),- 消除机制包括协同、正碳 离子和负碳离子，酶促反 应多以后两种方式(酸/碱 催化)进行，且多为反式,45,p486b, 基团转移反应(亲核体取代),- 大多为亲核体之间的酰基、糖基和磷酰基转移,- 酰基转移一般是在羰基C上连接亲核体而形成 过渡态的四面体中间物 (eg. chymotrypsin), OH formed from H2O

29、with His57s base catalysis, Ser195 at the enzyme active site,46,3-19(3e), 糖基转移涉及到糖环上C-1的亲核 取代，可经由SN1或SN2方式进行,- 单分子亲核取代 - 形成正碳离子中间物 - 构型不变/消旋,- 双分子亲核取代(协同的一步过程) - 形成五共价中间物(相对稳定) - 构型逆转(亲电C背面取代),(eg. lysozyme),47,-10a/b,Alternative ways to showing the structure of inorganic orthosphosphate (H3PO4).,Th

30、e conventional method with 3 PO bonds and a P=O bond fixed is not an accurate picture, even there can be 4 different resonance structures.,The 4 resonance structures can be represented more accurately by showing all 4 PO bonds with some double-bond character: the hybrid orbital so represented are arranged in a tetrahedron with P+ at its center.,+, 磷酰基转移在代谢中尤为重要,48,-10c/d, 磷酰基转移在代谢中常用于激活 较差的离去基团(eg. OH)而有利 于后续反应的进行,pentacovalent intermediate,nucleophile (alcohol),leaving group,- 以ATP等为供体催化磷酰基转移 的一大类酶都是激酶 (kinase),