湖北大学生命科学学院
第七章 代谢总论与生物能学
第一节 代谢总论
1、细胞如何从其环境中摄取能量
和还原能力？
2、细胞如何合成其大分子的构造
单元？
这些过程是由许多高度整合、相
互交织的化学反应来完成的，这些反应
总称为代谢。
问
题
一．代谢阶段,人和高等动物可分为 三个阶段,
1,消化、吸收：
食物（糖、脂和蛋白质） → 可吸收的小分子 → 肠
粘膜细胞 → 血循环 → 各组织细胞
2,中间代谢,在 细胞内进行，中间可有多步连续
反应。例 糖酵解,
G→G -6-P→→→→→→2 丙酮酸 → 2乳酸
（多个酶）
3,排泄废物：肾、肠、皮肤等 （生理学主讲）
二,代谢特点,
1．多步相关联的反应连续进行；
2．反应条件温和，由酶催化进行，一般无副反应；
3．对内外环境变化有高度适应性和灵敏的自动调节。
三,代谢的研究方法,
1,苯环化合物示踪法,1904年，德国 Knoop用此法确立了
脂肪酸氧化方式，提出 β -氧化学说。
2,稳定同位素示踪法,天然同位素（如 15N,13C等）。
3,放射性同位素示踪法,不稳定同位素（如 14C,131I等）。
4,整体（ in vivo）研究, 意即, 在体内, ；
组织切片组织匀浆和提取液,(in vitro)意即, 在体外,,
,在试管内, 。
四,代谢章节学习方法
主要学习与掌握,
1,代谢规律
2,代谢特点
3,酶催化作用
4,代谢调节
第二节 生物能学（ 生物化学中的热力学）
热力学在生物化学中最基本的用处在于判断
一个过程是否能够发生。
一,体系, 热力学中的体系（ system）是在一限定范围
内的物质。宇宙的其余部分的物质称为环境
（ surroundings）。
? 开放体系,体系与环境之间既有能量传递又有物质交
换；
? 封闭体系,体系与环境之间只有能量传递但没有物质
交换；
? 隔离体系,体系与环境之间没有能量传递也没有物质
交换。
二,内能和热力学第一定律,
?内能 （ internal energy）：体系内部质点能量
的总和，用符号 U（或 E）表示。内能的绝对值
是无法测量的，但其改变量却是可以测量的。
一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比
热、表面张力等，热力学用体系的这些性质来描述一个
体系所处的状态，并把这种性质与状态间的单值对应关
系称为 状态函数 （只与体系状态变化的始态和终态有关，
而与状态变化的过程无关。）：
1,内能 U ;
2.焓 (H = U + PV);
3.熵 S 与自由能 ΔG
? 热力学第一定律, 就是 能量守衡定律,说明能
的形式只能互相转变不能消灭。第一定律的数学
表达式是,ΔU= Q-W（ Q代表在过程中吸收的热
量,W代表体系所做的功,ΔU代表内能的变化）。
三、熵和热力学第二定律,
● 熵（ entropy）：用 S表示，代表一个体系散乱无序
的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵增加。
● 热力学第二定律：说的是只有当体系及其周围的熵
之和增加时，过程才能自发地进行。对于自发过
程 ΔS体系 +ΔS环境 >0
根据热力学第二定律，可以了解在机体内哪些
过程可能发生，推测哪些因素是某一过程发生的
条件。例如，形成一个高度有序的生物结构是可
能的，因为这种体系的熵减少被周围环境的熵增
加所补偿；生物体内部所有不可逆过程的发生是
可能的，它可不断地从周围环境吸取负熵来维持
生存，新陈代谢使机体成功地向周围环境释放正
熵。
● 自由能 的概念：
1878年,J.W.Gibbs 把热力学第一定律和第二定律
结合起来，提出了自由能这一函数。
其基本方程式为,△ G=△ H— T△ S（△ G是恒温、
恒压下自由能的变化，△ H是体系焓的变化，△ S是
体系熵的变化；△ H=△ U+P△ V，△ U是体系内能的
变化）。
