能量代谢与生物能的利用

能量代谢与生物能的利用第一节导言维持生命活动的能量，主要有两个来源：光能（太阳能）：植物和某些藻类，通过光合作用将光能转变成生物能。化学能：动物和大多数的微生物，通过生物氧化作用将有机物质（主要是各种光合作用产物）存储的化学能释放出来，并转变成生物能。有机物质在生物体内的氧化作用，称为生物氧化。由于生物氧化通常需要消耗氧，产生二氧化碳，故又称“细胞呼吸”。在整个生物氧化过程中，有机物质最终被氧化成CO2和水，并释放出能量。第2页,共80页，2024年2月25日，星期天

一、新陈代谢的概念

新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行第3页,共80页，2024年2月25日，星期天新陈代谢的概念及内涵

小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量

释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子物质代谢能量代谢新陈代谢信息交换第4页,共80页，2024年2月25日，星期天生物界能量传递及转化总过程太阳电子传递合成分解电子传递光合作用呼吸作用生命现象自养细胞异养细胞ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（电能）（化学能）（化学能）（电能）（化学能）生物合成机械功主动运输生物发光生物发电生物发热第5页,共80页，2024年2月25日，星期天

三、新陈代谢的调节

分子水平

细胞水平

整体水平

生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。代谢调节可分为三个不同水平：第6页,共80页，2024年2月25日，星期天第二节生物氧化的方式和特点糖类、脂肪、蛋白质等有机物质在细胞中进行氧化分解生成CO2和H2O并释放出能量的过程称为生物氧化（biologicaloxidation），其实质是需氧细胞在呼吸代谢过程中所进行的一系列氧化还原反应过程。第7页,共80页，2024年2月25日，星期天一、CO2的生成

方式：糖、脂、蛋白质等有机物转变成含羧基的中间化合物，然后在酶催化下脱羧而生成CO2。类型：α-脱羧和β-脱羧氧化脱羧和单纯脱羧CH3COSCoA+CO2CH3-C-COOHO丙酮酸脱氢酶系NAD+NADH+H+CoASH例：+CO2H2N-CH-COOHR氨基酸脱羧酶CH2-NH2R第8页,共80页，2024年2月25日，星期天二、生物氧化的方式与特点（一）生物氧化的方式1、失电子2、脱氢(最主要)3、加氧Fe2+

Fe3++eCOOHC=O+2H

CH3（2H++2e）

COOH

HO－CH

CH3Cu+O2

CuO12第9页,共80页，2024年2月25日，星期天生物氧化是在一系列氧化-还原酶催化下分步进行的。每一步反应，都由特定的酶催化。在生物氧化过程中，主要包括如下几种氧化方式。第10页,共80页，2024年2月25日，星期天1．脱氢氧化反应（1）脱氢在生物氧化中，脱氢反应占有重要地位。它是许多有机物质生物氧化的重要步骤。催化脱氢反应的是各种类型的脱氢酶。第11页,共80页，2024年2月25日，星期天烷基脂肪酸脱氢琥珀酸脱氢第12页,共80页，2024年2月25日，星期天醛酮脱氢乳酸脱氢酶第13页,共80页，2024年2月25日，星期天（2）加水脱氢酶催化的醛氧化成酸的反应即属于这一类。第14页,共80页，2024年2月25日，星期天2．氧直接参加的氧化反应这类反应包括：加氧酶催化的加氧反应和氧化酶催化的生成水的反应。加氧酶能够催化氧分子直接加入到有机分子中。例如：

【甲烷单加氧酶】

CH4+NADH+O2

CH3-OH+NAD++H2O氧化酶主要催化以氧分子为电子受体的氧化反应，反应产物为水。在各种脱氢反应中产生的氢质子和电子，最后都是以这种形式进行氧化的。第15页,共80页，2024年2月25日，星期天二、生物氧化的特点1、生物氧化是在生物细胞内进行的酶促氧化过程，反应条件温和（水溶液，pH

7和常温）。2、氧化进行过程中，必然伴随生物还原反应的发生。3、水是许多生物氧化反应的氧供体。通过加水脱氢作用直接参予了氧化反应。4、在生物氧化中，碳的氧化和氢的氧化是非同步进行的。氧化过程中脱下来的氢质子和电子，通常由各种载体，如NADH等传递到氧并生成水。第16页,共80页，2024年2月25日，星期天5、生物氧化是一个分步进行的过程。每一步都由特殊的酶催化，每一步反应的产物都可以分离出来。这种逐步进行的反应模式有利于在温和的条件下释放能量，提高能量利用率。6、生物氧化释放的能量，通过与ATP合成相偶联，转换成生物体能够直接利用的生物能ATP。7、进行生物氧化反应的部位（1）线粒体（2）内质网、微粒体、过氧化酶体等8、生理意义：供给机体能量，进行正常生理生化活动，转化有害废物。第17页,共80页，2024年2月25日，星期天

