5 能量与代谢
5.1 生物体的能量
5.2 热力学定律
5.3 细胞的能量通货 —— ATP
5.4 酶促反应
5.5 影响酶活性的因素
5.6 生物代谢
5.1 生物体的能量
? 生命活动需要能量
? 代谢是化学物质和能量的转化过程
? 生命的存在要靠能量,生物
本身不能创造新的能量。几
乎所有地球生命所需要的能
量都来自太阳。
? 自养生物与异养生物
? 生态系统中能量的流动是由
多样化的生命过程完成的
?热力学第一定律即能量守
恒定律
?宇宙的能量是一个常数，
能量可以不断被转化和转
移，但不可能被创造，也
不可能被消灭。
5.2 热力学定律
? 热力学第一定律
?热力学将不能做功的随机
和无序状态的能定义为 熵,
以 S表示。
?宇宙或系统的各种过程总
是向着熵增大的方向进行。
? 热力学第二定律
?热力学将系统中总的热量称为 焓,以 H表示。
?在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那
一部分能量为 自由能, 以 G表示 。
?当熵增加时, 系统的自由能便会下降, 因此有：
DG = DH-TDS (T为绝对温度 )
?生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定
律作抗争 。
? 热力学第二定律
?物理和化学过程达到平衡时,即达到系统的自由
能最小而熵最大。
? 放能反应和吸能反应
?在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，
这个反应便趋向于自发地进行。
?自发反应可释放自由能，称为 放能反应 。
?需从外界输入自由能才能进行的反应称为 吸能反应
5.3 细胞的能量通货 —— ATP
? 在活细胞中，能量贮存在
腺嘌呤核苷三磷酸 (ATP)中
ATP
? ATP水解时，一个高能磷酸
键断裂同时释放出能量
ATP+H2O ——> ADP+Pi
DG = -30.5 KJ/mol
NH2
? ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？
放能反应和 ATP
的合成相偶联，
吸能反应和 ATP
的分解相偶联。
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+h?
? 仲夏的夜晚萤火虫如何利用 ATP来发光？
?热力学原理只能帮助我们预测一个反应能否发
生，却不能告诉我们反应的速度有多快
?酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂
?绝大多数的酶都是蛋白质
?酶在常温、常压、中性 pH的温和条件下具有很
高的催化效率
5.4 酶促反应
? 酶是具有催化作用的蛋白质
?化学键 能障 活化能
? 酶的催化作用机理
? 酶可以降低活化一个反应所需要的能量
?酶 + 底物 ? 酶 -底物复合物 ? 酶 + 产物
E + S ? E-S ? E + P
? 酶与底物结合降低反应的活化能
? 特殊的三维空间结构和构象
? 酶的活性位点或酶的活性中心
?钥匙和锁 诱导契合
?酶的活性位点, 柔性学说,
? 酶的特异性（专一性）
5.5 影响酶活性的因素
? 温度的影响
? pH 的影响
? 辅助因子的作用
? 无机金属离子 —— 辅助因子
? 有机化合物 —— 辅酶 —— 递 H+或递电子
NADP+和 FAD
的递 H+和递
电子作用
? 酶的抑制剂
? 可逆与不可逆抑制剂
? 竞争性与非竞争性抑制剂
? 反馈抑制
? 酶促反应在细胞中往往不
是独立发生的
? 在代谢过程中局部反应对
催化该反应的酶所起的抑
制作用，称为反馈抑制
? 细胞自行调节其代谢的一
种机制
? 维持细胞稳态的重要机制
5.5 生物代谢
? 活细胞是一个微小的化学工业园
? 在极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应
? 代谢是生物体内所有化学反应过程的总称
? 代谢 —酶控制下的化学反应和能量转化
? 细胞不是一个装满了各种酶和底物的口袋
? 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被控制
和调节。
? 细胞利用能量（ ATP）完成各种工作
? 代谢途径就像复杂道路交通图
? 1853年, 法国科学家 Tour——正在发酵的啤酒含有酵母菌
? 同年, 德国科学家 Schwann——酵母菌在酒发酵中的关键作用
? 巴斯德（ Pasteur）与生物发酵
?科学界的排斥 ——
o 现代化学之父 Lavoiser坚持发酵只是
一种简单的化学反应，即：
C6H12O6 ? 2C2H5OH + 2CO2
o Liebig的嘲笑 不公正地解雇
?1854年, 巴斯德消毒法, 。酵母菌的
大量繁殖实验 ——酵母菌的代谢活动是
发酵的最重要因素。
?细胞体外的发酵也必须要有酶的参与
生命活动需要能量，代谢是发生在生物体内的化学物质和
能量的转化过程。生命活动符合热力学第一定律和热力学第二
定律。生命依靠不断地输入能量维持高度有序的整体。光能自
养生物依赖于光合作用、异养生物依赖消耗有机质来补充能量。
ATP是细胞的能量通货，生物体内放能反应与 ATP的合成相偶联，
吸能反应与 ATP的分解相偶联。
酶是具有催化作用的蛋白质，它可以降低活化一个反
应所需要的能量，在常温常压下催化生物化学反应。酶具有特
异性，酶的特异性在于酶的活性中心与底物的特殊匹配关系。
影响酶活性的主要因素包括温度,pH、抑制剂等。最终产物的
反馈抑制可防止细胞生成超过其需要的多余产物。
代谢是生物体内所有化学反应过程的总称，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