自由能变化 △ G是判断一个化学反应能否向某个
反向进行的根据，△ G是负值表示反应可自发进行。
△ G和反应的速度、变化的途径无关，也不说明反
应的速率如何。
四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的 关系
考虑反应, A+B===C+D
此反应的△ G为：
△ G=△ G0+RT loge [C][D]/[A][B]
△ G0为标准自由能变化
R为气体常数
T为绝对温度
若将标准状况的 pH规定为 7.0，将 pH=7.0时的 标准自
由能变化 用 △ G0′ 表示，可以导出反应的标准自由能与
平衡常数之间的关系。
反应的标准自由能变化
及其与平衡常数的关系
平衡时，△ G=0
0=△ G0′+RT loge[C][D]/[A][B]
因此,△ G0′= — RT loge [C][D]/[A][B]
令 K′eq=[C][D]/[A][B]
则得：△ G0′= — RT logeK′eq
△ G0′= — 2.303 RT logeK′eq
即 K′eq =10— △ G0′/（ 2.303RT）
需要强调的是，自发反应的判断依据是△ G值，而不是
△ G0′值，△ G值为负即此反应能够自发进行。
利用平衡常数求出 △ G0′和 △ G 举例
*需要强调的是，自发反应的判断依据 是△ G值,
而 不是△ G0′ 值，△ G值为负值，即此反应能够
自发进行。
五,自由能变化的可加性及热力学上一个不
利反应可由一个有利的反应推动,
在偶联的几个化学反应中,自由能的总变化
等于每一步反应自由能变化的总和,
六、标准生成自由能及其与平衡常数的关系
标准生成自由能，用△ G0表示：
△ G0 =-RTlnKeq
七．能量学在生物化学应用中的一些规定
1、水的活度规定为 1；
2、把标准状况的 pH规定为 7.0；
3、△ G0′值基于每个反应物和产物都能够解离；
4、生化系统的标准自由能变化在过去以 cal 或
kcal 表示，现建议用 J 或 kJ 表示。
七, 高能化合物与
ATP的储存和利用
(一 )高能键和高能化合物
(二 )ATP的利用
(三 )磷酸肌酸和 ATP的转换
（一）高能键和高能化合物
生物化学中把磷酸化合物水解时放出
的能量大于 20KJ/mol者,称高能磷酸化
合物 。 其所含键称高能磷酸键。
高能磷酸化合物主要有四类：
1.磷酸酐
2.混合酐
3.烯醇磷酸
4.磷酸胍类
高能磷酸化合物
1,概念,生物机体内的许多磷酸化合物，其
磷酸基团水解时可释放出大量的自由能，这类
化合物称为 高能磷酸化合物 。
2、类型,
常见,磷氧键型 (-O-P):酰基磷酸化合物，焦磷
酸化合物，烯醇式磷酸化合物。
高能磷酸化合物 的类型
? 磷氧键型 (-O-P)
? 氮磷键型 (-N-P)
? 硫酯键型 (-CO-S)
? 甲硫键型 (-S-CH3)
(二 )ATP的利用
?1,ATP参与生物体内的代谢反应
?2.ATP促进其他多磷酸核酐生成
?3.ATP为生命活动直接提供能量
生物体内 ATP生成的方式
1.底物水平磷酸化,底物的高能磷酸基团
直接转移给 ADP生成 ATP。
2.氧化磷酸化,是指在电子传递过程中,释放
的能量使 ADP磷酸化成 ATP的过程。又
称电子传递水平磷酸化
（ 生物氧化一章学习 ）
ATP的结构特点,
ATP的生理作用
?1.机体能量的暂时存储形式
?2.机体其它能量形式的来源
?3.可生成 cAMP参与激素作用
?4.作为一种神经递质
(三 )磷酸肌酸与 ATP的转换
生物氧化与能量的
生成和利用
生物氧化：有 机 物 在 体 内 氧
化分 解 为 二 氧 化 碳和水并 释放能
量的过程。
又称组织呼吸、细胞呼吸。
生物氧化中物质氧化的方式
生物体内氧化作用主要有三种方式：
1.失电子 如,Fe2+— →Fe 3++e—
2.脱氢 如,醇氧化为醛
3.加氧 如,醛氧化为酸（加水脱氢反应）
