二十章節(jié)生物能學(xué)ppt課件

1、一、有關(guān)熱力學(xué)的一些根本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些根本概念 一、體系一、體系 宇宙宇宙 太陽系太陽系 地球地球 每個生物或非生物每個生物或非生物 化學(xué)反響體系化學(xué)反響體系能量的傳送方式熱熱功功？內(nèi)能的傳送方式內(nèi)能的傳送方式？動能、勢能轉(zhuǎn)化和傳送的方式動能、勢能轉(zhuǎn)化和傳送的方式包括機(jī)械功、電功、化學(xué)功等包括機(jī)械功、電功、化學(xué)功等二、能的兩種方式二、能的兩種方式體系總能量體系總能量 = 可做功的能可做功的能+ 不能做功的能不能做功的能H 自在能自在能G 熱能熱能 熱力學(xué)第一定律(能量轉(zhuǎn)化與守恒定律) 熱力學(xué)第二定律(能量傳送的方向性定律) 當(dāng)體系的形狀發(fā)生變化后總能量不變總能量不變變化的是變化的是G

2、 G變化朝自在能降低的變化朝自在能降低的方向進(jìn)展方向進(jìn)展 G 二、化學(xué)反響體系中的自在能二、化學(xué)反響體系中的自在能一根據(jù)自在能變化可以判別中間物質(zhì)代謝方向一根據(jù)自在能變化可以判別中間物質(zhì)代謝方向形狀形狀A(yù) GA 形狀形狀B GB G = GB GA 當(dāng)反響體系恒溫、恒壓下發(fā)生變化時當(dāng)反響體系恒溫、恒壓下發(fā)生變化時 G0時，時，W0，體系對外作功，該反響可自發(fā)，體系對外作功，該反響可自發(fā)進(jìn)展，放能反響進(jìn)展，放能反響 G = 0時，時，W =0，該反響處于平衡，該反響處于平衡 G0時，時，W0，該反響不可自發(fā)進(jìn)展，必需吸，該反響不可自發(fā)進(jìn)展，必需吸收外來能量才干進(jìn)展吸能反響，同時，該反響收外來能量

3、才干進(jìn)展吸能反響，同時，該反響的逆過程可以自發(fā)進(jìn)展。的逆過程可以自發(fā)進(jìn)展。任何形狀下任何形狀下 G= GO + RTlnK GO這一反響在規(guī)范形狀這一反響在規(guī)范形狀pH=0, 25 1atm的自在能變化規(guī)范自在能可查表或計的自在能變化規(guī)范自在能可查表或計算，參見算，參見，與反響的平衡常數(shù)有關(guān)。，與反響的平衡常數(shù)有關(guān)。 K=B/A 或或B1B2Bn/ A1A2An R：氣體常數(shù)：氣體常數(shù)1.98x10-3 kcal/mol k 8.31x10 -3 kJ/mol k T： 絕對溫度絕對溫度k) 生物代謝略有不同，生物代謝略有不同， GO改為改為GOpH=7) G= GO + RTlnKG0,可；

4、可； =0,平衡；平衡；0,否否 例：當(dāng)例：當(dāng) 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 與與 3-磷酸磷酸-甘甘 油醛油醛 平衡時，平衡時， 濃度比為濃度比為 0.0475(Keq) pH=7, 25 1atm該反響平衡點時：該反響平衡點時： 甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 K= = 4.75x10-2 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮判別：當(dāng)磷酸二羥丙酮為判別：當(dāng)磷酸二羥丙酮為 3 x 10-6 mol/L，3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 為為 2 x 10-4 mol/L 時，反時，反響怎樣進(jìn)展？響怎樣進(jìn)展？ G= GO + RTlnK平衡時，平衡時， G= 0 K = Keq GO = - RTlnKeq = - 2

