第 19章 代谢总论
(General Introduction of Metabolism)
一、分解代谢与合成代谢
二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位
三、辅酶 Ⅰ 和辅酶 Ⅱ 的递能作用
四,FMN和 FAD的递能作用
五、辅酶 A在能量代谢中的作用
六、新陈代谢的调节
七,代谢中常见的有机反应机制
八、新陈代谢的研究方法
新陈代谢的功能
新陈代谢简称代谢。人们将代谢的功能概
括为 5个方面：①从周围环境中获得营养物质。
②将外界引入的营养物质转变为自身需要的结
构元件，即大分子的组成前体。③将结构元件
装配成自身的大分子。④合成或降解执行生物
体特殊功能所需的生物分子。⑤提供生命活动
所需的一切能量。
代谢途径
虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶
催化的反应, 但仍可以从错综复杂的代谢
网络中总结归纳成一些具有共同规律的途
径, 并将这些途径称为主要代谢途径 。 这
些主要代谢途径在千差万别的生物界具有
相当的普遍性 。
一、分解代谢与合成代谢
通过一系列的反应, 将有机营养物分解成较
小的, 较简单的物 质的过程称 为分解代 谢
（ catabolism）, 分解代谢的同时, 将蕴藏在有
机大分子中的能量逐步释放出来, 提供给生命活
动使用, 同时, 分解代谢的中间产物也可用于合
成生命活动所需的新的物质 。
利用小分子或大分子的结构元件合成生物大
分子或其它所需分子的过程称为合成代谢 。 合成
代谢需要提供能量 。
分解代谢途径与合成代谢途径一般是不同的,
但不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分 。
二、能量代谢在新陈代谢中
的重要地位
各种分子之间的互相转变称为物质代谢, 而
伴随着物质代谢发生的能量的吸收, 转移, 释放,
利用称为能量代谢 。
太阳能是所有生物最根本的能量来源, 能进
行光合作用的植物将光能转变成化学能, 这些化
学能提供了植物生命活动所需的全部能量 （ 有少
数特殊情况 ）, 动物和大多数微生物直接或间接
依靠植物光合作用贮存的化学能生活 。
ATP是能量代谢的中心物质
生物体 直接利用的能量物质主要是 ATP,在分
解代谢中, 释放出的能量主要用于合成 ATP,在需
要提供能量的反应或其它生命活动中, 主要是由
ATP水解来提供能量的, 所以 ATP是能量代谢的中
心物质 。 ATP不是一种能量贮存物质, 而是一种传
递能量的分子, 因为在一般情况下, ATP分子合成
后, 在 1分钟之内就被利用 。
生物体对能量的消耗是惊人的 。 据计算, 一个
处于安静状态的成年人, 一日内需消耗 40kg的 ATP。
在剧烈运动时, ATP的利用可达到每分钟 0.5kg。
三、辅酶 Ⅰ 和辅酶 Ⅱ 的
递能作用
由营养物质的分解代谢释放出的化学能, 除了
通过合成 ATP的途径捕获外, 还有另外一种途径,
就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合
成的需能反应 。 这种具有高能的氢原子是由脱氢反
应形成的 。 脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶
Ⅰ 或辅酶 Ⅱ 接受 。 当这些辅酶被氧化时, 能量又被
释放出来 。
四,FMN和 FAD的递能作用
（略）
五、辅酶 A在能量代谢中
的作用
酯 酰 CoA中有一个高能的硫酯键, 这也可
以看成是酰基的一种活化形式 。 ATP的酸酐键
水解时释放出 30.54 kJ/mol的自由能, 而乙酰
CoA的硫酯键水解时释放出 31.38 kJ/mol的自
由能 。
六、新陈代谢的调节
新陈代谢的调节主要是靠酶数量和活性
