深圳大学生物化学下册生物能学.ppt

Chapter 20 Bioenergetics 生物能学 1. 生物能学和热力学 2. 化学反应和自由能 3. 高能化合物 1. Bioenergetics and Thermodynamics （生物能学和热力学） 1.1 体系和环境 1.2 能的两种形式 1.3 内能与焓 1.4 热力学第一定律 1.5 化学能的转化 1.6 热力学第二定律 和熵 1.7 自由能的概念 ! 内能、焓、熵以及自由能的概念 1.1 System and surroundings System and surroundings （体系和环境）（体系和环境） System （体系、系统） Surroundings（环境、外界） open system(开放体系), closed systems(封闭 体系) , isolated systems (隔离体系) Parameters of a system(体系的状态参数) System Surroundings System+ Surroundings = Universe Parameters of a system： 压力、体积、温度、组成、比热 energy matter 热：温差、质点无序运动 功：定向、有序的运动 1.2 Two forms of energy (能的两种形式) 一个体系在状态发生改变时与环境交换能量 的两种形式： 1.3 Internal energy and Enthalpy (内能与焓) Internal energy(内能，U或E, J/mol)：体系内 质点的能量。 Enthalpy(焓, H, J/mol)：焓包含体系内质点自 身的能量以及质点之间的相互作用。 H = U + PV The first law of thermodynamics is the principle of the conservation of energy: The total amount of energy in the universe remains constant, although the form of the energy may change. U = Q - W 1.4 The first law of thermodynamics (热力学第一定律) Biological system is an open system (生物体系 是一个开放体系) Biochemical processes are almost in condition of constant pressure and volume (生物化学过程 近似恒压、恒容过程) 由于 H = U + PV 因此，生物化学中“能量变化” H U 1.5 Transform of chemical energy (化学能的转化) 化学能和其它能量形式的转化。 高能化合物 低能化合物+自由能+ 热 物质氧化的不同途径： 体外燃烧 生物氧化 Antoine Lavoisier, before he lost his head in the French Revolution, observed that “. . . in general, respiration is nothing but a slow combustion of carbon and hydrogen, which is entirely similar to that which occurs in a lighted lamp or candle.” 1. System tend to proceed from ordered states to disordered states. 2.The entropy of the system plus surroundings is unchanged by reversible processes;the entropy of the system plus surroundings increases for irreversible processes. 3.All naturally occurring processes proceed toward equilibrium, that is to a state of minimum potential energy 1.6 The second law and Entropy (热力学第二定律和熵热力学第二定律和熵) Entropy, (熵, S, J/molK ) is a quantitative expression for the randomness or disorder in a system. The entropy of the universe increases during all chemical and physical processes. Living organisms preserve their internal order by taking from the surroundings free energy in the form of nutrients or sunlight, and returning to their surroundings an equal amount of energy as heat and entropy. Living organisms are open system and in order. ? 熵（S）:代表体系能量分散程度的状态 函数，也就是代表体系质点散乱无序的程度 。 S = Q/T 0 由于熵不易测量，用它判定生物化学反应过 程能否自发进行较为困难。 用自由能作为衡量标准可排除此困难。 1.7 Free energy（自由能） Free energy (G) expresses the amount of energy capable of doing work during a reaction at constant temperature and pressure (自由能: 可以在恒温恒压下做功的能量.) 