第20章生物能學

主要內容：生物能熱力學的基本內容和高能化合物的概念和特點。返回內容一、有關熱力學的一些基本概念二、自由能的概念三、化學反應中自由能的變化和意義四、高能化合物一、有關熱力學的一些基本概念

體系、環境、開放體系、封閉體系、隔離體系

能的兩種形式—熱與功

熱力學第一定律和內能(internalenergy)、焓(enthalpy)

熱力學第二定律和熵(entropy)

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

熱力學第一定律和內能(internalenergy)、

焓(enthalpy)[en'θ?lpi]

內能（UorE)：體系內部質點能量的總和，內能與狀態有關，與途徑無關。焓：體系的內能與全部分子的壓力和體積總變化的和

Δ

H=ΔU+ΔPV熱力學第一定律(能量守恒定律）體系內能的變化等于體系吸收的熱量減去所做的功（ΔU=Q-W)★溫度高分子運動快分子動能大內能大☆溫度低分子運動慢分子動能小內能低對于同一個物體:▲同一物體，溫度越高，內能越大，溫度越低，內能越小化學能的轉化綠色植物通過光合作用把太陽能轉化為化學能；異氧生物在代謝過程中把蘊涵的能量釋放出來加以利用。燃燒熱：1mol的有機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第二定律和熵(entropy)熵：代表體系能量分散程度的狀態函數熱力學第二定律：熱的傳導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*(體系中能對環境作功的能量)

自由能的變化能預示某一過程能否自發進行，即：

ΔG<0，反應能自發進行

ΔG>0，反應不能自發進行

ΔG=0，反應處于平衡狀態。

自由能的概念對于研究生物化學過程的力能學具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內化學反應釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機體內某一過程能否自發進行，而且還可以利用自由能這個函數來計算反應的其它有用參數化學反應自由能的變化和平衡常數的關系

假設有一個化學反應式：aA+bB=cC+dD

恒溫恒壓下：ΔG′=ΔG°′+RTlnQc

式中：ΔG°′=-RTlnKeq例：計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化

ΔG′—某一化學反應隨參加化學反應物質的濃度、發生化學反應的pH和溫度而改變的自由能變化。

Qc-濃度商：

ΔG°′—標準條件（T=298OK,大氣壓為1atm,反應物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學反應自由能的變化。

Keq-平衡常數：計算磷酸葡萄糖異構酶反應的自由能變化

達平衡時=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未達平衡時=Qc=0.1反應G-1-PG-6-P在380C達到平衡時，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0

。如果反應未達到平衡，設[G-1-P]=0.01mol.L，[G-6-P]=0.001mol.L，求反應的ΔG

是多少？例題：三、化學反應中自由能的變化和意義

1化學反應的自由能變化的基本公式

ΔＧ=ΔH-TΔS2

標準自由能變化ΔＧ0

溫度壓力反應物和生成物的濃度酸堿度3標準生成自由能

標準狀態下，1mol單質生成1mol純化合物時的標準自由能變化2、能量學用于生物化學反應中的一些規定能量學用于生物化學反應中的一些規定1、在稀的水溶液系統中，如果有水作為反應物或產物時，水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標準狀況的pH規定為7.0。3、ΔG°′是pH為7.0時的標準狀況下的的標準自由能4、根據國際單位制(LeSystemeinternationalUnit，簡稱SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。生物系統中的能流脂肪葡萄糖、其它單糖三羧酸循環電子傳遞（氧化）蛋白質脂肪酸、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物（如丙酮酸、乙酰CoA等）共同中間物進入三羧酸循環,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存在ATP中。大分子降解成基本結構單位

生物體內能量產生的三個階段四高能化合物一、高能化合物的類型

二、ATP的特點及其特殊作用

生化反應中，在水解時或基團轉移反應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?；姿峄衔锝沽姿峄衔锔吣芑衔镱愋虯TP的特點

在pH=7環境中，ATP分子中的三個磷酸基團完全解離,具有較大勢能，加之水解產物穩定，因而水解自由能很大（ΔG°′=-30.5千焦/摩爾）。ATP的結構特點腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-

+

+

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

歸納為兩類導致反應物不穩定的因素導致產物穩定的因素ATP在能量轉運中地位和作用

★

ATP是細胞內的“能量通貨”★

ATP是細胞內磷酸基團轉移的中間載體

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

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移給ATP，才能供生理活動之需。這一反應過程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

磷酸肌酸——ATP緩沖劑當ATP用于肌肉收縮，就會產生ADP，通過肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供給ADP以磷酸基，從而恢復正常的ATP高水平。由于肌肉細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用的、足夠的磷酸基團。在活動后的恢復期中，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動元速度素質的物質基礎。當細胞處于靜息狀態時，ATP濃度較高，反應趨向于合成磷酸肌酸，反之，細胞處于活躍狀態時，反應趨向于合成ATP方向因此，磷酸肌酸有ATP緩沖劑之稱。能荷能荷是細胞所處能量狀態的指標當所有腺苷酸充分磷酸化為ATP，能荷值為1；當所有腺苷酸去磷酸化為AMP，能荷值為零。