的调节, 细胞中有许多由膜分割的部位, 特
定的代谢途径在特定的细胞部位进行 。 物质
需要在细胞不同的部位间运输, 有时还需要
在细胞间或整个机体内运输 。 物质运输的方
向, 量及速度也影响代谢 。
七、代谢中常见的
有机反应机制
（略）
八、新陈代谢的研究方法
（ 一 ） 使用酶的抑制剂
酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断, 结果
造成其底物积累, 为测定该代谢物提供条件 。
利用酶的抑制剂可以研究代谢途径, 从最初的
反应物经过哪些中间代谢产物, 最终形成产物
的 。
（二）利用遗传缺陷症
研究代谢途径
某些个体由于遗传缺陷, 先天就缺少某种
酶 。 余同前 。
（三）气体测量法
用瓦氏呼吸计测定
反应过程中吸收的气体
量或释放的气体量 。 这
不是一种研究方法, 而
是一种实验技术 。
（四）同位素示踪法
用放射性同位素示踪, 可以跟踪某一
原子的去向, 从而得知代谢途径 。
放射性强度测定
放射自显影
常用放射性同位素表
同位素名称 符号 放射线类型 半衰期
氢 3（氚） 3H,T Β－ 12.26年
碳 14 14C β－ 5730天
磷 32 32P β－ 14.3天
碘 131 131I β－ 8.070天
硫 35 35S β－ 87.1天
（五）核磁共振波谱法
这也是一种实验技术 。
第 20章 生物能学
(Bioenergetics)
一、有关热力学的一些基本概念
二、化学反应中自由能的变化和意义
三、高能磷酸化合物
一、有关热力学的
一些基本概念
(自由能的概念 )
凡是能够用于做功的能量称为自由能。
二、化学反应中自由能
的变化和意义
（ 二 ） 标准自由能变化和化学平衡的关系
化学反应中的标准
自由能变化
在化学反应中, 反应物和产物各自都有特
定的自由能 。 产物自由能的总和与反应物自由
能的总和之差, 就是该反应的自由能变化 。 为
了计算的方便, 人们总是规定一些条件作为标
准条件, 并将在此条件下所发生的化学反应的
自由能变化称为标准自由能变化 。
计算标准自由能变
化时的标准条件
标准条件指的是, 反应的温度为 25℃, 即
298K,大气压为 101,325 Pa（ 1atm）, 反应物
和产物的浓度都是 1mol/L。 标准自由能变化的
符号用 Δ G0表示 。 对于生物化学反应, 标准状
况还规定反应进行的环境为 pH=7,这时的标准
自由能变化用 Δ G0’表示 。
Δ G0 和 Δ G
Δ G0是在标准条件下, 一个化学反应的
常数, 而 Δ G是一个化学反应在某一实际条
件下的自由能变化, Δ G随着反应的温度,
反应物及产物的浓度, 反应介质的 pH等的变
化而变化 。
标准自由能变化的计算公式
假设有如下的一个化学反应式,
aA + bB cC + dD
在恒温和恒压下, 这一反应的自由能变化公式是,
式中 Δ G0是该反应的标准自由能变化, R是
气体常数, T是绝对温度, [A],[B],[C],[D]
代表 4种物质的摩尔浓度, 严格地应为活度 。
ba
dc
BA
DCRTGG
][][
][][ln0 ????
从以上的公式可以看出, 一个化学反应自由能的变化
值 Δ G,由两部分决定, 一部分是不变因素, 即由反应本
身的性质所决定；另一部分是可变因素, 即各物质的浓度,
反应的化学当量以及反应的温度 。
反应的平衡常数与 Δ G0
当反应达到平衡时, 自由能变化为零, 即
Δ G = 0,而反应的平衡常数
代入上式得
当 pH为 7时
根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度,
可以计算出反应的平衡常数, 代入上式可以计
算出反应的标准自由能变化值 。
ba
dc
eq BA
DCK
][][
][][?
eqKRTG ln0 ???
’ln’0 eqKRTG ???
