第二章生物能学.ppt

第二十章 生物能学一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念 （一）、体系（一）、体系 宇宙宇宙 太阳系太阳系 地球地球 每个生物或非生物每个生物或非生物 化学反应体系化学反应体系能量的传递形式热热功功？？内能内能的传递方式的传递方式？？动能、势能动能、势能转化和传递的方式转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等包括机械功、电功、化学功等（二）、能的两种形式（二）、能的两种形式体系总能量体系总能量 = 可做功的能可做功的能+ 不能做功的能不能做功的能（（H）） （（自由能自由能G）） （（热能）热能） 热力学第一定律热力学第一定律(能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律) 热力学第二定律热力学第二定律(能量传递的方向性定律能量传递的方向性定律) 当体系的状态发生变化后当体系的状态发生变化后总能量不变总能量不变变化的是变化的是G（（ △△G））变化朝自由能降低的变化朝自由能降低的方向进行方向进行 （（—△△G ））二、化学反应体系中的自由能二、化学反应体系中的自由能（一）根据（一）根据自由能变化自由能变化可以可以判断判断中间物质代谢方向中间物质代谢方向状态状态A GA 状态状态B GB △△G = GB — GA 当反应体系恒温、恒压下发生变化时当反应体系恒温、恒压下发生变化时•①① △△G＜＜0时，时，W＞＞0，，体系对外作功，体系对外作功，该反应该反应可自可自发发进行，放能反应进行，放能反应•②② △△G = 0时，时，W =0，，该反应处于平衡该反应处于平衡•③③ △△G＞＞0时，时，W＜＜0，，该反应该反应不可自发不可自发进行，进行，必须必须吸收外来能量才能进行（吸能反应）吸收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反，同时，该反应的逆过程可以自发进行。

应的逆过程可以自发进行任何状态下任何状态下 △△G= △△GO + RTlnK △△GO—这一反应在标准状态（这一反应在标准状态（pH=0, 25℃℃ 1atm））的自由能变化（标准自由能）（可查表或计的自由能变化（标准自由能）（可查表或计算，参见算，参见《《物理化学物理化学》》），与反应的平衡常数有关与反应的平衡常数有关 K=[B]/[A] 或或[B1][B2]…[Bn]/ [A1][A2]…[An] R：：气体常数（气体常数（1.98x10-3 kcal/mol k ）） （（ 8.31x10 -3 kJ/mol k）） T：： 绝对温度（绝对温度（k) •生物代谢略有不同，生物代谢略有不同， △△GO改为改为△△GO`（（pH=7)•△△G= △△GO｀｀ + RTlnK△ △G＜＜0,可可；； =0,平衡平衡；；＞＞0,否否  例：当例：当 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 与与 3-磷酸磷酸-甘甘 油醛油醛 平衡时，平衡时， 浓度比为浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25℃℃ 1atm该反应平衡点时：该反应平衡点时： [甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸] K= = 4.75x10-2 [磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮]判断：当磷酸二羟丙酮为判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L，，3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 为为 2 x 10-4 mol/L 时，反应怎样进行？时，反应怎样进行？ △△G= △△GO｀｀ + RTlnK平衡时，平衡时， △△G= 0 K = Keq △△GO｀｀ = - RTlnKeq = - 2.303RTlgKeq △△GO｀｀ = - RTlnKeq= - 2.303 x 1.98x10-3 x298 x log (0.0475)= 1.81kcal/mol△△G = △△GO｀｀ + RTln[产物产物]/[反应物反应物]= 1.81kcal/mol +2.303 x 1.98x10-3 x298 x log [3 x 10-6 mol/L (甘）甘） / 2 x 10-4 mol/L （（丙）丙）]=-0.067 kcal/mol （二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性热力学上不利的反应可以由热力学上有利的热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反应所驱动反应所驱动 A →B △△GO＞＞0 （（不能不能自发进行）自发进行）•C→D △△GO＜＜0 （（能能自发进自发进行）行） A+C →B+D △△GO＜＜0 （（能能自发进行）自发进行）三、三、 高能化合物高能化合物•定义：定义：一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ /mol21 kJ /mol（（5 5千卡千卡/mol)/mol)以上自由能（以上自由能（ G G ’< -21 kJ / mol’< -21 kJ / mol））的化的化合物称为高能化合物。

