生物化学下册课件第2章生物能学

1、第二章生物能学(Bioenergetics)一有关热力学的一些基本概念（一 ） 体系与环境：体系(system)： 系统，研究涉及的全部物质的总称环境(surroundings)：外界，规定体系以外的物质体系 + 环境 = “宇宙”（能量守恒）体系的性质（温度、体积、组成等），状态状态函数（只与始态和终态有关，与过程无关）¡ 开放体系(open system)：与环境有物质和能量交换。¡ 封闭体系(closed system)：与环境有能量但无物质交换。体系(isolated system)：与环境不发生任何作用。生物体都属于开放体系（二）能的两种形式：热与功¡

2、热与功是体系与环境交换能量的两种形式¡ 热（ heat ）：由温差引起的能量交换形式，常伴随质点的无序运动。热量（quantity of heat，）¡ 功（work，W）：除了热以外，体系与环境交换能量的另一种形式。伴随着体系质点的定向移动。 例如：体积功、电功等（三）内能、焓的概念¡ 内能（ internal energy, U，E） ：体系内部质点能量的总和。是状态函数。 内能的变化： DU¡ 焓（enthalpy，H）：体系内质点间的相互作用及质点自身的能量。状态函数。H = U + PVP：体系的焓的变化： DH；V：体积（四）热力学第一定律（

3、能量守恒定律）：DU = Q W体系对环境所做功¡ dU = dQ dW = dQ （P dV +dW）（总功）（体积功）（有用功）若体系为等压过程，体系只做体积功：dW=0， dU = dQ - dW = dQ - PdV反应体系体积变化很小时： dV » 0 ，dU = dQ¡ dH = d（U + PV）= dU+ PdV+VdP恒压条件下（ dP =0 ）则：d H = dU+ PdV =（dQ PdV）+ PdV= dQ¡ 因此：D H = DU = D（五）化学能的转化¡ 不同的化学物质含有不同的化学能。光能化学能机械功或代谢高能量

4、化学物质分解代谢 低能量化学物质+ 自由能 + 热¡ 燃烧热：将1mol有机物质完全氧化所的最大能量。放出的能量=反应物化学键能 - 氧化产物化学键出¡ 生物体内的氧化（生物氧化）逐步进行，氧化途径不同，但产物都是CO2和H2O。便于能量利 用、储存。¡ 化学反应出的能量的多少与氧化途径无关。（六）热力学第二定律和熵的概念d¡ 热力学第二定律： D S ³D S ：体系的熵变 ；T：体系的绝对温度T¡ 熵（entropy，S ）：体系质点散乱无序的程度。物质的熵变是可求的。并且： D S=T体系（绝热）：D S > 0 ：可发生

5、，绝热不可逆D S = 0 ：可发生，绝热可逆D S < 0：不能发生¡ 封闭体系： D S体系+ D S环境³ 0 ：可发生（七） 自由能的概念：¡ 自由能（ free energy， G）：恒温度、恒压下能够用于做功的能量。G = H T·S。¡ 恒温、恒压时自由能的变化：A + B = C + D + 能量反应：D G = G 2- G 1=（H 2-H1） T（S2 S1）=D H - T D S= D- T D SD S ³ D/ T,D G 0¡ 自由能变化是判定化学反应过程能否自发进行的依据：自发过程：

6、D G < 0（ G 2 < G）；1可逆过程： D G = 0非自发过程： D G > 0；¡ 热力学第二定律只能指示反应的方向和限度，不预示反 应的速度。 D G 与速度无关。二、自由能变化l 产物自由能的总和与反应物自由能的总和之差，就是该反应的自由能变化，用G表示。G = 0 可逆平衡G0 该过程自由能，能够自发进行。G0 此过程不可能进行，需提供能量才能进行。 G0： 标准自由能变化G0是一个化学反应的常数，每一个化学反应都有其特定的G0G0： 生物化学反应中规定pH=7时的标准自由能变化G0和G之间的区别 （P29）标准自由能变化及其与平衡常数的关系：a

7、A + bBcC + dD自由能变化公式：CcDdG = G0 + R T lnAaBb如果反应进行到平衡点时：Ce cDe dG0 = - R T lnAe aBe b生物化学中的平衡常数表示法如下：Ce cDe dKeq =Ae aBe bG0= - R T ln Keq标准生成自由能（G0 ）：由处于标f准状态的最稳定单质标准状态当量化合物时，其标准自由能的变化值。规定在一大气压下，一定温度时，最稳定单质的标准自由能为零。偶联化学反应标准自由能变化的可加性化学反应和自由能关系的进一步说明反应能否进行的自发性是以G值为判据，而不是G°。只提示一个化学反应的方向和限度，不预示反应过