注意, 生化反应很多都是可逆反应, 正反两个方向
反应的 Δ G0’不同 。
ΔG是反应能否进行的判据
Δ G可用来判断一个反应是否能够自发进
行, 当 Δ G＜ 0时, 反应可以自发进行, Δ G负
值的绝对值越大, 反应自发进行的趋势越大,
随着反应的进行, Δ G负值的绝对值越来越小,
当 Δ G = 0时, 反应达到平衡；当 Δ G＞ 0时,
反应不能进行 。
标准生成自由能的概念
每一种有机化合物都有自己的标准生成自由
能, 用符号 Δ G0f表示 。 标准生成自由能 Δ G0f的定
义是, 由处在标准状态下的最稳定单质合成标准
状态当量化合物时, 其标准自由能的变化值 。 由
于各种物质的标准自由能都无法测得, 人们规定,
在 1个大气压下, 一定温度时, 最稳定的单质的标
准自由能为零 。 这样, 由最稳定的单质反应生成
某一种物质的反应的标准自由能变化值就是这种
物质的标准生成自由能 。
标准生成自由能的应用
利用各种物质的标准生成自由能, 也能
计算出一个反应的标准自由能变化量 ΔG0，
即用各产物的标准生成自由能之和减去各反
应物的标准生成自由能之和 。 进一步还可以
计算出反应的平衡常数 。
偶联化学反应标准自由能变化
的可加性及其意义
在互相联系或称为偶联的化学反应中, 这些
相互联系的化学反应的总的自由能变化等于各步
反应自由能变化的总和 。 当其中一个反应的自由
能变化为正值时, 只要总反应的自由能变化为负
值, 这个反应也是能够进行的 。 在生化反应中,
常有自由能变化为正值的反应与 ATP的水解反应
相偶联, 也就是说, ATP水解释放出的能量驱动
了某一反应 。
化学反应和自由能关系的
进一步说明
1,ΔG<0是反应能够自发进行的判据, 随着反应
的进行, ΔG逐渐趋向于零, 其反应的限度是 ΔG
= 0,这时反应达到平衡 。
2,ΔG只提示化学反应的方向和限度, 不预示反
应过程的速率, 实际上许多 ΔG<0的反应速度非
常缓慢, 几乎无法察觉 。 在生物体内, 这些反应
需要催化剂催化才能进行 。 对于 ΔG>0的反应,
即使有催化剂也不能进行 。
3,不稳定的基团自由能高, 容易发生反应 。
能量学用于生物化学反应中
的一些规定
1,一个稀的水溶液系统, 如果有水作为反应物
或产物时, 水的浓度规定为 1.0。
2,在生物化学能量学中, 通常把标准状况的 pH
规定为 7.0。 而在物理化学中, 标准状况规定为
pH0.0（ 即 H+浓度为 1.0mmol/L） 。 不同 pH下
ΔG0不同 。
3,标准自由能的单位为 kj/mol或 kcal/mol。
三、高能磷酸化合物
(高能磷酸化合物的概念 )
机体内有许多含磷酸的化合物, 当其磷酰基
水解时, 释放出大量的自由能, 这类含磷酸的化
合物称为高能磷酸化合物 。 当这些磷酰基水解时,
能释放出 20.92kj/mol（ 5 kcal/mol） 以上的能量,
因此将这些磷酸基团与其它基团之间的键称为
,高能键, （ high-energy bond）, 并用符号 ~
表示 。 注意生物化学中的, 高能键, 的含义与化
学中使用的, 键能, 含义是完全不同的 。
高能磷酸化合物及其它高能
化合物的类型
这些高能磷酸化合物中的磷酸大多数是与
另一个酸形成酸酐, 与之形成酸酐的酸有羧酸,
磷酸, 硫酸等 。 还有磷酸与胍基, 烯醇式羟基
之间结合的化合物也是高能磷酸化合物 。 除了
含磷酸的高能化合物外, 还有不含磷酸的高能
化合物, 如酰基 CoA中的硫酯键, S-腺苷蛋氨
酸中甲基与 S之间的硫醚键也是高能键 。
磷氧键型高能磷酸化合物
乙酰磷酸
氨甲酰磷酸
1,3-二磷酸甘油酸
磷氧键型高能磷酸化合物
焦磷酸
氨酰腺苷酸
酰基腺苷酸
磷氧键型高能磷酸化合物
ATP
磷酸烯醇式丙酮酸
氮磷键型高能磷酸化合物
磷酸精氨酸 磷酸肌酸
硫酯键型高能化合物
3’-腺苷磷酸 5’-磷酰硫酸
酰基 CoA
甲硫键型高能化合物
S-腺苷甲硫氨酸
一些磷酸化合物水解的