合物称为高能化合物• 高能化合物高能化合物（（水解）水解）→低能化合物低能化合物 △△GO＜＜0 （（能能自发进行）自发进行）•———————————————————————————————— A →B △△GO＞＞0 （（不能不能自发进行）自发进行） A+高能化合物高能化合物 →B+低能化合物低能化合物 △△GO＜＜0 （（能能自发进行）自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？两反应如何可以结合在一起呢？（一）功能（一）功能高能基团的传递有着十分重要的生物意义有着十分重要的生物意义•类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在十分普遍存在•D-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖比比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，这步活高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基激酶激酶——激活底物激活底物（（A））连接高能键的酶连接高能键的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化活化（能量增加）（能量增加）反应反应例例D-葡萄糖葡萄糖 + ATPD-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖 + ADP 激酶激酶 激酶激酶硫酯键化合物硫酯键化合物 ~ S甲硫键化合物甲硫键化合物 CH3~S+- C-CO（二）高能化合物的种类（二）高能化合物的种类~ 高能键高能键, ,水解断开，并可传递能量水解断开，并可传递能量磷氧型磷氧型-O~P磷氮型磷氮型 HN =C-N~P(O)磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物1,1,磷氧键型（磷氧键型（—O~P)—O~P)(1)酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨酰基腺苷酸（（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物ATP（（三磷酸腺苷）三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩尔（（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩尔2, 2, 氮磷键型氮磷键型磷酸肌酸（磷酸肌酸（N-甲基甲基-胍基乙酸）胍基乙酸）磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩尔7.7千卡/摩尔（虾、蟹）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用3,3,硫酯键型硫酯键型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸酰基辅酶A4, 4, 甲硫键型甲硫键型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸（（三）三）ATP的的结构特点结构特点酸酸酐酐键键磷磷酯酯键键导致共价键不稳导致共价键不稳1、酸酐键上的、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂稳定性降低，甚至断裂2、、pH=7时，时，ATP带带4个负电荷，互相排个负电荷，互相排斥3、产物（、产物（ADP和磷酸）比和磷酸）比ATP稳定高能化合物由于内在因素高能化合物由于内在因素本身化学不稳定本身化学不稳定(G高高)，水，水解产物稳定解产物稳定(G低低)（四）细胞内影响（四）细胞内影响ATP水解的因素水解的因素 pH（（ pH越越高高，放出的能量越多），放出的能量越多） （（五）五）ATP “能量中间体能量中间体”•稳定程度不同，各种高能化合物的稳定程度不同，各种高能化合物的△△Go`有高低之分有高低之分•类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在十分普遍存在•D-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖比比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，这步活高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。

的根基激酶激酶——激活底物激活底物（（A））连接高能键的酶连接高能键的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化活化（能量增加）（能量增加）反应反应例例D-葡萄糖葡萄糖 + ATPD-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖 + ADP 激酶激酶 激酶激酶 磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸 暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质暂时储能物质磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖1-1-磷酸磷酸磷酸磷酸作用：作用：能量传递能量传递转转化化传传递递传递传递磷酸肌酸磷酸肌酸（哺乳类）（哺乳类）磷酸精氨酸磷酸精氨酸（虾、蟹）（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 这两种高能这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用化合物在生物体内起储存能量的作用H磷酸肌酸磷酸肌酸 + ADP 肌酸肌酸 + ATP△△G = △△G 1 + △△G2 = -43.1 +30.5 = -12.6 KJ/ mol在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机体会很灵敏地进行调节，使反应朝体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸生成或磷酸肌酸生成的方向进行。

磷酸肌酸被称为肌酸生成的方向进行磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂（七）（七）ATPATP断裂成断裂成AMP AMP 和焦磷酸和焦磷酸焦磷酸焦磷酸7.7千卡/摩尔2 -6.9千卡千卡/摩尔摩尔7.7 + 6.9 = 14.6千卡千卡/摩尔摩尔活化底物需要更多能量时活化底物需要更多能量时( (八）八） 其他三磷酸核苷的递能作用其他三磷酸核苷的递能作用能量源自能量源自能源物质（能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解）的分解分分 解解 代代 谢谢氧氧 化化产产 能能产产 能能ADP机械能机械能（运动）（运动）化学能化学能（合成反应）（合成反应）渗透能渗透能（分泌、吸收）（分泌、吸收）电能电能（生物电）（生物电）热能热能（体温维持）（体温维持）光能光能（生物发光）（生物发光） UTP、、GTP、、CTP、、TTP合成，供能合成，供能ATP( (九）九） 能荷能荷能能 荷荷 = = [ATP]+1/2[ADP][ATP]+1/2[ADP] [ATP]+[ADP][ATP]+[ADP] +[AMP]+[AMP] 分母是个定值，能荷在一定范围内波动分母是个定值，能荷在一定范围内波动（（0.8-0.95)0.8-0.95)，受到机体的严格调控。