8、程的速率。 能量学在生物化学应用中的一些规定1水的浓度（近似于活度）规定为1.0pH = 0.0（即H+=1M）, 标准自由能变化为DG0标准状况pH = 7.0，此时标准自由能变化为DG02pH 7.0, 就不能用D G0值建议用焦耳(Joules)或kJ·mol-1表示标准自由能变34化。1卡 = 4.184J。例 1葡萄糖-1,6-二磷酸磷酸葡萄糖变位酶葡萄糖-1-磷酸葡萄糖-6-磷酸例 2CHOCHOHCH2OPCO磷酸丙糖异构酶CH2OCH2OH磷酸二羟P3-磷酸甘油醛三、高能磷酸化合物概念机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，出大量的自由能，这类化合物为高能磷酸化合物

9、。（一 ） 高能化合物及其类型 高能键（high energy bond）：水能 ³ 5千卡的化学键，用符号“”表示 高能化合物：含有高能键的化合物。1.磷氧键型（- O P-）(1) 酰基磷酸化合物（acyl-phosphate）：例如：1,3 - 2P - 甘油酸（1,3- bisphosphoglycerate, 1,3 -BPG ）：(2)焦磷酸化合物:例如:焦磷酸 ( Pyrophosphate，PPi):(3)磷酸烯醇式化合物:例如: 磷酸烯醇式酸(phosphoenolpyruvate, PEP):2氮磷键型胍基磷酸化合物例如: 磷酸肌酸 (phosphocreatin

10、e):磷酸精氨酸两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用CH3 NH2+O-OOC-CH2 N - C - HN P O -O-ONHPO CNHONCH3NH2CH2CH2CH2CHCOOH3.硫酯键型活性硫酸基例如: 乙酰辅酶A ( acetyl coenzyme，CoA):4.甲硫键型活性甲硫氨酸例如: S 腺苷甲硫氨酸 ( S-denosylmethionine):NH3+腺苷-OOC-CH (CH2) 2 - S + CH3OCH3 C S CoA烯醇磷酸化合物高能化合物类型酰基磷酸化合物磷氧型磷酸化合物焦磷酸化合物磷氮型高能化合物硫酯键化合物非磷酸化合物甲硫键化合物（二） ATP在

11、能量代谢中的特殊作用1.高能磷酸化合物ATP的结构及特殊地位:NH2酯键NN9OOONN-OP OP OP OCHO糖苷键2O-O-O-1'HHH HOHOH腺苷酸2'ATP水解 ADP + Pi：D G0 = - 7.3 kcal/mol = -30.5 kJ/molATP水解 AMP + PPi：D G0 = - 7.7 kcal/mol = -32.19 kJ/molPPi + H2O水解 2 PiD G0 = - 4.6 kcal/mol = -19.3 kJ/mol水解时自由能的变化居于中游：(common intermediate)共同ATP水解反应可推动多种代谢反

12、应的进行ATP水解为AMP和焦磷酸具有特殊意义2. 细胞内影响ATP自由能的因素（1）H + 、Mg 2- 、ATP、ADP等都影响 DG值；（2） ATP结构特性的影响:4个负电荷相互很近，互相排斥酸酐键自身特点，溶剂化所需能量少于磷酯键pH =7时细胞 H+ =10 -7mol适合ATP水解：ATP4- +H2O ® ADP3- + HPO4+ H ，2-+pH =7 ，平衡向ATP分解方向进行产物ADP 3-和HPO4 2-具有更小的能量3.ATP与细胞能量状态：能荷（energy charge）：用ATP、ADP和AMP之间的关系表示细胞的能量状态。ATP + ½ ADP能荷 =ATP+ ADP+AMP磷酸化势能（phosphorylation potential）：ATP磷酸化势能 =ADP · Pi（三） 其它核苷三磷酸的递能作用由ATP生成其它核苷三磷酸N = C,U,GGTP（蛋白质代谢）、UTP（糖代谢）、CTP（脂类代谢）等ATPADPNDPNTP核苷二磷酸激酶（四）生物体内的储能物质储能物质：“磷酸原”（phosphagen）： 脊椎动物贮能物质：磷酸肌酸（creatine phosphate）CH3 NH2+OCH3NH2+-