第二十章生物能学

欧阳红生动物生物技术系吉林大学畜牧兽医学院:biotechs@vip.sohu二十章生物能学Chapter20BioenergeticsCopyright©2005byOuyangHongsheng.Allrightsreserved.主要内容：

高能磷酸化合物的概念、类型和作用。

生物能学生物细胞的能量转化的定量研讨及体内能量转化过程的物理化学性质。一、有关热力学的一些根本概念

〔一〕体系的概念、性质和形状

●体系(system)指的是研讨中所涉及的全部物质的总称。即体系是一个限定范围内的物质。

●环境(surroundings)是规定体系以外的物质总称。

●“宇宙〞的总能量是恒定的。体系+环境=恒定值。隔离体系封锁体系开放体系一、有关热力学的一些根本概念

(二)能的两种方式:热与功

(三)内能和焓的概念

●内能(internalenergy)是体系内部质点能量的总和，通常用符号U(或E)表示。

●焓又称为热焓(enthalpy〕,用符号H表示。焓是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。

ΔH=ΔU+ΔPV

ΔH焓变；ΔU-内能的变化；ΔPV-压力(P)和体积Δ(V)的变化。(四)热力学第一定律(firstlawofthermodynamics〕热力学第一定律称为能量守恒定律：一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的方式可以转变，但不会消灭。

一个特定体系有两种方法可以从环境得到能量或给予环境能量。一种是从环境得到热量或给予环境热量；另一种是对环境做功或环境对体系做功。假设一个体系的形状发生了变化，这个体系的内能也必然发生变化。体系内能的变化等于该体系所吸收的热量减去它所做的功。

ΔU=Q–W

ΔU一个体系的内能变化;Q-体系变化时吸收的热量；W代表体系变化时吸收的热量。(四)热力学第一定律(firstlawofthermodynamics〕等压时,体系只做体积功，不对环境做功

dU=dQ—PdV

dU-内能的微小变化；dQ-热量的微小变化；P-压力；dV-体积的微小变化；PdV-体系所做的微小体积功。(五)化学能的转化

(六)热力学第二定律和熵的概念

热力学第二定律：热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发的逆向传导是不能够的。阐明热力学体系的运动有一定的方向性，即自高温流向低温。

熵(entropy)：体系能分散程度的形状函数，统称为熵，用符号S表示。熵值代表一个体系质点散乱无序的程度。一个体系的质点变为更混乱时，它的熵值添加。熵的变化用ΔS表示，是正值。

热力学第二定律也可作如下的表述：在隔离体系中，一个过程只需当其体系和周围环境的熵值总和添加时才干自发进展。对于隔离体系

ΔS=ΔS体系+ΔS环境0(七)自在能的概念

ΔG=ΔH–TΔS

ΔG-在恒温、恒压下，体系发生变化时的自在能变化；ΔH-体系焓的变化；T-体系的绝对温度；ΔS-体系的熵变。

dG=VdP–SdT–dW

dG-自在能的微小变化；V-体积；dP-压力的微小变化；S-体系的熵；dT-体系绝对温度的微小变化；dW-有用功

等温时:dG=VdP–dW

等温且等压时:–ΔG=W

即自在能是等温且等压条件下，体系做有用功的才干。二、化学反响中自在能的变化和意义(一)化学反响的自在能变化公式

ΔG=ΔH–TΔS

ΔG-在恒温、恒压下,体系发生变化时的自在能变化;ΔH-体系焓的变化;T-体系的绝对温度;ΔS-体系的熵变。

(二)规范自在能变化和化学平衡的关系

对化学反响aA+bBcC+dD

到达化学平衡时

ΔG0是当反响物和产物都处于规范形状时的自在能变化,即规范自在能变化.R是气体常数.二、化学反响中自在能的变化和意义(三)规范生成自在能及其运用

规范生成能是指由处于规范形状的最稳定单质合成规范形状当量化合物时，其规范自在能的变化值(ΔG0f)

但规范生成自在能无法由实验测出，应此规定在一个大气压下，一定温度时，最稳定单质的规范自在能为零，这样，在规范形状下，由稳定单质生成1mol纯化合物的ΔG0就等于该化合物的规范生成自在能。单位是J/mol或kJ/mol

