第20章生物能学

第二十章第二十章 生物能学生物能学一、有关热力学的一些基本概念（一）、体系宇宙太阳系地球每个生物或非生物化学反应体系能量的传递形式热功？ 内能 的传递方式？ 动能、势能 转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等（二）、能的两种形式体系总能量 = 可做功的能 + 不能做功的能（ H） （ 自由能 G） （ 热能）热力学第一定律(能量转化与守恒定律 )热力学第二定律(能量传递的方向性定律 )当体系的状态发生变化后总能量不变变化的是 G（ G）变化朝自由能降低的方向进行 （ G ）二、化学反应体系中的自由能（一）根据 自由能变化 可以 判断 中间物质代谢方向状态A GA 状态B GB G = GB G A 当反应体系恒温、恒压下发生变化时 G 0时， W 0， 体系对外作功， 该反应 可自发 进行，放能反应 G = 0时， W =0， 该反应处于平衡 G 0时， W 0， 该反应 不可自发 进行， 必须吸收外来能量才能进行（吸能反应） ，同时，该反应的逆过程可以自发进行。任何状态下 G= GO + RTlnK GO这一反应在标准状态（ pH=0, 25 1atm） 的自由能变化（标准自由能）（可查表或计算，参见 物理化学 ），与反应的平衡常数有关。K=B/A 或 B1B2Bn/ A1A2AnR： 气体常数（ 1.98x10-3 kcal/mol k ）（ 8.31x10 -3 kJ/mol k）T： 绝对温度（ k) 生物代谢略有不同， GO改为 GO（ pH=7) G= GO + RTlnK G 0,可 ； =0,平衡 ； 0,否否 例：当 磷酸二羟丙酮 与 3-磷酸 -甘 油醛 平衡时，浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25 1atm该反应平衡点时：甘油醛 -3-磷酸 K= = 4.75x10-2 磷酸二羟丙酮 判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L， 3-磷酸 -甘油醛 为 2 x 10-4 mol/L 时，反应怎样进行？ G= GO + RTlnK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 /反应物 = 1.81kcal/mol +2.303 x 1.98x10-3 x298 x log 3 x 10-6 mol/L (甘） / 2 x 10-4 mol/L （ 丙） =-0.067 kcal/mol （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反应所驱动A B GO 0 （ 不能 自发进行） C D GO 0 （ 能 自发进行）A+C B+D GO 0 （ 能 自发进行）三、 高能化合物 定义： 一般将水解时能够释放 21 kJ /mol（ 5千卡/mol)以上自由能（ G -21 kJ / mol ） 的化合物称为高能化合物。 高能化合物 （ 水解） 低能化合物 GO 0 （ 能 自发进行） A B GO 0 （ 不能 自发进行）A+高能化合物 B+低能化合物 GO 0 （ 能 自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？（一）功能高能基团的传递有着十分重要的生物意义类似的活化反应 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，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的根基。激酶 激活底物 （ A） 连接高能键的酶A+高能化合物 B+低能化合物活化 （能量增加） 反应例D-葡萄糖 + ATP D-6-磷酸 葡萄糖 + ADP 激酶激酶硫酯键化合物 S甲硫键化合物 CH3S+- C-CO（二）高能化合物的种类 高能键 ,水解断开，并可传递能量磷氧型-OP磷氮型 HN =C-NP(O)磷酸化合物非磷酸化合物1,磷氧键型（ OP)(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）焦磷酸化合物ATP（ 三磷酸腺苷）焦磷酸7.3千卡 /摩尔（ 3）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡 /摩尔2, 氮磷键型磷酸肌酸（ N-甲基 -胍基乙酸） 磷酸精氨酸10.3千卡 /摩尔 7.7千卡 /摩