5、.303RTlgKeq GO = - RTlnKeq= - 2.303 x 1.98x10-3 x298 x log (0.0475)= 1.81kcal/molG = GO + RTln產(chǎn)物產(chǎn)物/反響物反響物= 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 二偶聯(lián)化學(xué)反響規(guī)范自在能變化的可加性二偶聯(lián)化學(xué)反響規(guī)范自在能變化的可加性熱力學(xué)上不利的反響可以由熱力學(xué)上有利的熱力學(xué)上不利的反響可以由熱力學(xué)上有利的反響所驅(qū)動反響所驅(qū)動 A B GO0 不能

6、自發(fā)進(jìn)展不能自發(fā)進(jìn)展CD GO0 能自發(fā)進(jìn)展能自發(fā)進(jìn)展 A+C B+D GO0 能自發(fā)進(jìn)展能自發(fā)進(jìn)展三、三、 高能化合物高能化合物 定義：普通將水解時可以釋放定義：普通將水解時可以釋放21 kJ /mol5千卡千卡/mol)以上以上自在能自在能 G -21 kJ / mol的化合物稱為高能化合物。的化合物稱為高能化合物。 高能化合物水解高能化合物水解低能化合物低能化合物 GO0 能自發(fā)進(jìn)能自發(fā)進(jìn)展展 A B GO0 不能自發(fā)進(jìn)展不能自發(fā)進(jìn)展 A+高能化合物高能化合物 B+低能化合物低能化合物 GO0 能自發(fā)進(jìn)展能自發(fā)進(jìn)展兩反響如何可以結(jié)合在一同呢？兩反響如何可以結(jié)合在一同呢？一功能一功能高能基

7、團(tuán)的傳送有著非常重要的生物意義有著非常重要的生物意義類似的活化反響非常普遍存在。類似的活化反響非常普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比磷酸葡萄糖比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，這步活高，更易于分解，這步活化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解的根基。解的根基。激酶激酶激活底物激活底物A銜接高能鍵的酶銜接高能鍵的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化能量添加反響活化能量添加反響例例D-葡萄糖葡萄糖 + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + ADP硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物 S甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物 CH3S+- C-CCOO

8、二高能化合物的種二高能化合物的種類類 高能鍵高能鍵,水解斷水解斷開，并可傳送能開，并可傳送能量量磷氧型磷氧型-OP磷氮型磷氮型 HN =C-NP(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,磷氧鍵型磷氧鍵型OP)OP)COCHOCH2OHOPOO-O-POO-O-(1)酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸CH3COOPOO-O-乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾H3N+COOPOO-O-氨甲酰磷酸R COOPOOO-A?；佘账酭CH COOPOOO-AN+H3氨?；佘账? 2焦磷酸化合物焦磷酸化合物O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-PO

9、O-ATP三磷酸腺苷三磷酸腺苷O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩爾3 3烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物OPOOCOOHCOCH2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾2, 2, 氮磷鍵型氮磷鍵型OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2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/摩爾7.7千卡/摩爾蝦、蟹這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用。3,3,硫酯鍵型硫酯鍵型O SOO-OCH2OHHOHHOHHNNNH2NN

10、O POO-3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸RCOSCoA?；o酶A4, 4, 甲硫鍵型甲硫鍵型COO-CHNH3+CH2CH2S+H3CAS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸三三ATP的構(gòu)造特點的構(gòu)造特點O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-酸酸酐酐鍵鍵磷磷酯酯鍵鍵導(dǎo)致共價鍵不穩(wěn)導(dǎo)致共價鍵不穩(wěn)1、酸酐鍵上的、酸酐鍵上的P爭奪電子，導(dǎo)致使氧橋的爭奪電子，導(dǎo)致使氧橋的穩(wěn)定性降低，甚至斷裂。穩(wěn)定性降低，甚至斷裂。2、pH=7時，時，ATP帶帶4個負(fù)電荷，相互排斥。個負(fù)電荷，相互排斥。3、產(chǎn)物、產(chǎn)物ADP和磷酸比和磷酸比ATP穩(wěn)定。穩(wěn)定。高能化合物由于內(nèi)在要素本身化學(xué)不穩(wěn)定高

