9299.net
大學生考試網 讓學習變簡單
當前位置:首頁 >> >>

ch2生物能學介紹_圖文

ch2生物能學介紹_圖文

Chapter 2 Introduction of Bioenergetics
生物能學介紹

Bioenergetics is 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.
簡單地說,生物能學是定量研究活細胞內的能 量傳導和能量利用過程。

2.1 代謝的能量來源和轉化 2.2 能量偶聯在生物化學反應中的意義 2.3 生物體的高能化合物 2.4 ATP在能量代謝中的重要作用

2.1 代謝的能量來源和轉化
? 生物體是一個開放系統(open system),不斷地 和環境進行物質與能量的交換以維持正常的生 命活動。
? 生物體所需的能量,間接或直接地,都來源于 太陽能(solar energy)。
? 自養生物吸收太陽能轉化為化學能,貯存于化 合物中;異養生物通過分解這些化合物獲得化 學能。
? 氧化-還原反應的電子傳遞是細胞能量傳遞的 基礎。

Sunlight
光合作用
細胞呼吸 代謝的能量來源和轉化

2.2 能量偶聯在生物化學反應中的意義
? 連續化學反應的自由能變化是可加的 (additive)。
? 細胞內吸能(endergonic)反應可通過與放能 (exergonic)的化學或光化學過程偶聯來推動。
? 任一代謝途徑由一系列偶聯的化學反應組成, 使其在熱力學上是有利的 (thermodynamically favored)。

Energy coupling in mechanical processes

Energy coupling in chemical processes

自由能變化、標準自由能變化和化學平衡的關系
自由能變化(ΔG) 標準自由能變化(ΔG0) 生物化學反應標準自由能變化(ΔG0’)
恒溫和恒壓下,對于一個化學反應: ΔG = ΔG0’ + RT ln[產物] /[底物] ΔG0’ = - RT lnK’eq

2.3 生物體的高能化合物
? 高能化合物:水解可釋放出大于25千焦/摩 爾的自由能的化合物。
? 高能磷酸化合物:通過磷酸酐鍵水解釋放 出大于25千焦/摩爾的自由能的有機磷酸化 合物。

? 根據高能鍵型特點,生物體的高能化 合物歸納為四類:
1. 磷氧鍵型 2. 氮磷鍵型 3. 硫酯鍵型 4. 甲硫鍵型

2.4 ATP在能量代謝中的重要作用 2.4.1 ATP的結構和能量 2.4.2 ATP提供能量的化學機制 2.4.3 ATP的生成 2.4.4 ATP系統的動態平衡

2.4.1 ATP的結構和能量
? ATP 最 早 是 在 1941 年 Fritz Lipmann 和 Herman Kalckar研究糖酵解途徑時發現的。
? ATP在細胞內的活性形式通常是與Mg2+ 或 Mn2+形成復合物。
( 復 合 物 形 式 是 NTP- 依 賴 型 激 酶 NTPdependent kinase的真正底物。)

? ATP的兩個磷酸酐鍵 (phosphoanhydride bonds ) 水解可形成更穩定的產物,并產生大量
的自由能 ( ?G’o is -30.5 kJ/mol; ?G in cells
is -50 to -65 kJ/mol)。
? 由于ATP水解反應的活化能(?G?)比較高,
ATP水解反應需要酶的催化。在pH7的條件下, ATP分子是穩定的。這一特性有利于細胞內能 量的調節。

γβα
High-energy
(腺苷三磷酸)

The large free-energy change associated with ATP hydrolysis.

ATP-Mg2+ complexes and ADP-Mg2+ complexes.

2.4.2 ATP提供能量的機制
? ATP具有中等的磷;鶊F轉移勢能,也就是 說,ATP是磷;鶊F的供體(或載體), ADP是磷;鶊F的受體。
? ATP通過基團轉移活化底物的形式提供能量, 而不是簡單的水解作用。(也有一些生化過程 由ATP或GTP直接水解提供能量,如肌肉收 縮。)
? 在ATP參與的反應中,ATP通過基團轉移可 提供磷;鶊F、焦磷;鶊F和腺苷;鶊F。

Phosphocreatine + H2O

Creatine + Pi

?G’o =-43.0 kJ/mol

ATP + H2O 偶聯的結果:

ADP + Pi ?G’o =-30.5 kJ/mol

Phosphocreatine + ADP

Creatine + ATP

ATP has an intermediate phosphoryl group transfer potential.

