《生物能學(xué)》課件

第二十章生物能學(xué)1一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念2（一）、體系宇宙太陽(yáng)系地球每個(gè)生物或非生物化學(xué)反應(yīng)體系3能量的傳遞形式熱功？?jī)?nèi)能的傳遞方式？動(dòng)能、勢(shì)能轉(zhuǎn)化和傳遞的方式包括機(jī)械功、電功、化學(xué)功等（二）、能的兩種形式4體系總能量=可做功的能+不能做功的能（H）（自由能G）（熱能）5

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(能量傳遞的方向性定律)

當(dāng)體系的狀態(tài)發(fā)生變化后總能量不變變化的是G（△G）變化朝自由能降低的方向進(jìn)行（—△G）6二、化學(xué)反應(yīng)體系中的自由能（一）根據(jù)自由能變化可以判斷中間物質(zhì)代謝方向7狀態(tài)AGA

狀態(tài)BGB

△G=GB—GA

當(dāng)反應(yīng)體系恒溫、恒壓下發(fā)生變化時(shí)8①△G＜0時(shí)，W＞0，體系對(duì)外作功，該反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，放能反應(yīng)②△G=0時(shí)，W=0，該反應(yīng)處于平衡③△G＞0時(shí)，W＜0，該反應(yīng)不可自發(fā)進(jìn)行，必須吸收外來(lái)能量才能進(jìn)行（吸能反應(yīng)），同時(shí)，該反應(yīng)的逆過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行。9任何狀態(tài)下

△G=△GO+RTlnK

△GO—這一反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（pH=0,25℃1atm）的自由能變化（標(biāo)準(zhǔn)自由能）（可查表或計(jì)算，參見《物理化學(xué)》），與反應(yīng)的平衡常數(shù)有關(guān)。K=[B]/[A]或[B1][B2]…[Bn]/[A1][A2]…[An]R：氣體常數(shù)（1.98x10-3kcal/molk）（8.31x10-3kJ/molk）T：絕對(duì)溫度（k)

10生物代謝略有不同，△GO改為△GO`（pH=7)△G=△GO｀+RTlnK△G＜0,可；

=0,平衡；＞0,否

11

例：當(dāng)磷酸二羥丙酮與3-磷酸-甘油醛平衡時(shí)，濃度比為0.0475(Keq)

pH=7,25℃1atm12該反應(yīng)平衡點(diǎn)時(shí)：[甘油醛-3-磷酸]K==4.75x10-2

[磷酸二羥丙酮]13判斷：當(dāng)磷酸二羥丙酮為3x10-6mol/L，3-磷酸-甘油醛為2x10-4mol/L時(shí)，反應(yīng)怎樣進(jìn)行？

14△G=△GO｀+RTlnK平衡時(shí)，△G=0K=Keq△GO｀=-RTlnKeq

=-2.303RTlgKeq15△GO｀=-RTlnKeq=-2.303x

1.98x10-3x298xlog(0.0475)=1.81kcal/mol16△G

=△GO｀

+RTln[產(chǎn)物]/[反應(yīng)物]=1.81kcal/mol+2.303x

1.98x10-3x298xlog[3x10-6mol/L(甘）/2x10-4mol/L（丙）]=-0.067kcal/mol17（二）偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性熱力學(xué)上不利的反應(yīng)可以由熱力學(xué)上有利的反應(yīng)所驅(qū)動(dòng)A

→B

△GO＞0（不能自發(fā)進(jìn)行）C→D△GO＜0（能自發(fā)進(jìn)行）A+C

→B+D

△GO＜0（能自發(fā)進(jìn)行）18三、高能化合物定義：一般將水解時(shí)能夠釋放21kJ/mol（5千卡/mol)以上自由能（G’<-21kJ/mol）的化合物稱為高能化合物。高能化合物（水解）→低能化合物△GO＜0（能自發(fā)進(jìn)行）————————————————————————————————A

→B

△GO＞0（不能自發(fā)進(jìn)行）A+高能化合物

→B+低能化合物

△GO＜0（能自發(fā)進(jìn)行）兩反應(yīng)如何可以結(jié)合在一起呢？（一）功能高能基團(tuán)的傳遞有著十分重要的生物意義19類似的活化反應(yīng)十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G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)葡萄糖分解的根基。激酶——激活底物（A）連接高能鍵的酶A+高能化合物B+低能化合物活化（能量增加）反應(yīng)例D-葡萄糖

+

ATPD-6-磷酸葡萄糖

+

ADP

激酶

激酶20硫酯鍵化合物~

S甲硫鍵化合物CH3~S+-C-CO（二）高能化合物的種類~高能鍵,水解斷開，并可傳遞能量磷氧型-O~P磷氮型HN=C-N~P(O)磷酸化合物非磷酸化合物211,磷氧鍵型（—O~P)(1)?；姿峄衔?，3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾22氨甲酰磷酸?；佘账岚滨；佘账?3（2）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡/摩爾24（3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾252,氮磷鍵型磷酸肌酸（N-甲基-胍基乙酸）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(chǔ)存能量的作用。263,硫酯鍵型3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸?；o酶A274,甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸28（三）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)酸酐鍵磷酯鍵29導(dǎo)致共價(jià)鍵不穩(wěn)301、酸酐鍵上的P爭(zhēng)奪電子，導(dǎo)致使氧橋的穩(wěn)定性降低，甚至斷裂。2、pH=7時(shí)，ATP帶4個(gè)負(fù)電荷，互相排斥。3、產(chǎn)物（ADP和磷酸）比ATP穩(wěn)定。31高能化合物由于內(nèi)在因素本身化學(xué)不穩(wěn)定(G高)，水解產(chǎn)物穩(wěn)定(G低)。32（四）細(xì)胞內(nèi)影響ATP水解的因素pH（pH越高，放出的能量越多）

33（五）ATP“能量中間體”穩(wěn)定程度不同，各種高能化合物的△Go`有高低之分34類似的活化反應(yīng)十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G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)葡萄糖分解的根基。激酶——激活底物（A）連接高能鍵的酶A+高能化合物B+低能化合物活化（能量增加）反應(yīng)例D-葡萄糖

+

ATPD-6-磷酸葡萄糖

+

ADP

激酶

激酶35

磷酸肌酸

暫時(shí)儲(chǔ)能物質(zhì)磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸作用：能量傳遞轉(zhuǎn)化傳遞傳遞36磷酸肌酸（哺乳類）磷酸精氨酸（蝦、蟹）（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用H37磷酸肌酸+ADP肌酸+ATP△G=△G1+△G2=-43.1+30.5=-12.6KJ/mol在機(jī)體中，由于反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度接近平衡點(diǎn)，所以，所以，當(dāng)反應(yīng)物或產(chǎn)物的量有所變化時(shí)，機(jī)體會(huì)很靈敏地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使反應(yīng)朝ATP生成或磷酸肌酸生成的方向進(jìn)行。磷酸肌酸被稱為ATP緩沖劑。38（七）ATP斷裂成AMP和焦磷酸焦磷酸7.7千卡/摩爾392-6.9千卡/摩爾7.7+6.9=14.6千卡/摩爾活化底物需要更多能量時(shí)40(八）其他三磷酸核苷的遞能作用41能量源自能源物質(zhì)（糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)）的分解分解代謝氧化產(chǎn)能A