生物氧化与体外燃烧的比较

反应条件

温和剧烈

(体温、pH近中性)(高温、高压)反应过程

逐步进行的酶促反应一步完成能量释放

逐步进行瞬间释放

（化学能、热能）（热能）CO2生成方式

有机酸脱羧碳和氧结合H2O

需要不需要速率受体内多种因素调节

生物氧化体外燃烧第18页,共80页，2024年2月25日，星期天脂肪葡萄糖、其它单糖三羧酸循环电子传递（氧化）蛋白质脂肪酸、甘油多糖氨基酸乙酰CoAe-磷酸化+Pi

小分子化合物分解成共同的中间产物（如丙酮酸、乙酰CoA等）

共同中间产物进入三羧酸循环,氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O，释放出大量能量，其中一部分通过磷酸化储存在ATP中。大分子降解成基本结构单位

生物氧化的三个阶段第19页,共80页，2024年2月25日，星期天第三节生物氧化有关的酶类（一）氧化酶类组成：结合酶酶蛋白辅基：含Fe、

Cu举例：细胞色素氧化酶、酚氧化酶等特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O。RH22Fe3+/2Cu2+O2－

H2OR

2Fe2+/2Cu+O22H++2e-2e+2e122e

第20页,共80页，2024年2月25日，星期天(二)脱氢酶类1.需氧脱氢酶

特点：催化底物脱氢后，以O2为直接受氢体，生成H2O2。组成：结合酶酶蛋白辅基：FMN、FADRH2FMN/FADH2O2R

FMNH2/FADH2

O2

2H2H第21页,共80页，2024年2月25日，星期天2.不需氧脱氢酶（最重要）

特点：催化底物脱氢后，不能以O2为直接受氢体组成：结合酶酶蛋白辅助因子辅酶：NAD+

、

NADP+辅基：FMN、FAD第22页,共80页，2024年2月25日，星期天RH2NAD+(NADP+)XH2

O2RNADH+H+

XH2O

(NADPH+H+)

2H2H2H12RH2FMN/FADXH2

O2R

FMNH2/FADH2

XH2O

2H2H2H12第23页,共80页，2024年2月25日，星期天第四节线粒体氧化体系

线粒体结构第24页,共80页，2024年2月25日，星期天线粒体呼吸链

线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链（eclctrontransferchain),因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。第25页,共80页，2024年2月25日，星期天呼吸链的组分及其作用（一）以NAD+、

NADP+为辅酶的脱氢酶类尼克酰胺核苷酸类递氢体

NAD+、

NADP+（二）黄素蛋白类递氢体

FMN、FAD（三）铁硫蛋白单电子传递体（四）泛醌（辅酶Q）递氢体（五）细胞色素体系单电子传递体第26页,共80页，2024年2月25日，星期天呼吸链的组成1.黄素蛋白酶类（flavoproteins,FP）2.铁-硫蛋白类（iron—sulfurproteins)3.辅酶Ｑ（ubiquinone,亦写作CoQ）4.细胞色素类（cytochromes）NADH辅酶Q（CoQ）Fe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3琥珀酸等黄素蛋白（FAD）黄素蛋白（FMN）细胞色素类铁硫蛋白（Fe-S）铁硫蛋白（Fe-S）第27页,共80页，2024年2月25日，星期天NADH呼吸链NADHFMNCoQFe-SCytc1O2CytbCytcCytaa3Fe-SFADFe-S琥珀酸等复合物II复合物IV复合体I复合物IIINADH脱氢酶细胞色素还原酶细胞色素氧化酶琥珀酸-辅酶Q还原酶FADH2呼吸链第28页,共80页，2024年2月25日，星期天（一）呼吸链的主要成分1、NAD+和NADP为辅酶的脱氢酶【组成成分】酶蛋白、尼克酰胺（Vpp）核糖、磷酸与AMP。【作用】辅酶接受代谢物脱下的2H，传递给黄素蛋白。第29页,共80页，2024年2月25日，星期天NADH：还原型辅酶它是由NAD+接受多种代谢产物脱氢得到的产物。NADH所携带的高能电子是线粒体呼吸链主要电子供体之一。第30页,共80页，2024年2月25日，星期天2、铁硫蛋白（iron-sulfurprotein,Fe-S）铁硫蛋白与黄素蛋白形成复合物存在。【组成成分】含等量的铁原子和硫原子（Fe2S2，Fe4S4）铁原子与铁硫蛋白的半胱氨酸相连【作用】将FMN或FAD中的电子传递给泛醌。【传递机制】单电子传递第31页,共80页，2024年2月25日，星期天铁硫蛋白它主要以(2Fe-2S)或(4Fe-4S)形式存在。(2Fe-2S)含有两个活泼的无机硫和两个铁原子。铁硫蛋白通过Fe3+