*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的
释放和转移
第七章 代谢总论与生物能学
第一节 代谢总论
1、细胞如何从其环境中摄取能量
和还原能力？
2、细胞如何合成其大分子的构造
单元？
这些过程是由许多高度整合、相
互交织的化学反应来完成的，这些反应
总称为代谢。
问
题
一．代谢阶段,人和高等动物可分为 三个阶段,
1,消化、吸收：
食物（糖、脂和蛋白质） → 可吸收的小分子 → 肠
粘膜细胞 → 血循环 → 各组织细胞
2,中间代谢,在 细胞内进行，中间可有多步连续
反应。例 糖酵解,
G→G -6-P→→→→→→2 丙酮酸 → 2乳酸
（多个酶）
3,排泄废物：肾、肠、皮肤等 （生理学主讲）
二,代谢特点,
1．多步相关联的反应连续进行；
2．反应条件温和，由酶催化进行，一般无副反应；
3．对内外环境变化有高度适应性和灵敏的自动调节。
三,代谢的研究方法,
1,苯环化合物示踪法,1904年，德国 Knoop用此法确立了
脂肪酸氧化方式，提出 β -氧化学说。
2,稳定同位素示踪法,天然同位素（如 15N,13C等）。
3,放射性同位素示踪法,不稳定同位素（如 14C,131I等）。
4,整体（ in vivo）研究, 意即, 在体内, ；
组织切片组织匀浆和提取液,(in vitro)意即, 在体外,,
,在试管内, 。
四,代谢章节学习方法
主要学习与掌握,
1,代谢规律
2,代谢特点
3,酶催化作用
4,代谢调节
第二节 生物能学（ 生物化学中的热力学）
热力学在生物化学中最基本的用处在于判断
一个过程是否能够发生。
一,体系, 热力学中的体系（ system）是在一限定范围
内的物质。宇宙的其余部分的物质称为环境
（ surroundings）。
? 开放体系,体系与环境之间既有能量传递又有物质交
换；
? 封闭体系,体系与环境之间只有能量传递但没有物质
交换；
? 隔离体系,体系与环境之间没有能量传递也没有物质
交换。
二,内能和热力学第一定律,
?内能 （ internal energy）：体系内部质点能量
的总和，用符号 U（或 E）表示。内能的绝对值
是无法测量的，但其改变量却是可以测量的。
一个体系的性质包括：压力、体积、温度、组成、比
热、表面张力等，热力学用体系的这些性质来描述一个
体系所处的状态，并把这种性质与状态间的单值对应关
系称为 状态函数 （只与体系状态变化的始态和终态有关，
而与状态变化的过程无关。）：
1,内能 U ;
2.焓 (H = U + PV);
3.熵 S 与自由能 ΔG
? 热力学第一定律, 就是 能量守衡定律,说明能
的形式只能互相转变不能消灭。第一定律的数学
表达式是,ΔU= Q-W（ Q代表在过程中吸收的热
量,W代表体系所做的功,ΔU代表内能的变化）。
三、熵和热力学第二定律,
● 熵（ entropy）：用 S表示，代表一个体系散乱无序
的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵增加。
● 热力学第二定律：说的是只有当体系及其周围的熵
之和增加时，过程才能自发地进行。对于自发过
程 ΔS体系 +ΔS环境 >0
根据热力学第二定律，可以了解在机体内哪些
过程可能发生，推测哪些因素是某一过程发生的
条件。例如，形成一个高度有序的生物结构是可
能的，因为这种体系的熵减少被周围环境的熵增
加所补偿；生物体内部所有不可逆过程的发生是
可能的，它可不断地从周围环境吸取负熵来维持
生存，新陈代谢使机体成功地向周围环境释放正
熵。
● 自由能 的概念：
1878年,J.W.Gibbs 把热力学第一定律和第二定律
结合起来，提出了自由能这一函数。
其基本方程式为,△ G=△ H— T△ S（△ G是恒温、
恒压下自由能的变化，△ H是体系焓的变化，△ S是
体系熵的变化；△ H=△ U+P△ V，△ U是体系内能的