ATP provides energy usually through group transfer, thus activating the substrate.

Three types of group transfer to a reactant of ATP

2.4.2 ATP提供能量的機制(續)
? 腺苷酸化是一些生物化學反應增強能量偶聯 的策略(如脂肪酸氧化中脂酰CoA的生成)。
? ATP分解為AMP和PPi,是螢火蟲發光的供 能方式。
In the lab, as little as a few picomoles (10-12 mol) of ATP can be measured using firefly luciferin and luciferase, using spectroscopic methods.
Luciferase gene is a reporter gene in gene engineering.

Adenylylation reaction in activation of a fatty acid.

蟲熒光酰腺苷酸 熒光素酶
熒光素 螢火蟲發光機制

Luciferase detection products(Promega company)

2.4.3 ATP的生成 ? ATP生成途徑: 1.氧化磷酸化/ 光合磷酸化(主要) 2.底物水平磷酸化 3.腺苷酸激酶(adenylate kinase)催化途徑 4.磷酸肌酸(PCr)轉換

氧化磷酸化/ 光合磷酸化(主要)
跨膜質子梯度所儲存的能量使ADP 在ATP合酶的催化下磷酸化生成ATP。 (化學滲透學說)

底物水平磷酸化 通過底物(高能磷酸化合物)的磷酰
基團轉移生成ATP。
eg. oxidation of glyceraldehyde-3phoshphate ( GAP )
step6,step7 in glycolysis

high energy

Substrate-level phosphorylation

腺苷酸激酶(adenylate kinase)催化的 ADP挽救途徑:
ADP + ADP ATP + AMP

磷酸肌酸轉換—迅速生成ATP的途徑

肌酸激酶

Phosphocreatine + ADP

Creatine + ATP

2.4.3 ATP的生成(續)
?磷酸肌酸轉換途徑是迅速產生ATP的方式。 它揭示,磷酸肌酸是能量的貯存者,ATP是 能量的載體。
?磷酸肌酸、磷酸精氨酸、聚偏磷酸統稱為磷 酸原(phosphagens)。某些無脊椎動物以磷酸 精氨酸為儲能物質,一些微生物以聚偏磷酸 為儲能物質。。

2.4.4 ATP系統的動態平衡
?ATP的動態平衡—細胞一方面調節ATP的生 成以滿足能量需求,另一方面又調節ATP的 利用,從而使ATP維持在相對穩定的平衡狀 態。
?ATP的生成和利用是通過細胞的能量狀態來 調節的。能荷(energy charge)和磷酸化勢能 (phosphorylation potential)是描述細胞能量 狀態的兩個指標。

[ATP]+1/2[ADP]
能荷(energy charge)=
[ATP]+[ADP]+[AMP]
理論上,能荷數值為0(全部為AMP)~1(全部為 ATP)。實際上大多數細胞的能荷在0.80~0.95之 間。
[ATP]
磷酸化勢能=
[ADP][Pi]

The energy charge, like the pH of a cell, is buffered!

小結
?生物體所需的能量,間接或直接地,都來源 于太陽能。自養生物吸收太陽能轉化為化學 能,貯存于化合物中;異養生物通過分解這 些化合物獲得化學能。
?細胞內吸能反應可通過與放能的化學或光化 學過程偶聯來推動。

小結
?ATP是生物體內重要的高能化合物 。 ATP/ADP Cycle是ATP提供能量的方式。 ATP通過基團轉移活化底物的形式提供能量, 而不是簡單的水解作用。
?ATP是能量的載體,磷酸肌酸是能量的貯存 者。
?細胞中ATP處于動態平衡。 它的生成和利用 是通過細胞的能量狀態來調節的。

復習: 1. 生物圈中能量的來源和轉化。 2. 什么是高能化合物?有哪幾類高能化合物?
掌握一些主要的高能化合物。
3. ATP提供能量的機理。 4. ATP和磷酸肌酸在生物體內能量代謝中各起
什么作用?

思考題: 結合下圖說說人在運動時的能量代謝情況。
From Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer. BIOCHEMISTRY (fifth edition), 2019 W. H. Freeman and Company


網站首頁 | 網站地圖 | 學霸百科 | 新詞新語
All rights reserved Powered by 大學生考試網 9299.net
文檔資料庫內容來自網絡,如有侵犯請聯系客服。[email protected]
甘肃快3综合走势图