Fe2+

变化起传递电子的作用第32页,共80页，2024年2月25日，星期天3、泛醌（简写为Q）或辅酶-Q（CoQ）：它是电子传递链中唯一的非蛋白电子载体。为一种脂溶性醌类化合物。第33页,共80页，2024年2月25日，星期天辅酶-Q的功能Q(醌型结构)很容易接受电子和质子，还原成QH2（还原型）；QH2也容易给出电子和质子，重新氧化成Q。因此，它在线粒体呼吸链中作为电子和质子的传递体。第34页,共80页，2024年2月25日，星期天4、细胞色素（简写为cyt.）是含铁的电子传递体，辅基为铁卟啉的衍生物，铁原子处于卟啉环的中心，构成血红素。各种细胞色素的辅基结构略有不同。线粒体呼吸链中主要含有细胞色素a,b,c和c1等，组成它们的辅基分别为血红素A、B和C。细胞色素a,b,c可以通过它们的紫外-可见吸收光谱来鉴别。细胞色素主要是通过Fe3+

Fe2+

的互变起传递电子的作用的。第35页,共80页，2024年2月25日，星期天5、黄素酶-黄素蛋白（Flavoprotein）【组成成分】酶蛋白、黄素单核苷酸（FMN）黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），它们由核黄素（VitB2）、磷酸、AMP组成。【作用】进行可逆的脱氢加氢反应。【传递机制】异咯嗪的第1、10位N上可加氢【主要形式】琥珀酸脱氢酶以FAD为辅酶，将代谢物脱下的H传入呼吸链。第36页,共80页，2024年2月25日，星期天异咯嗪结构第37页,共80页，2024年2月25日，星期天（二）体内主要呼吸链1、NADH氧化呼吸链【组成与作用】脱氢酶（CoI）、黄素蛋白、铁硫蛋白、CoQ和细胞色素。2、FADH氧化呼吸链（琥珀酸氧化呼吸链）【组成和作用】脱氢酶（FAD）、CoQ、细胞色素【差异】脱下的2H不经过NAD+传递,其余过程与NADH呼吸链相同.第38页,共80页，2024年2月25日，星期天NADH

FP(FMN)

UQ

Cytb

CytC1

Cytc

Cytaa3

O2

(Fe-S)

FP(FAD-Fe-S)第39页,共80页，2024年2月25日，星期天第40页,共80页，2024年2月25日，星期天线粒体呼吸链第41页,共80页，2024年2月25日，星期天NADH呼吸链电子传递过程中自由能变化总反应:NADH+H++1/2O2→NAD++H2O

ΔG°′=-nFΔE°′

=-2×96.5×[0.82-(-0.32)]=-220.07千焦·mol-1总反应：FADH2+1/2O2→FAD+H2OΔG°′=-nFΔE°′=-2×96.5×[0.82-(-0.18)]=-193.0千焦·mol-1FADH2呼吸链电子传递过程中自由能变化第42页,共80页，2024年2月25日，星期天电子传递和ATP的合成作用物水平的磷酸化（substratelevelphoaphorylation）：高能化合物在进行反应的过程中，将能量转给ADP生成ATP。第43页,共80页，2024年2月25日，星期天

NADH或琥珀酸所携带的高能电子通过线粒体呼吸链传递到O2的过程中，释放出大量的能量。这种高能电子传递过程的释能反应与ADP和磷酸合成ATP的需能反应相偶联，是ATP形成的基本机制。代谢物氧化脱氢经呼吸链传递给氧生成水的同时，伴有ADP磷酸化生成ATP的过程为氧化磷酸化，因氧化反应与ADP的磷酸化反应偶联发生，有称偶联磷酸化。此为体内生成ATP的主要方式。第44页,共80页，2024年2月25日，星期天2、ATP合成反应-氧化磷酸化生物氧化的释能反应与ADP的磷酰化反应偶联合成ATP的过程，称为氧化磷酸化(Oxidativephosphorylation）。根据氧化-还原电势与自由能变化关系式，计算出在NADH氧化过程中，有三个反应的