ΔG0=ΔG0f产物–ΔG0f反响物

二、化学反响中自在能的变化和意义(四)偶联化学反响规范自在能变化的可加性及其意义

偶联化学反响规范自在能变化是可以相加的,

如:AB+C的ΔG0=+21kj/mol,

BD的ΔG0=-34kj/mol,

那么AC+D的ΔG0=-13kj/mol,

反响可以自发进展。二、化学反响中自在能的变化和意义〔五〕化学反响和自在能关系的进一步阐明

只需ΔG<0的反响才干自发进展。但要留意：

〔1〕ΔG>0的反响可以和ΔG<0的反响偶联，使反响可以实践发生。

〔2〕有些ΔG>0的反响，在非规范形状下，ΔG有能够<0。

〔3〕热力学第二定律只能确定反响的方向和限制，不能预示反响过程的速率，许多ΔG<0的反响，需求提供活化能或运用催化剂才干使反响实践发生。二、化学反响中自在能的变化和意义〔六〕能量学用于生物化学反响中的一些规定

〔1〕水作为反响物或产物时，水的浓度通常规定为1〔实践浓度约为55.5mol/L)。

〔2〕生物体系的pH规定为7.0，称作生物体系的规范自在能变化，用ΔG0表示。假设反响体系的pH不等于7.0，就不能运用ΔG0。

〔3〕规范自在能的单位用kj/mol表示。

三、高能磷酸化合物(一)高能磷酸化合物的概念磷酰基水解时放出大量自在能的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。其中水解时能释放出20.92kJ以上自在能的键称为高能键〔high-energybond)。(二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型1.磷氧键型(-O~P-)(1)酰基磷酸化合物(acylphosphate)①乙酰磷酸;②1,3-二磷酸甘油酸；③氨甲酰磷酸④酰基腺苷酸(acylAMP);⑤氨酰腺苷酸(2)焦磷酸化合物①焦磷酸；②二磷酸腺苷；③烯醇式磷酸化合物三、高能磷酸化合物(二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型1.磷氧键型(-O~P-)(3)烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolypyruvate)三、高能磷酸化合物(二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型2.氮磷键型-如胍基磷酸化合物(1)磷酸肌酸(2)磷酸精氨酸三、高能磷酸化合物3.硫酯键型-活性硫酸基(1)3’-腺苷酸5’-磷酰硫酸(2)酰基辅酶A4.甲硫键型-活性甲硫氨酸〔S-腺苷甲硫氨酸)三、高能磷酸化合物(三)ATP的构造特性决议于分子内的静电斥力构成产物的共振稳定化作用三、高能磷酸化合物(四)细胞内影响ATP自在能释放的要素ATP和ADP均由多种解离方式，并且可以同金属离子相互作用，这些引均可影响自在能的释放。黄色表示可以解离的氢ATP水解释放自在能与pH的关系ATP水解释放自在能与其浓度的关系(pH7.0,38oC)ATP水解释放自在能与Mg2+的关系(pH7.0,38oC)三、高能磷酸化合物(五)ATP在能量转运中的位置和作用ATP的ΔG0在一切含磷酸基团的化合物中处于中间位置。这使ATP有能够在磷酸基团转移中作为中作为传送体而起作用。三、高能磷酸化合物(六)磷酸肌酸和磷酸精氨酸及其他贮能物质Phosphocreatine+ADPATP+creatine三、高能磷酸化合物(七)ATP断裂构成AMP和焦磷酸的作用ATP断裂构成AMP和焦磷酸的ΔG0=-31.2kj/mol，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸的ΔG0=-28.84kj/mol，总的ΔG0=-61.03kj/mol。大致相当于2分子ATP水解为2分子ADP释放的能量。ATP断裂构成AMP和焦磷酸的反响有重要的生物学意义，萤火虫的荧光物质是经过这一反响提供能量的。脂肪酸的酶促活化也是经过这一反响提供能量的，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸对反响有重要的推进作用。三、高能磷酸化合物(八)ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用ATP是主要的递能物质，除ATP外，合成多糖还需求UTP，合成蛋白质还需求GTP，合成磷酯需求CTP，合成RNA需求CTPUTPATPGTP，合成DNA需求dCTPdTTPdGTPdATP。(九)ATP系统的动