第二十章节生物能学

1、第二十章节生物能学 第二十章节生物能学 一、有关热力学的一些基本概念一、有关热力学的一些基本概念 第二十章节生物能学 （一）、体系（一）、体系 宇宙宇宙 太阳系太阳系 地球地球 每个生物或非生物每个生物或非生物 化学反应体系化学反应体系 第二十章节生物能学 能量的传 递形式 热热 功功 ？内能内能的传递方式的传递方式 ？动能、势能动能、势能转化和传递的方式转化和传递的方式 包括机械功、电功、化学功等包括机械功、电功、化学功等 （二）、能的两种形式（二）、能的两种形式 第二十章节生物能学 体系总能量体系总能量 = 可做功的能可做功的能+ 不能做功的能不能做功的能 （H） （自由能（自由能G） （

2、热能）（热能） 第二十章节生物能学 热力学第一定律热力学第一定律 (能量转化与守恒定律能量转化与守恒定律) 热力学第二定律热力学第二定律 (能量传递的方向性定律能量传递的方向性定律) 当体系的状态发生变化后当体系的状态发生变化后 总能量不变总能量不变 变化的是变化的是G（ G） 变化朝自由能降低的变化朝自由能降低的 方向进行方向进行 （G ） 第二十章节生物能学 二、化学反应体系中的自由能二、化学反应体系中的自由能 （一）根据（一）根据自由能变化自由能变化可以判断中间物质代谢方向可以判断中间物质代谢方向 第二十章节生物能学 状态状态 A GA 状态状态 B GB G = GB GA 当反应体系

3、恒温、恒压下发生变化时当反应体系恒温、恒压下发生变化时 第二十章节生物能学 G0时，时，W0，体系对外作功，该反应可自，体系对外作功，该反应可自 发进行，放能反应发进行，放能反应 G = 0时，时，W =0，该反应处于平衡，该反应处于平衡 G0时，时，W0，该反应不可自发进行，必须，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。应的逆过程可以自发进行。 第二十章节生物能学 任何状态下任何状态下 G= GO + RTlnK GO这一反应在标准状态（这一反应在标准状态（pH=0, 25 1atm） 的自由

4、能变化（标准自由能）（可查表或计算，参的自由能变化（标准自由能）（可查表或计算，参 见见物理化学物理化学），与反应的平衡常数有关。），与反应的平衡常数有关。 K=B/A 或或B1B2Bn/ A1A2An R：气体常数（：气体常数（1.98x10-3 kcal/mol k ） （ 8.31x10 -3 kJ/mol k） T： 绝对温度（绝对温度（k) 第二十章节生物能学 生物代谢略有不同，生物代谢略有不同， GO改为改为GO （pH=7) G= GO + RTlnK G0 0,可；可； 0 0,平衡；平衡；0 0, 第二十章节生物能学 例：当例：当 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 与与 3-磷酸磷酸

5、-甘甘 油醛油醛 平衡时，平衡时， 浓度比为浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25 1atm 第二十章节生物能学 该反应平衡点时：该反应平衡点时： 甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 K= = 4.75x10-2 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 第二十章节生物能学 判断：当磷酸二羟丙酮为判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L， 3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 为为 2 x 10-4 mol/L 时，反时，反 应怎样进行？应怎样进行？ 第二十章节生物能学 G= GO + RTlnK 平衡时，平衡时， G= 0 K = Keq GO = - RTlnKeq = - 2.303RTlgKeq

6、 第二十章节生物能学 GO = - RTlnKeq = - 2.303 x 1.98x10-3 x298 x log (0.0475) = 1.81kcal/mol 第二十章节生物能学 G = GO + RTln产物产物/反应物反应物 = 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 第二十章节生物能学 （二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性（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热力学上不

7、利的反应可以由热力学上有利的 反应所驱动反应所驱动 A B GO0 （不能自发进行）（不能自发进行） CD GO0 （能自发进行）（能自发进行） A+C B+D GO0 （能自发进行）（能自发进行） 第二十章节生物能学 三、三、 高能化合物高能化合物 定义：定义：一般将水解时能够释放一般将水解时能够释放21 kJ /mol21 kJ /mol（5 5千卡千卡 /mol)/mol)以上自由能（以上自由能（ G G -21 kJ / mol -21 kJ / mol）的化合物）的化合物 称为高能化合物。称为高能化合物。 高能化合物高能化合物（水解）（水解）低能化合物低能化合物 GO0 （能自发进行

8、）（能自发进行） A B GO0 （不能自发进行）（不能自发进行） A+高能化合物高能化合物 B+低能化合物低能化合物 GO0 （能自发进行）（能自发进行） 两反应如何可以结合在一起呢？两反应如何可以结合在一起呢？ （一）功能（一）功能 高能基团的传递 有着十分重要的生物意义有着十分重要的生物意义 第二十章节生物能学 类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在。十分普遍存在。 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，这步活高，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。解的根基。 激酶激酶激