G

’<-30.5kJ/mol。

FMNH2

Qcytb

cytc1cytaa3

O2

G

’-55.6kJ/mol-34.7kJ/mol-102.1kJ/moL

这三个反应分别与ADP的磷酰化反应偶联，产生3个ATP。这些反应称为呼吸链的偶联部位。第45页,共80页，2024年2月25日，星期天氧化磷酸化

代谢物在生物氧化过程中释放出的自由能用于合成ATP（即ADP+Pi→ATP）,这种氧化放能和ATP生成（磷酸化）相偶联的过程称氧化磷酸化。类别：

底物水平磷酸化电子传递水平磷酸化ADP+PiATP+H2O生物氧化过程中释放出的自由能第46页,共80页，2024年2月25日，星期天磷氧比（P/O

）

呼吸过程中无机磷酸（Pi）消耗量和分子氧（O2）消耗量的比值称为磷氧比。由于在氧化磷酸化过程中，每传递一对电子消耗一个氧原子，而每生成一分子ATP消耗一分子Pi

，因此P/O的数值相当于一对电子经呼吸链传递至分子氧所产生的ATP分子数。NADHFADH2O212H2OH2O例实测得NADH呼吸链：P/O~3ADP+PiATP实测得FADH2呼吸链：P/O~2O2122e-2e-ADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATPADP+PiATP第47页,共80页，2024年2月25日，星期天二、氧化磷酸化的偶联机理

1、线粒体ATP合酶（mitochondrialATPase）2、能量偶联假说

1953年EdwardSlater

化学偶联假说

1964年PaulBoyer构象偶联假说

1961年PeterMitchell化学渗透假说3、质子梯度的形成4、ATP合成的机制1978年获诺贝尔化学奖第48页,共80页，2024年2月25日，星期天线粒体ATP合酶第49页,共80页，2024年2月25日，星期天内膜F0F1ATP酶e-ADP+Pi底物H+ATPH+H+H+基质膜间隙电子传递链

电子传递的自由能驱动H+从线粒体基质跨过内膜进入到膜间隙，从而形成H+跨线粒体内膜的电化学梯度，这个梯度的电化学势(Δ

H+)驱动ATP的合成。化学渗透假说

(chemiosmotichypothasis)第50页,共80页，2024年2月25日，星期天化学渗透假说原理示意图4H+2H+2H+4H+NADH+H+2H+2H+2H+

ADP+PiATP高质子浓度H2O2e-+++++++++__________质子流线粒体内膜磷酸化

氧化

第51页,共80页，2024年2月25日，星期天第七节高能磷酸键的生成机制（一）有关热力学和能的一些基本概念一、体系的概念、性质和状态热力学中经常使用的两个名词是体系和环境。体系又称为系统或物系。热力学所说的体系指的是在研究中所涉及的全部物质的总称。环境又称外界，指的是与体系直接相互作用的外界。第52页,共80页，2024年2月25日，星期天根据体系与环境之间的不同关系，可将体系分为三种类型：1、凡与环境之间有物质交换和能量传递的体系称为开放体系；(生物体都属于开放体系。)2、凡与环境之间只有能量传递而不能发生物质交换的体系称为封闭体系；3、凡与环境不能以任何形式发生作用的，既无能量传递也无物质交换的体系称为隔离体系。第53页,共80页，2024年2月25日，星期天热力学把这种性质与状态间的单值对应关系称为状态函数。一个体系的性质包括压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等等。热力学正是用体系的这些性质来描述一个体系所处的状态。当体系的各种性质确定之后，这个体系也就有了确定的状态。反之，当一个体系的状态确定之后、这个体系的各种性质也就有了确定的数值。一个体系所处状态的微小变化，都必然引起状态函数的微小变化。