热能: 做功只能引起温度或压力变化； Gibbs提出的自由能公式：G = H TS 恒温恒压： -G =W(最大有用功) 2. Free-Energy Change in Chemical Reaction (化学反应中的自由能变化) 2.1 自由能变化公 式 2.2 G与Keq 2.3 G0与G0 2.4 G的可加性 2.5 化学反应与自 由能 反应：A + B C + D 反应前后自由能的变化： G = H TS G可用于衡量一个化学反应趋向平衡顷 向的大小。 2.1 自由能变化公式 G0，反应过程可逆 G0，不能自发进行反应，需要提供能量 2.2 Standard free-energy change is directly related to the equilibrium constant（标准自由能变化与平衡常数） 2.2.1 标准条件: (1) 298 K (25 ) (2) 反应物和产物的初始浓度为1 mol/L (3) 气体分压为101.3 kPa (1 atm) (4) H+ = 1 mol/L , or pH0. 上述条件下反应前后的自由能变化称为 标准自由变化，用G0 表示。 对于生物化学反应pH7，这时用G0 表示。 !（1）G、G0与G0的区别 反应：aA + bB = cC + dD G G0 RT lnK 其中，R是气体常数；T是绝对温度；K （反 应常数） (CcDd/Aa Bb) 反应处于平衡状态时， G =0，则 0 G0 RTLn lnK eq 或G0 = -RT ln K eq 其中， K eq为平衡常数。 Relationship between G0 and Keq 2.3 标准生成自由能 G0= G0f产物 G0f反应物 标准生成自由能：标准生成自由能：由处于标准状态的最稳定单 质合成标准状态当量的某化合物时，其标准自 由能的变化值。用 G0f表示。 每一种有机化合物都有其特定的G0f 。一些化 合物的标准生成自由能见p31 表20-2. 2.4 Standard free-energy changes are additive （标准自由能变化是可加的） A B G01 B C G02 A C, G0total = G0l + G02 条件： 两个化学反应 需要偶联。 (1) Glucose + Pi glucose-6-phosphate + H2O G0 = 13.8 kJ/mol (2) ATP + H2O ADP + Pi G0 = -30.5 kJ/mol Sum: ATP +glucose ADP + glucose-6- phosphate G0 = +13.8 kJ/mol + (-30.5 kJ/mol) = -16.7 kJ/mol Example：glucose-6-phosphate 的合成 2.5 Reaction & Free-Energy Change （化学反应和自由能变化的关系） The actual free-energy change (G ) depends on the reactant and product concentrations. G = G0+ RT ln K So, even a reaction for which G0 is positive can go in the forward direction, if G is negative. 反应能否自发进行是用G判断而不是G0 G0，反应是否就会立刻自动进行？ （活化能！） 3. High-energy phosphate compounds （高能磷酸化合物） 3.1 概念 3.2 类型 3.3 关于ATP水解 3.4 ATP在能量转运中 的地位 3.5 磷酸原 3.6 ATP AMP + PPi 3.7 ATP以外的NTP 3.8 ATP系统的动态平衡 3.1 Some concepts 磷酸化合物在生物机体内的换能过程中占重要 地位 高能磷酸化合物：水解时释放5kcal（20kJ）以 上自由能的化合物(一般而言) 高能键与键能 3.2 高能化合物的类型 1.氧磷键型（-OP- ）： （1）酰基磷酸化合物 （2）焦磷酸化合物 （3）烯醇式磷酸化合 物 2.氮磷键型(-NP-) 3.硫酯键型 4.甲硫键型 高能化合物结构 见p34-p36. 3.3 ATP 酸酐键 磷脂键 ATP水解的四个驱动力 (1) 静电排斥的减轻 (2) 共振杂化物的形成 (3) H+ 的低浓度(pH 7) (4) Pi 和 ADP 的溶解性好于ATP 细胞内影响ATP自由能释放的因素: ATPADPPi浓度 二价阳离子 H+ 浓度(pH) The free-energy change for ATP hydrolysis is large and negative. G0 = -30.5 kJ/mol (under standard conditions ) While the actual free energy of hydrolysis (G) of ATP in living cells is very different. This is because the concentrations of ATP, ADP, and Pi in living cells are not identical and are much lower than the standard 1.0 M concentra- tions. Furthermore, the cytosol contains Mg2+, which binds to ATP and ADP. G0=（-52.3-12.5 kJ/mol ） 3.4 ATP在能量转运中的地位 ATP Provides Energy by Group Transfers, Not by Simple Hydrolysis 3.5 Phosphagens (磷酸原) Phosphocreatine (PCr) 磷酸肌酸 (in vertebrate, especially in mammal) Phosphoarginine 磷酸精氨酸 (in invertebrate) Polymetaphosphate 聚偏磷酸 (in microorganism) 3.6 ATP AMP + PPi 脂肪酸的活化 荧光素 Examples： Firefly Flashes 3.7 ATP以外的NTP 可以起递能作用 分别参与多糖、蛋白质、RNA、 DNA合成 ATP UTP ATP GTP ATP UTP CTP GTP dNTP NMP的再磷酸化只能通过ATP提供高能磷酸基团 ATP+NMP ADP