标准自由能变化
化合物 ΔG0’ 磷酸基团转移势能
磷酸烯醇式丙酮酸 -61.9 kj/mol 61.9 kj/mol
氨甲酰磷酸 -51.46 kj/mol 51.46 kj/mol
磷酸肌酸 -49.3 kj/mol 49.3 kj/mol
ATP+H2O→ AMP+PPi -32.2 kj/mol 32.2 kj/mol
ATP+H2O→ADP+Pi -30.5 kj/mol 30.5 kj/mol
ADP+H2O→AMP+Pi -30.5 kj/mol 30.5 kj/mol
PPi+ H2O→2Pi -28.8 kj/mol 28.8 kj/mol
葡萄糖 -1-磷酸 -20.9 kj/mol 20.9 kj/mol
葡萄糖 -6-磷酸 -13.8 kj/mol 13.8 kj/mol
注意 ATP位于所列磷酸化合物的中间位置
细胞内影响 ATP自由能
释放的因素
在细胞内环境条件下, 在 pH7时, ATP及 ADP
的全部磷酸基团都处于解离状态 。 细胞内有大量的
Mg2+,Mg2+与 ATP4－ 及 ADP3－ 形成 Mg2+－ ATP2－ 及
Mg2+－ ADP－ 的形式, 而实际上 Mg2+－ ATP2－ 才是
ATP的活性形式 。 所以 Mg2+浓度, pH,ATP,无机
磷酸的浓度都能影响 ATP水解时释放的自由能的量 。
ATP浓度和 pH环境对 ATP
水解时自由能释放的影响
ATP浓度 ATP浓度 ATP浓度 ATP浓度
pH 1mol/L 0.1mol/L 0.01mol/L 0.001mol/L
kcal/mol kcal/mol kcal/mol kcal/mol
6.0 -7.89
6.4 -8.01
6.8 -8.26 -9.78 -11.75 -12.52
7.2 -8.59
7.6 -9.06
8.0 -9.56
ATP在能量转运中的
地位和作用
1,它可以在磷酸转移中起到, 共同中间传递
体,
的作用 。
ATP在能量转运中的
地位和作用
2,在偶联反应中提供能量 。
磷酸肌酸的作用
神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是
ATP,但 ATP在细胞中的含量很低 。 在哺乳动物
的脑和肌肉中约 3～ 8mmol/kg。 这些 ATP只能提
供肌肉剧烈活动 1s左右的消耗 。 而肌肉和脑中磷
酸肌酸的含量远远超过 ATP,在脑中大约为 ATP
的 1.5倍, 在肌肉中则为 ATP的 4倍 。 受过良好训
练的运动员其肌肉中磷酸肌酸的含量可高达
30mmol/kg。 磷酸肌酸可以看成是 ATP的后备军,
磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移到 ATP中 。
磷酸肌酸的作用
上述反应式正向反应的 Δ G0’为 -12.6kj/mol，
逆向反应的 Δ G0’为 +12.6kj/mol,反应的平衡常
数为 160。
磷酸肌酸 + ADP ----------→ 肌酸 + ATP
肌酸激酶
磷酸肌酸及其它贮能
物质的作用
当细胞处于静息状态时, ATP的浓度较高,
反应向合成磷酸肌酸的方向进行 。 当细胞处于活
动状态时, ATP的浓度下降, 反应即转向合成
ATP的方向进行, 因此磷酸肌酸有, ATP缓冲剂,
之称 。
磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等
肌肉中的贮能物质, 其作用与磷酸肌酸相似 。
有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质 。
聚偏磷酸的结构
ATP以外的其它核苷三磷酸
的递能作用
除了 ATP外, 其它核苷三磷酸也在某些情况
下为反应提供能量 。
ATP系统的动态平衡
细胞内的能量状态可用能荷或磷酸化势能来表示 。
][][][
][
2
1][
A M PA D PA T P
A D PA T P
??
?