们高度有序并可以被控制和调节。伟大的生物学家 Pasteur用
令人信服的实验证明了酵母菌在葡萄酒发酵中的基本作用。
本章摘要
5.1 生物体的能量
5.2 热力学定律
5.3 细胞的能量通货 —— ATP
5.4 酶促反应
5.5 影响酶活性的因素
5.6 生物代谢
5.1 生物体的能量
? 生命活动需要能量
? 代谢是化学物质和能量的转化过程
? 生命的存在要靠能量,生物
本身不能创造新的能量。几
乎所有地球生命所需要的能
量都来自太阳。
? 自养生物与异养生物
? 生态系统中能量的流动是由
多样化的生命过程完成的
?热力学第一定律即能量守
恒定律
?宇宙的能量是一个常数，
能量可以不断被转化和转
移，但不可能被创造，也
不可能被消灭。
5.2 热力学定律
? 热力学第一定律
?热力学将不能做功的随机
和无序状态的能定义为 熵,
以 S表示。
?宇宙或系统的各种过程总
是向着熵增大的方向进行。
? 热力学第二定律
?热力学将系统中总的热量称为 焓,以 H表示。
?在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那
一部分能量为 自由能, 以 G表示 。
?当熵增加时, 系统的自由能便会下降, 因此有：
DG = DH-TDS (T为绝对温度 )
?生命依靠能量的不断输入一直在与热力学第二定
律作抗争 。
? 热力学第二定律
?物理和化学过程达到平衡时,即达到系统的自由
能最小而熵最大。
? 放能反应和吸能反应
?在一个反应中，如果产物比反应物含有更少的自由能，
这个反应便趋向于自发地进行。
?自发反应可释放自由能，称为 放能反应 。
?需从外界输入自由能才能进行的反应称为 吸能反应
5.3 细胞的能量通货 —— ATP
? 在活细胞中，能量贮存在
腺嘌呤核苷三磷酸 (ATP)中
ATP
? ATP水解时，一个高能磷酸
键断裂同时释放出能量
ATP+H2O ——> ADP+Pi
DG = -30.5 KJ/mol
NH2
? ATP作为细胞能量的通货是如何工作的？
放能反应和 ATP
的合成相偶联，
吸能反应和 ATP
的分解相偶联。
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+h?
? 仲夏的夜晚萤火虫如何利用 ATP来发光？
?热力学原理只能帮助我们预测一个反应能否发
生，却不能告诉我们反应的速度有多快
?酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂
?绝大多数的酶都是蛋白质
?酶在常温、常压、中性 pH的温和条件下具有很
高的催化效率
5.4 酶促反应
? 酶是具有催化作用的蛋白质
?化学键 能障 活化能
? 酶的催化作用机理
? 酶可以降低活化一个反应所需要的能量
?酶 + 底物 ? 酶 -底物复合物 ? 酶 + 产物
E + S ? E-S ? E + P
? 酶与底物结合降低反应的活化能
? 特殊的三维空间结构和构象
? 酶的活性位点或酶的活性中心
?钥匙和锁 诱导契合
?酶的活性位点, 柔性学说,
? 酶的特异性（专一性）
5.5 影响酶活性的因素
? 温度的影响
? pH 的影响
? 辅助因子的作用
? 无机金属离子 —— 辅助因子
? 有机化合物 —— 辅酶 —— 递 H+或递电子
NADP+和 FAD
的递 H+和递
电子作用
? 酶的抑制剂
? 可逆与不可逆抑制剂
? 竞争性与非竞争性抑制剂
? 反馈抑制
? 酶促反应在细胞中往往不
是独立发生的
? 在代谢过程中局部反应对
催化该反应的酶所起的抑
制作用，称为反馈抑制
? 细胞自行调节其代谢的一
种机制
? 维持细胞稳态的重要机制
5.5 生物代谢
? 活细胞是一个微小的化学工业园
? 在极其微小的空间内发生着数千种生物化学反应
? 代谢是生物体内所有化学反应过程的总称
? 代谢 —酶控制下的化学反应和能量转化
? 细胞不是一个装满了各种酶和底物的口袋
? 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被控制
和调节。
? 细胞利用能量（ ATP）完成各种工作
? 代谢途径就像复杂道路交通图
? 1853年, 法国科学家 Tour——正在发酵的啤酒含有酵母菌
? 同年, 德国科学家 Schwann——酵母菌在酒发酵中的关键作用
? 巴斯德（ Pasteur）与生物发酵
?科学界的排斥 ——
o 现代化学之父 Lavoiser坚持发酵只是
一种简单的化学反应，即：
C6H12O6 ? 2C2H5OH + 2CO2
o Liebig的嘲笑 不公正地解雇
?1854年, 巴斯德消毒法, 。酵母菌的
大量繁殖实验 ——酵母菌的代谢活动是
发酵的最重要因素。
?细胞体外的发酵也必须要有酶的参与
生命活动需要能量，代谢是发生在生物体内的化学物质和
能量的转化过程。生命活动符合热力学第一定律和热力学第二
定律。生命依靠不断地输入能量维持高度有序的整体。光能自
养生物依赖于光合作用、异养生物依赖消耗有机质来补充能量。
ATP是细胞的能量通货，生物体内放能反应与 ATP的合成相偶联，
吸能反应与 ATP的分解相偶联。
酶是具有催化作用的蛋白质，它可以降低活化一个反
应所需要的能量，在常温常压下催化生物化学反应。酶具有特
异性，酶的特异性在于酶的活性中心与底物的特殊匹配关系。
影响酶活性的主要因素包括温度,pH、抑制剂等。最终产物的
反馈抑制可防止细胞生成超过其需要的多余产物。
代谢是生物体内所有化学反应过程的总称，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
们高度有序并可以被控制和调节。伟大的生物学家 Pasteur用
令人信服的实验证明了酵母菌在葡萄酒发酵中的基本作用。
本章摘要
