第20章生物能學(xué)

主要內(nèi)容：生物能熱力學(xué)的基本內(nèi)容和高能化合物的概念和特點(diǎn)。返回內(nèi)容一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、自由能的概念三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義四、高能化合物一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念

體系、環(huán)境、開放體系、封閉體系、隔離體系

能的兩種形式—熱與功

熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internalenergy)、焓(enthalpy)

熱力學(xué)第二定律和熵(entropy)

自由能(freeenergy)體系（system)：研究中所涉及的全部物質(zhì)的總稱環(huán)境（外界）(surroundings)：指規(guī)定體系以外的物質(zhì)的總稱，即與體系直接作用的外界開放體系(opensystem)：與環(huán)境間有物質(zhì)交換和能量傳遞體系隔離體系(isolatedsystem)：與環(huán)境間沒有物質(zhì)交換和能量傳遞封閉體系(closedsystem)：與環(huán)境間只有能量傳遞，無物質(zhì)交換功是體系與環(huán)境之間的另外一種能量交換形式，伴隨著質(zhì)點(diǎn)的定向運(yùn)動(dòng).做功的實(shí)質(zhì)是內(nèi)能和其他形式的能之間的轉(zhuǎn)化的過程，能的形式發(fā)生改變能的兩種形式——熱與功熱是溫差產(chǎn)生的熱量傳遞，伴隨著質(zhì)點(diǎn)的無序運(yùn)動(dòng)

熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internalenergy)、

焓(enthalpy)[en'θ?lpi]

內(nèi)能（UorE)：體系內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)能量的總和，內(nèi)能與狀態(tài)有關(guān)，與途徑無關(guān)。焓：體系的內(nèi)能與全部分子的壓力和體積總變化的和

Δ

H=ΔU+ΔPV熱力學(xué)第一定律(能量守恒定律）體系內(nèi)能的變化等于體系吸收的熱量減去所做的功（ΔU=Q-W)★溫度高分子運(yùn)動(dòng)快分子動(dòng)能大內(nèi)能大☆溫度低分子運(yùn)動(dòng)慢分子動(dòng)能小內(nèi)能低對于同一個(gè)物體:▲同一物體，溫度越高，內(nèi)能越大，溫度越低，內(nèi)能越小化學(xué)能的轉(zhuǎn)化綠色植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；異氧生物在代謝過程中把蘊(yùn)涵的能量釋放出來加以利用。燃燒熱：1mol的有機(jī)化合物完全氧化釋放出的最大能量燃燒與生物氧化的能量釋放熱力學(xué)第二定律和熵(entropy)熵：代表體系能量分散程度的狀態(tài)函數(shù)熱力學(xué)第二定律：熱的傳導(dǎo)只能由高溫物體傳到低溫物體——方向性二、自由能（freeenergy）物理意義：－ΔＧ＝Ｗ*(體系中能對環(huán)境作功的能量)

自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即：

ΔG<0，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行

ΔG>0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行

ΔG=0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。

自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個(gè)函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系

假設(shè)有一個(gè)化學(xué)反應(yīng)式：aA+bB=cC+dD

恒溫恒壓下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc

式中：ΔG°′=-RTlnKeq例：計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化

ΔG′—某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的pH和溫度而改變的自由能變化。

Qc-濃度商：

ΔG°′—標(biāo)準(zhǔn)條件（T=298OK,大氣壓為1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。

Keq-平衡常數(shù)：計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化

達(dá)平衡時(shí)=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303

8.314

311

log19=-7.6KJ.mol-1ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-濃度商)=-7.6+2.303

8.314

311

log0.1=-13.6KJ.MOL-1未達(dá)平衡時(shí)=Qc=0.1反應(yīng)G-1-PG-6-P在380C達(dá)到平衡時(shí)，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0

。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反應(yīng)的ΔG

是多少？例題：三、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義

1化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式

ΔＧ=ΔH-TΔS2

標(biāo)準(zhǔn)自由能變化ΔＧ0

溫度壓力反應(yīng)物和生成物的濃度酸堿度3標(biāo)準(zhǔn)生成自由能

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol單質(zhì)生成1mol純化合物時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化2、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定1、在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時(shí)，水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。3、ΔG°′是pH為7.0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能4、根據(jù)國際單位制(LeSystemeinternationalUnit，簡稱SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。生物系統(tǒng)中的能流脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環(huán)電子傳遞（氧化）蛋白質(zhì)脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi小分子化合物分解成共同的中間產(chǎn)物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進(jìn)入三羧酸循環(huán),氧化脫下的氫由電子傳遞鏈傳遞生成H2O，釋放出大量能量，其中一部分通過磷酸化儲(chǔ)存在ATP中。大分子降解成基本結(jié)構(gòu)單位

生物體內(nèi)能量產(chǎn)生的三個(gè)階段四高能化合物一、高能化合物的類型

二、ATP的特點(diǎn)及其特殊作用

生化反應(yīng)中，在水解時(shí)或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（>21千焦/摩爾）的化合物稱為高能化合物(注意：高能鍵和鍵能的區(qū)別）。高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物高能化合物類型ATP的特點(diǎn)

在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個(gè)磷酸基團(tuán)完全解離,具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-

+

+

+Mg2+磷脂鍵酸酐鍵a?γ酸酐鍵的共振穩(wěn)定性小于磷脂鍵型ATP水解形成的產(chǎn)物具有最低能量的構(gòu)象形式，即有更大的共振穩(wěn)定性酸酐鍵溶劑化所需能量小于磷脂鍵

歸納為兩類導(dǎo)致反應(yīng)物不穩(wěn)定的因素導(dǎo)致產(chǎn)物穩(wěn)定的因素ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用

★

ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”★

ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體

～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移能磷酸烯醇式丙酮酸1、3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲(chǔ)備物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油將高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給肌酸以磷酸肌酸形式儲(chǔ)存

磷酸肌酸——ATP緩沖劑磷酸肌酸（C～P）是肌肉和腦組織中能量的貯存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸鍵不能被直接利用，而必須先將其高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給ATP，才能供生理活動(dòng)之需。這一反應(yīng)過程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

磷酸肌酸——ATP緩沖劑當(dāng)ATP用于肌肉收縮，就會(huì)產(chǎn)生ADP，通過肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供給ADP以磷酸基，從而恢復(fù)正常的ATP高水平。由于肌肉細(xì)胞的磷酸肌酸含量是其ATP含量的3～4倍，前者可貯存供短期活動(dòng)用的、足夠的磷酸基團(tuán)。在活動(dòng)后的恢復(fù)期中，積累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸。

磷酸肌酸人體肌肉中磷酸肌酸的含量和再合成速度是運(yùn)動(dòng)元速度素質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)，ATP濃度較高，反應(yīng)趨向于合成磷酸肌酸，反之，細(xì)胞處于活躍狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)趨向于合成ATP方向因此，磷酸肌酸有ATP緩沖劑之稱。能荷能荷是細(xì)胞所處能量狀態(tài)的指標(biāo)當(dāng)所有腺苷酸充分磷酸化為ATP，能荷值為1；當(dāng)所有腺苷酸去磷酸化為AMP，能荷值為零。