?能荷
]][[
][
PiA D P
A T P?磷酸化势能
(General Introduction of Metabolism)
一、分解代谢与合成代谢
二、能量代谢在新陈代谢中的重要地位
三、辅酶 Ⅰ 和辅酶 Ⅱ 的递能作用
四,FMN和 FAD的递能作用
五、辅酶 A在能量代谢中的作用
六、新陈代谢的调节
七,代谢中常见的有机反应机制
八、新陈代谢的研究方法
新陈代谢的功能
新陈代谢简称代谢。人们将代谢的功能概
括为 5个方面：①从周围环境中获得营养物质。
②将外界引入的营养物质转变为自身需要的结
构元件，即大分子的组成前体。③将结构元件
装配成自身的大分子。④合成或降解执行生物
体特殊功能所需的生物分子。⑤提供生命活动
所需的一切能量。
代谢途径
虽然新陈代谢包括数以千计的不同酶
催化的反应, 但仍可以从错综复杂的代谢
网络中总结归纳成一些具有共同规律的途
径, 并将这些途径称为主要代谢途径 。 这
些主要代谢途径在千差万别的生物界具有
相当的普遍性 。
一、分解代谢与合成代谢
通过一系列的反应, 将有机营养物分解成较
小的, 较简单的物 质的过程称 为分解代 谢
（ catabolism）, 分解代谢的同时, 将蕴藏在有
机大分子中的能量逐步释放出来, 提供给生命活
动使用, 同时, 分解代谢的中间产物也可用于合
成生命活动所需的新的物质 。
利用小分子或大分子的结构元件合成生物大
分子或其它所需分子的过程称为合成代谢 。 合成
代谢需要提供能量 。
分解代谢途径与合成代谢途径一般是不同的,
但不同的代谢途径之间也可以有重叠的部分 。
二、能量代谢在新陈代谢中
的重要地位
各种分子之间的互相转变称为物质代谢, 而
伴随着物质代谢发生的能量的吸收, 转移, 释放,
利用称为能量代谢 。
太阳能是所有生物最根本的能量来源, 能进
行光合作用的植物将光能转变成化学能, 这些化
学能提供了植物生命活动所需的全部能量 （ 有少
数特殊情况 ）, 动物和大多数微生物直接或间接
依靠植物光合作用贮存的化学能生活 。
ATP是能量代谢的中心物质
生物体 直接利用的能量物质主要是 ATP,在分
解代谢中, 释放出的能量主要用于合成 ATP,在需
要提供能量的反应或其它生命活动中, 主要是由
ATP水解来提供能量的, 所以 ATP是能量代谢的中
心物质 。 ATP不是一种能量贮存物质, 而是一种传
递能量的分子, 因为在一般情况下, ATP分子合成
后, 在 1分钟之内就被利用 。
生物体对能量的消耗是惊人的 。 据计算, 一个
处于安静状态的成年人, 一日内需消耗 40kg的 ATP。
在剧烈运动时, ATP的利用可达到每分钟 0.5kg。
三、辅酶 Ⅰ 和辅酶 Ⅱ 的
递能作用
由营养物质的分解代谢释放出的化学能, 除了
通过合成 ATP的途径捕获外, 还有另外一种途径,
就是以氢原子和电子的形式将自由能转移给生物合
成的需能反应 。 这种具有高能的氢原子是由脱氢反
应形成的 。 脱氢反应产生的氢原子和电子可由辅酶
Ⅰ 或辅酶 Ⅱ 接受 。 当这些辅酶被氧化时, 能量又被
释放出来 。
四,FMN和 FAD的递能作用
（略）
五、辅酶 A在能量代谢中
的作用
酯 酰 CoA中有一个高能的硫酯键, 这也可
以看成是酰基的一种活化形式 。 ATP的酸酐键
水解时释放出 30.54 kJ/mol的自由能, 而乙酰
CoA的硫酯键水解时释放出 31.38 kJ/mol的自
由能 。
六、新陈代谢的调节
新陈代谢的调节主要是靠酶数量和活性
的调节, 细胞中有许多由膜分割的部位, 特
定的代谢途径在特定的细胞部位进行 。 物质
需要在细胞不同的部位间运输, 有时还需要