应注意的是，状态函数的变化只与体系状态变化的始态和终态有关，而与状态变化的过程无关。第54页,共80页，2024年2月25日，星期天二、能的两种形式——热与功热与功是一个体系的状态在发生变化时与环境交换能量的两种形式。热是由于温差而产生的能量传递方式，常伴随着质点的无序运动。功是体系与环境间另外一种能量交换方式。如体积变化以对抗外界压力，表面积变化以对抗表面张力，电功等都是做功。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动。第55页,共80页，2024年2月25日，星期天三、内能和焓的概念内能是体系内部质点能量的总和，通常用符号U(或E)表示。体系内部每个质点的能量都与体系的性质、结构、运动状态及其相互作用等情况有关。因此内能U是体系的一个状态函数。内能是由分子的平动能、转动能、振动能、电子能、电子与核的相对静止质量能、分子间相互作用的势能等等所组成。因此，内能的绝对值是无法测量的，但一个体系的状态发生变化时，其内能的改变量却是可以测量的。焓也是体系的一个状态函数，它代表体系的内能与该体系的压力(P)、体积(V)乘积之和称为热焓，简称焓。用符号H表示。焓的公式可表示如下：

H=U+PV(1)式中H代表热焓，U代表内能，P代表压力，V代表体积。第56页,共80页，2024年2月25日，星期天四、热力学第一定律热力学第一定津就是能量守恒定律，这一定律指出，在一个孤立体系中的能量可以变换其形式，但其总能量不变。这一定律说明能的形式只能互相转变不能消灭。热力学第一定律可用数学表达式以热和功的关系表示如下：ΔU＝Q—W(2)第57页,共80页，2024年2月25日，星期天第58页,共80页，2024年2月25日，星期天

这就是说，恒容(体积不变)过程中吸收的热量，在数值上等于体系内能的改变量；在恒压过程中吸收的热量，在数值上等于体系焓的改变量。生物体系是一个开放体系，这种体系的特点是体系和周围环境既有物质交换又有能量交换。在生物体内，绝大多致生物化学过程都是在压力近似不变的条件下发生的，所以在这些过程中，体系所吸收或放出的热量就是该体系的焓变；而且绝大多数生物化学过程都是在液体或固体中进行的，所以体积变化很小。因此可把生物化学过程近似地看成恒压恒容过程。即dP＝0，dV＝0，因而ΔH≈ΔU。在生物化学中往往忽略ΔH和ΔU的差别，而简称与某一反应伴随的“能量变化”。第59页,共80页，2024年2月25日，星期天五、化学能的转化在生命活动中，生物体所利用的能量主要来源于光能。光合生物将光能转化为化学能并贮存于所合成的化学物质中。其他生物通过分解代谢将化学物质中贮存的能量释放出来，用以做机械功或进行合成反应。生物体又将未被利用的能转化为热能、含低能的化合物和热。不同化学物质含有不同的化学能，在完全氧化(燃烧)时，化学能大量转变为热能，称为燃烧热，燃烧热定义为一摩尔有机化合物完全氧化时所释放出的最大能量。氧化作用所释放的能量等于这一物质所含的化学键能与其氧化产物所含化学键能之差。放出总能量的多少与该物质氧化的途径无关。只要在氧化后所生成的产物相同，放出的总能量必然相等。第60页,共80页，2024年2月25日，星期天六、热力学第二定律和熵的概念热力学第二定律指出：热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能的。第二定律的实质是说明热力学体系的过程有一定的方向性，自高温流向低温。生活经验告诉我们，有许多过程在一定条件下可以自发地进行。例如热从高温物体自动传给低温环境；金刚石与氧气有可能自发地反应生成二氧化碳气体。以上的相反过程都不能自发地进行。这些能够自发进行的过程称为自发过程。

第61页,共80页，2024年2月25日，星期天

当热自高温物体传给低温环境时，即把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境中。这表明，能量分散的程度增大；相反的过程是不可能自发发生的。金刚石生成二氧化碳的过程就是一个能量分散程度增大的过程。自发过程的共同特征就是所有这些过程都向着能量分散程度增大的方向进行。一个体系中能量分散的程度是该体系中大量微观质点进行各种运动的综合表现，汇集成一种宏观性质。这种性质随体系的状态而变化，称为该体系的状态函数。这个代表体系能量分散程度的状态函数笼统地称为熵，用符号S表示。第62页,共80页，2024年2月25日，星期天熵值也可以说是代表一个体系散乱无序的程度。一个体系当变为更混乱时，它的熵值增加。熵的变化用ΔS表示。则ΔS为正值。还可将第二定律作如下的叙述：在隔离体系中、一个过程只有当其体系和周围环境的熵值总和增加时，才能自发进行。隔离体系的熵变可用下式表示：式中等号表示可逆过程，可逆过程的熵变等于零。此时体系处于平衡状态。不等号大于零表示不可逆过程，体系的熵增加。事实上所有实际发生的自发过程都是不可逆的，其熵总是增加的，直至增加到最大可能值时，过程才停止进行。第63页,共80页，2024年2月25日，星期天