变化）。
自由能变化 △ G是判断一个化学反应能否向某个
反向进行的根据，△ G是负值表示反应可自发进行。
△ G和反应的速度、变化的途径无关，也不说明反
应的速率如何。
四、反应的标准自由能变化及其与平衡常数的 关系
考虑反应, A+B===C+D
此反应的△ G为：
△ G=△ G0+RT loge [C][D]/[A][B]
△ G0为标准自由能变化
R为气体常数
T为绝对温度
若将标准状况的 pH规定为 7.0，将 pH=7.0时的 标准自
由能变化 用 △ G0′ 表示，可以导出反应的标准自由能与
平衡常数之间的关系。
反应的标准自由能变化
及其与平衡常数的关系
平衡时，△ G=0
0=△ G0′+RT loge[C][D]/[A][B]
因此,△ G0′= — RT loge [C][D]/[A][B]
令 K′eq=[C][D]/[A][B]
则得：△ G0′= — RT logeK′eq
△ G0′= — 2.303 RT logeK′eq
即 K′eq =10— △ G0′/（ 2.303RT）
需要强调的是，自发反应的判断依据是△ G值，而不是
△ G0′值，△ G值为负即此反应能够自发进行。
利用平衡常数求出 △ G0′和 △ G 举例
*需要强调的是，自发反应的判断依据 是△ G值,
而 不是△ G0′ 值，△ G值为负值，即此反应能够
自发进行。
五,自由能变化的可加性及热力学上一个不
利反应可由一个有利的反应推动,
在偶联的几个化学反应中,自由能的总变化
等于每一步反应自由能变化的总和,
六、标准生成自由能及其与平衡常数的关系
标准生成自由能，用△ G0表示：
△ G0 =-RTlnKeq
七．能量学在生物化学应用中的一些规定
1、水的活度规定为 1；
2、把标准状况的 pH规定为 7.0；
3、△ G0′值基于每个反应物和产物都能够解离；
4、生化系统的标准自由能变化在过去以 cal 或
kcal 表示，现建议用 J 或 kJ 表示。
七, 高能化合物与
ATP的储存和利用
(一 )高能键和高能化合物
(二 )ATP的利用
(三 )磷酸肌酸和 ATP的转换
（一）高能键和高能化合物
生物化学中把磷酸化合物水解时放出
的能量大于 20KJ/mol者,称高能磷酸化
合物 。 其所含键称高能磷酸键。
高能磷酸化合物主要有四类：
1.磷酸酐
2.混合酐
3.烯醇磷酸
4.磷酸胍类
高能磷酸化合物
1,概念,生物机体内的许多磷酸化合物，其
磷酸基团水解时可释放出大量的自由能，这类
化合物称为 高能磷酸化合物 。
2、类型,
常见,磷氧键型 (-O-P):酰基磷酸化合物，焦磷
酸化合物，烯醇式磷酸化合物。
高能磷酸化合物 的类型
? 磷氧键型 (-O-P)
? 氮磷键型 (-N-P)
? 硫酯键型 (-CO-S)
? 甲硫键型 (-S-CH3)
(二 )ATP的利用
?1,ATP参与生物体内的代谢反应
?2.ATP促进其他多磷酸核酐生成
?3.ATP为生命活动直接提供能量
生物体内 ATP生成的方式
1.底物水平磷酸化,底物的高能磷酸基团
直接转移给 ADP生成 ATP。
2.氧化磷酸化,是指在电子传递过程中,释放
的能量使 ADP磷酸化成 ATP的过程。又
称电子传递水平磷酸化
（ 生物氧化一章学习 ）
ATP的结构特点,
ATP的生理作用
?1.机体能量的暂时存储形式
?2.机体其它能量形式的来源
?3.可生成 cAMP参与激素作用
?4.作为一种神经递质
(三 )磷酸肌酸与 ATP的转换
生物氧化与能量的
生成和利用
生物氧化：有 机 物 在 体 内 氧
化分 解 为 二 氧 化 碳和水并 释放能
量的过程。
又称组织呼吸、细胞呼吸。
生物氧化中物质氧化的方式
生物体内氧化作用主要有三种方式：
1.失电子 如,Fe2+— →Fe 3++e—
2.脱氢 如,醇氧化为醛
3.加氧 如,醛氧化为酸（加水脱氢反应）
*生物体内氧化还原反应的同时，有能量的
释放和转移