在细胞间或整个机体内运输 。 物质运输的方
向, 量及速度也影响代谢 。
七、代谢中常见的
有机反应机制
（略）
八、新陈代谢的研究方法
（ 一 ） 使用酶的抑制剂
酶的抑制剂可使代谢途径受到阻断, 结果
造成其底物积累, 为测定该代谢物提供条件 。
利用酶的抑制剂可以研究代谢途径, 从最初的
反应物经过哪些中间代谢产物, 最终形成产物
的 。
（二）利用遗传缺陷症
研究代谢途径
某些个体由于遗传缺陷, 先天就缺少某种
酶 。 余同前 。
（三）气体测量法
用瓦氏呼吸计测定
反应过程中吸收的气体
量或释放的气体量 。 这
不是一种研究方法, 而
是一种实验技术 。
（四）同位素示踪法
用放射性同位素示踪, 可以跟踪某一
原子的去向, 从而得知代谢途径 。
放射性强度测定
放射自显影
常用放射性同位素表
同位素名称 符号 放射线类型 半衰期
氢 3（氚） 3H,T Β－ 12.26年
碳 14 14C β－ 5730天
磷 32 32P β－ 14.3天
碘 131 131I β－ 8.070天
硫 35 35S β－ 87.1天
（五）核磁共振波谱法
这也是一种实验技术 。
第 20章 生物能学
(Bioenergetics)
一、有关热力学的一些基本概念
二、化学反应中自由能的变化和意义
三、高能磷酸化合物
一、有关热力学的
一些基本概念
(自由能的概念 )
凡是能够用于做功的能量称为自由能。
二、化学反应中自由能
的变化和意义
（ 二 ） 标准自由能变化和化学平衡的关系
化学反应中的标准
自由能变化
在化学反应中, 反应物和产物各自都有特
定的自由能 。 产物自由能的总和与反应物自由
能的总和之差, 就是该反应的自由能变化 。 为
了计算的方便, 人们总是规定一些条件作为标
准条件, 并将在此条件下所发生的化学反应的
自由能变化称为标准自由能变化 。
计算标准自由能变
化时的标准条件
标准条件指的是, 反应的温度为 25℃, 即
298K,大气压为 101,325 Pa（ 1atm）, 反应物
和产物的浓度都是 1mol/L。 标准自由能变化的
符号用 Δ G0表示 。 对于生物化学反应, 标准状
况还规定反应进行的环境为 pH=7,这时的标准
自由能变化用 Δ G0’表示 。
Δ G0 和 Δ G
Δ G0是在标准条件下, 一个化学反应的
常数, 而 Δ G是一个化学反应在某一实际条
件下的自由能变化, Δ G随着反应的温度,
反应物及产物的浓度, 反应介质的 pH等的变
化而变化 。
标准自由能变化的计算公式
假设有如下的一个化学反应式,
aA + bB cC + dD
在恒温和恒压下, 这一反应的自由能变化公式是,
式中 Δ G0是该反应的标准自由能变化, R是
气体常数, T是绝对温度, [A],[B],[C],[D]
代表 4种物质的摩尔浓度, 严格地应为活度 。
ba
dc
BA
DCRTGG
][][
][][ln0 ????
从以上的公式可以看出, 一个化学反应自由能的变化
值 Δ G,由两部分决定, 一部分是不变因素, 即由反应本
身的性质所决定；另一部分是可变因素, 即各物质的浓度,
反应的化学当量以及反应的温度 。
反应的平衡常数与 Δ G0
当反应达到平衡时, 自由能变化为零, 即
Δ G = 0,而反应的平衡常数
代入上式得
当 pH为 7时
根据测得的反应达到平衡时各物质的浓度,
可以计算出反应的平衡常数, 代入上式可以计
算出反应的标准自由能变化值 。
ba
dc
eq BA
DCK
][][
][][?
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’ln’0 eqKRTG ???