11、能化合物由于內(nèi)在要素本身化學(xué)不穩(wěn)定(G高高)，水，水解產(chǎn)物穩(wěn)定解產(chǎn)物穩(wěn)定(G低低)。四細(xì)胞內(nèi)影響四細(xì)胞內(nèi)影響ATP水解的要素水解的要素 pH pH越高，放出的能量越多越高，放出的能量越多 五五ATP “能量中間體能量中間體 穩(wěn)定程度不同，各種高能化合物的穩(wěn)定程度不同，各種高能化合物的Go有高低之分有高低之分化合物化合物磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能 Go（千卡（千卡/摩爾）摩爾） Go（千焦（千焦/摩爾）摩爾）磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸1486193-磷酸甘油酸磷酸磷酸甘油酸磷酸118493磷酸肌酸磷酸肌酸103431乙酰磷酸乙酰磷酸101423磷酸精氨酸磷酸精氨酸77323ATP（A

12、DP+Pi）73305ADP（AMP+Pi）73305AMP（腺苷（腺苷+Pi）34142葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸50209果糖果糖-6-磷酸磷酸38159葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸33138甘油甘油-1-磷酸磷酸2292類似的活化反響非常普遍存在。類似的活化反響非常普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比磷酸葡萄糖比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，這步活高，更易于分解，這步活化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解的根基。解的根基。激酶激酶激活底物激活底物A銜接高能鍵的酶銜接高能鍵的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化能量添加

13、反響活化能量添加反響例例D-葡萄糖葡萄糖 + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + ADP 磷酸肌酸磷酸肌酸 暫時儲能物質(zhì)暫時儲能物質(zhì)作用：能量傳送作用：能量傳送轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化傳傳送送傳送傳送OPOONHCNHNCH3CH2COOHOPOONHCNHNCH3CH2CH2CH2CHCOOHNH2磷酸肌酸磷酸肌酸哺乳類哺乳類磷酸精氨酸蝦、蟹磷酸精氨酸蝦、蟹六磷酸肌酸和磷酸精氨酸六磷酸肌酸和磷酸精氨酸 這兩種高能這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用化合物在生物體內(nèi)起儲存能量的作用H磷酸肌酸磷酸肌酸 + ADP + ADP 肌酸肌酸 + ATP + ATPG = G 1 + G2 = -43.1 +

14、30.5 = -12.6 KJ/ mol在機(jī)體中，由于反響物和產(chǎn)物的濃度接近平衡點，在機(jī)體中，由于反響物和產(chǎn)物的濃度接近平衡點，所以，所以，當(dāng)反響物或產(chǎn)物的量有所變化時，機(jī)所以，所以，當(dāng)反響物或產(chǎn)物的量有所變化時，機(jī)領(lǐng)會很靈敏地進(jìn)展調(diào)理，使反響朝領(lǐng)會很靈敏地進(jìn)展調(diào)理，使反響朝ATP生成或磷酸生成或磷酸肌酸生成的方向進(jìn)展。磷酸肌酸被稱為肌酸生成的方向進(jìn)展。磷酸肌酸被稱為ATP緩沖劑。緩沖劑。七七ATPATP斷裂成斷裂成AMP AMP 和焦磷酸和焦磷酸O-POO-NNNNN H2OHHO HHO HHO C H2O-POO-O-POO-O-POO-O POO-O-焦磷酸焦磷酸7.7千卡/摩爾O-POO-O POO-O-O-POO-O POO-O-2 -6.9千卡千卡/摩爾摩爾7.7 + 6.9 = 14.6千卡千卡/摩爾摩爾活化底物需求更多能量時活化底物需求更多能量時( (八八 其他三磷酸核苷的遞能作用其他三磷酸核苷的遞能作用能量源自能量源自能源物質(zhì)糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)的分解能源物質(zhì)糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)的分解分 解 代 謝分 解 代 謝氧 化 產(chǎn) 能氧 化 產(chǎn) 能ADP機(jī)械能運動機(jī)械能運