9、活底物（激活底物（A）连接高能键的酶）连接高能键的酶 A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物 活化（能量增加）反应活化（能量增加）反应 例例 D-葡萄糖葡萄糖 + + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + + ADP 激酶激酶 激酶激酶 第二十章节生物能学 硫酯键化合物硫酯键化合物 S 甲硫键化合物甲硫键化合物 CH3S+- C-C C O O （二）高能化合物的种（二）高能化合物的种 类类 高能键高能键, ,水解断开，并可传递能量水解断开，并可传递能量 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 第二十章节生物能学

10、1,1,磷氧键型（磷氧键型（OP)OP) CO CH O CH2 OH OP O O- O- P O O- O- (1)酰基磷酸化合物 1，3-二磷酸甘油酸 CH3C O OP O O- O- 乙酰磷酸 10.1千卡/摩尔11.8千卡/摩尔 第二十章节生物能学 H3N+C O OP O O- O- 氨甲酰磷酸 R C O OP O O O- A 酰基腺苷酸 RCH C O OP O O O- A N+H3 氨酰基腺苷酸 第二十章节生物能学 （2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物 O- P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O- P O O

11、- ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷） O- P O O- O P O O- O- 焦磷酸焦磷酸 7.3千卡/摩尔 第二十章节生物能学 （3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物 OP O OCOOH CO CH2 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔 第二十章节生物能学 2, 2, 氮磷键型氮磷键型 OP O O NH CNH NCH3 CH2COOH OP O O NH CNH NCH3 CH2CH2CH2CHCOOH NH2 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/摩尔7.7千卡/摩尔（虾、蟹） 这两种高能化合物在生物

12、体内起储存能量的作用。这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。 第二十章节生物能学 3,3,硫酯键型硫酯键型 O S O O- OCH2 O H H OH H OH H N N NH2 N N O P O O- 3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸 RC O SCoA 酰基辅酶A 第二十章节生物能学 4, 4, 甲硫键型甲硫键型 COO- CHNH3+ CH2 CH2 S+H3CA S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 第二十章节生物能学 （三）（三）ATP的结构特点的结构特点 O- P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O- P O O- 酸酸 酐

13、酐 键键 磷磷 酯酯 键键 第二十章节生物能学 导致共价键不稳导致共价键不稳 第二十章节生物能学 1、酸酐键上的、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的争夺电子，导致使氧桥的 稳定性降低，甚至断裂。稳定性降低，甚至断裂。 2、pH=7时，时，ATP带带4个负电荷，互相排斥。个负电荷，互相排斥。 3、产物（、产物（ADP和磷酸）比和磷酸）比ATP稳定。稳定。 第二十章节生物能学 高能化合物由于内在因素本身化学不稳定高能化合物由于内在因素本身化学不稳定(G高高)，水，水 解产物稳定解产物稳定(G低低)。 第二十章节生物能学 （四）细胞内影响（四）细胞内影响ATP水解的因素水解的因素 pH（ pH越高，

14、放出的能量越多）越高，放出的能量越多） 第二十章节生物能学 （五）（五）ATP “能量中间体能量中间体” 稳定程度不同，各种高能化合物的稳定程度不同，各种高能化合物的Go有高低之分有高低之分 化合物化合物磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能 Go （千卡（千卡/摩尔）摩尔） Go （千焦（千焦/摩尔）摩尔） 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸148619 3-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77323 ATP（ADP+Pi）73305 ADP（AMP+Pi）73305 AMP（腺苷（腺苷+Pi）34142 葡萄

15、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 第二十章节生物能学 类似的活化反应类似的活化反应十分普遍存在。十分普遍存在。 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，这步活高，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。解的根基。 激酶激酶激活底物（激活底物（A）连接高能键的酶）连接高能键的酶 A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物 活化（能量增加）反应活化（能量增加）反应 例例 D-葡萄糖

16、葡萄糖 + + ATPD-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + + ADP 激酶激酶 激酶激酶 第二十章节生物能学 作用：能量传递作用：能量传递 转转 化化 传传 递递 传递传递 第二十章节生物能学 OP O O NH CNH NCH3 CH2COOH OP O O NH CNH NCH3 CH2CH2CH2CHCOOH NH2 磷酸肌酸磷酸肌酸 （哺乳类）（哺乳类） 磷酸精氨酸磷酸精氨酸（虾、蟹） （六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 这两种高能这两种高能 化合物在生物体内起储存能量的作用化合物在生物体内起储存能量的作用 H 第二十章节生物能学 磷酸肌酸磷酸肌酸 + ADP + AD

17、P 肌酸肌酸 + ATP+ ATP G = G 1 + G2 = -43.1 +30.5 = -12.6 KJ/ mol 在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点， 所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机 体会很灵敏地进行调节，使反应朝体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸生成或磷酸 肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。缓冲剂。 第二十章节生物能学 （七）（七）ATPATP断裂成断裂成AMP AMP 和焦磷酸和焦磷酸 O- P O O- N N N N NH2 O H H OH H OH H OCH2O-P O O- O- P O O- O- P O O- O P O O- O- 焦磷酸焦磷酸 7.7千卡/摩尔 第二十章节生物能学 O- P O O- O P O O- O- O-P O O- O P O O- O- 2 - 6.9千