注意, 生化反应很多都是可逆反应, 正反两个方向
反应的 Δ G0’不同 。
ΔG是反应能否进行的判据
Δ G可用来判断一个反应是否能够自发进
行, 当 Δ G＜ 0时, 反应可以自发进行, Δ G负
值的绝对值越大, 反应自发进行的趋势越大,
随着反应的进行, Δ G负值的绝对值越来越小,
当 Δ G = 0时, 反应达到平衡；当 Δ G＞ 0时,
反应不能进行 。
标准生成自由能的概念
每一种有机化合物都有自己的标准生成自由
能, 用符号 Δ G0f表示 。 标准生成自由能 Δ G0f的定
义是, 由处在标准状态下的最稳定单质合成标准
状态当量化合物时, 其标准自由能的变化值 。 由
于各种物质的标准自由能都无法测得, 人们规定,
在 1个大气压下, 一定温度时, 最稳定的单质的标
准自由能为零 。 这样, 由最稳定的单质反应生成
某一种物质的反应的标准自由能变化值就是这种
物质的标准生成自由能 。
标准生成自由能的应用
利用各种物质的标准生成自由能, 也能
计算出一个反应的标准自由能变化量 ΔG0，
即用各产物的标准生成自由能之和减去各反
应物的标准生成自由能之和 。 进一步还可以
计算出反应的平衡常数 。
偶联化学反应标准自由能变化
的可加性及其意义
在互相联系或称为偶联的化学反应中, 这些
相互联系的化学反应的总的自由能变化等于各步
反应自由能变化的总和 。 当其中一个反应的自由
能变化为正值时, 只要总反应的自由能变化为负
值, 这个反应也是能够进行的 。 在生化反应中,
常有自由能变化为正值的反应与 ATP的水解反应
相偶联, 也就是说, ATP水解释放出的能量驱动
了某一反应 。
化学反应和自由能关系的
进一步说明
1,ΔG<0是反应能够自发进行的判据, 随着反应
的进行, ΔG逐渐趋向于零, 其反应的限度是 ΔG
= 0,这时反应达到平衡 。
2,ΔG只提示化学反应的方向和限度, 不预示反
应过程的速率, 实际上许多 ΔG<0的反应速度非
常缓慢, 几乎无法察觉 。 在生物体内, 这些反应
需要催化剂催化才能进行 。 对于 ΔG>0的反应,
即使有催化剂也不能进行 。
3,不稳定的基团自由能高, 容易发生反应 。
能量学用于生物化学反应中
的一些规定
1,一个稀的水溶液系统, 如果有水作为反应物
或产物时, 水的浓度规定为 1.0。
2,在生物化学能量学中, 通常把标准状况的 pH
规定为 7.0。 而在物理化学中, 标准状况规定为
pH0.0（ 即 H+浓度为 1.0mmol/L） 。 不同 pH下
ΔG0不同 。
3,标准自由能的单位为 kj/mol或 kcal/mol。
三、高能磷酸化合物
(高能磷酸化合物的概念 )
机体内有许多含磷酸的化合物, 当其磷酰基
水解时, 释放出大量的自由能, 这类含磷酸的化
合物称为高能磷酸化合物 。 当这些磷酰基水解时,
能释放出 20.92kj/mol（ 5 kcal/mol） 以上的能量,
因此将这些磷酸基团与其它基团之间的键称为
,高能键, （ high-energy bond）, 并用符号 ~
表示 。 注意生物化学中的, 高能键, 的含义与化
学中使用的, 键能, 含义是完全不同的 。
高能磷酸化合物及其它高能
化合物的类型
这些高能磷酸化合物中的磷酸大多数是与
另一个酸形成酸酐, 与之形成酸酐的酸有羧酸,
磷酸, 硫酸等 。 还有磷酸与胍基, 烯醇式羟基
之间结合的化合物也是高能磷酸化合物 。 除了
含磷酸的高能化合物外, 还有不含磷酸的高能
化合物, 如酰基 CoA中的硫酯键, S-腺苷蛋氨
酸中甲基与 S之间的硫醚键也是高能键 。
磷氧键型高能磷酸化合物
乙酰磷酸
氨甲酰磷酸
1,3-二磷酸甘油酸
磷氧键型高能磷酸化合物
焦磷酸
氨酰腺苷酸
酰基腺苷酸
磷氧键型高能磷酸化合物
ATP
磷酸烯醇式丙酮酸
氮磷键型高能磷酸化合物
磷酸精氨酸 磷酸肌酸
硫酯键型高能化合物