生物体如何遵循热力学规律驱动体内化学反应的进行，并依靠化学反应所释放的能量维持生命活动?正是生物化学所要揭示的问题。

用熵作为衡量一个生物化学过程是否能够自发进行的困难是化学反应的熵变不易测量，因为它需要环境熵变和体系熵变两个值求得。用自由能作为衡量标准就可以排除这个困难。第64页,共80页，2024年2月25日，星期天七、自由能的概念自由能对生物体有特别重要的意义，因为它不仅可用来判断机体内一过程能否自发进行，而且生物体用以作功的能也正是体内生物化学反应释放出的自由能。生物氧化所提供的能量正是可为机体利用的自由能。

1878年JosiahWillardGibbs提出关于自由能的公式,他把热力学第一定律和第二定律结合在一起运用，并假设过程是在恒温恒压下进行，得到如下的公式：ΔG=ΔH—TΔS(12)上式ΔG代表体系的自由能变化，ΔH是体系的热焓变化，ΔS是体系熵的变化。第65页,共80页，2024年2月25日，星期天第66页,共80页，2024年2月25日，星期天（二）化学反应中自由能的变化和意义为了阐明自由能在化学反应中的意义，有必要进一步分析在化学反应中自由能的变化。一、化学反应的自由能变化公式设有一化学反应：

A十B→C十D十ΔH(24)

上式A十B含有的总能量大于C十D含有的总能量，所超过的量就是反应中释放出的能量(ΔH)，如果把A十B和C十D作为一个体系，则可看出，体系由A十B状态进入C十D状态是一个放能过程。可以推测出A十B所含的总能量和熵不同于C十D所含的总能量和熵。A十B和C十D所含的总能量和熵都是不易测得的。而且A十B和C十D的能值本身对生物机体的意义并不是直接的。因此，一般并不必特别注意A十B或C十D的能值。值得注意的是由A十B转变为C十D时能量的变化。特别是自由能的变化。第67页,共80页，2024年2月25日，星期天第68页,共80页，2024年2月25日，星期天

热力学第二定律应用于化学反应，可得到关于化学反应的如下规律：一个在恒温但压下自发进行的化学反应，总伴有自由能的降低(ΔG＜o)，亦即在发生反应时，必然放出自由能。自由能降低越多，反应进行的推动力就越大，反应进行得也完全。从(28)式可看出，一个化学反应的热焓变化并不完全代表其自由能变化。自由能的变化往往小于热焓的变化，其差即为TΔS。在有些情况下，熵的改变可能很小，ΔG可与ΔH约略相等。但在另一些情况下，熵的改变也可能很大，若ΔS＜o而且TΔS值超过ΔH，即有可能使ΔG＞0，则反应不能自发进行。热力学第二定律主要解决方向和在一定条件下该过程的限度问题。从热力学第二定律导出的自由能变化ΔG值就是判断一个化学反应能否向某个方向进行的根据。ΔG是负值只表示这个反应可以自发进行，但它不能提示将以怎样的速度进行。ΔG和反应的速度无关。第69页,共80页，2024年2月25日，星期天二、标准自由能变化及其与平衡常数的关系标准自由能变化是在规定的标准条件下自由能的变化。标准条件是指参加反应的物质如(24)式中的A、B、C、D的浓度都是一摩尔浓度，若为气体，则是一大气压。标准自由能变化符号用ΔG0表示。对于生物化学反应，标准状况还规定反应进行的环境为pH＝7。这时用ΔG0’表示。由于ΔG值可用于衡量一个化学反应趋向平衡(ΔG=0)倾向的大小。用标准自由能变化(ΔG0)就可以定量地反应与平衡常数之间的关系。第70页,共80页，2024年2月25日，星期天第71页,共80页，2024年2月25日，星期天第72页,共80页，2024年2月25日，星期天第73页,共80页，2024年2月25日，星期天

从以上举例可清楚地看到ΔG和ΔG0’是两个全然不同的值。在自发进行的化学反应中，自由能总是在降低。ΔG总是负值。而每一化学反应都有其特定的标准自由能变化，即ΔG0’值。ΔG0’可能是正值、负值或等于零，此值依赖于反应的平衡常数。从标准自由能变化ΔG0’可得知当化学反应在标准状况下发生时，此反应在何处达到平衡。也就是说，当反应物的起始为1.0摩尔浓度，PH＝7，温度为2