3’-腺苷磷酸 5’-磷酰硫酸
酰基 CoA
甲硫键型高能化合物
S-腺苷甲硫氨酸
一些磷酸化合物水解的
标准自由能变化
化合物 ΔG0’ 磷酸基团转移势能
磷酸烯醇式丙酮酸 -61.9 kj/mol 61.9 kj/mol
氨甲酰磷酸 -51.46 kj/mol 51.46 kj/mol
磷酸肌酸 -49.3 kj/mol 49.3 kj/mol
ATP+H2O→ AMP+PPi -32.2 kj/mol 32.2 kj/mol
ATP+H2O→ADP+Pi -30.5 kj/mol 30.5 kj/mol
ADP+H2O→AMP+Pi -30.5 kj/mol 30.5 kj/mol
PPi+ H2O→2Pi -28.8 kj/mol 28.8 kj/mol
葡萄糖 -1-磷酸 -20.9 kj/mol 20.9 kj/mol
葡萄糖 -6-磷酸 -13.8 kj/mol 13.8 kj/mol
注意 ATP位于所列磷酸化合物的中间位置
细胞内影响 ATP自由能
释放的因素
在细胞内环境条件下, 在 pH7时, ATP及 ADP
的全部磷酸基团都处于解离状态 。 细胞内有大量的
Mg2+,Mg2+与 ATP4－ 及 ADP3－ 形成 Mg2+－ ATP2－ 及
Mg2+－ ADP－ 的形式, 而实际上 Mg2+－ ATP2－ 才是
ATP的活性形式 。 所以 Mg2+浓度, pH,ATP,无机
磷酸的浓度都能影响 ATP水解时释放的自由能的量 。
ATP浓度和 pH环境对 ATP
水解时自由能释放的影响
ATP浓度 ATP浓度 ATP浓度 ATP浓度
pH 1mol/L 0.1mol/L 0.01mol/L 0.001mol/L
kcal/mol kcal/mol kcal/mol kcal/mol
6.0 -7.89
6.4 -8.01
6.8 -8.26 -9.78 -11.75 -12.52
7.2 -8.59
7.6 -9.06
8.0 -9.56
ATP在能量转运中的
地位和作用
1,它可以在磷酸转移中起到, 共同中间传递
体,
的作用 。
ATP在能量转运中的
地位和作用
2,在偶联反应中提供能量 。
磷酸肌酸的作用
神经和肌肉等细胞活动的直接供能物质是
ATP,但 ATP在细胞中的含量很低 。 在哺乳动物
的脑和肌肉中约 3～ 8mmol/kg。 这些 ATP只能提
供肌肉剧烈活动 1s左右的消耗 。 而肌肉和脑中磷
酸肌酸的含量远远超过 ATP,在脑中大约为 ATP
的 1.5倍, 在肌肉中则为 ATP的 4倍 。 受过良好训
练的运动员其肌肉中磷酸肌酸的含量可高达
30mmol/kg。 磷酸肌酸可以看成是 ATP的后备军,
磷酸肌酸中贮存的能量可以很快转移到 ATP中 。
磷酸肌酸的作用
上述反应式正向反应的 Δ G0’为 -12.6kj/mol，
逆向反应的 Δ G0’为 +12.6kj/mol,反应的平衡常
数为 160。
磷酸肌酸 + ADP ----------→ 肌酸 + ATP
肌酸激酶
磷酸肌酸及其它贮能
物质的作用
当细胞处于静息状态时, ATP的浓度较高,
反应向合成磷酸肌酸的方向进行 。 当细胞处于活
动状态时, ATP的浓度下降, 反应即转向合成
ATP的方向进行, 因此磷酸肌酸有, ATP缓冲剂,
之称 。
磷酸精氨酸是某些无脊椎动物如蟹和龙虾等
肌肉中的贮能物质, 其作用与磷酸肌酸相似 。
有些微生物以聚偏磷酸作为贮能物质 。
聚偏磷酸的结构
ATP以外的其它核苷三磷酸
的递能作用
除了 ATP外, 其它核苷三磷酸也在某些情况
下为反应提供能量 。
ATP系统的动态平衡
细胞内的能量状态可用能荷或磷酸化势能来表示 。
][][][
][
2
1][
A M PA D PA T P
A D PA T P
??
?
?能荷
]][[
][
PiA D P
A T P?磷酸化势能
