生物能学课件

生物能学一、有关热力学的一些基本概念二、化学反应中自由能的变化和意义三、高能磷酸化合物体系、环境、状态能的两种形式—热与功热力学第一定律和内能(internalenergy)、焓(enthalpy)热力学第二定律和熵(entropy)自由能(freeenergy)一、有关热力学的一些基本概念热力学第一定律：能量守恒定律热力学第二定律：熵定律自由能：ΔG=ΔH-TΔSΔG:自由能变化ΔH：总热能变化ΔS：总体熵的改变ΔG＜0时，体系的反应能自发进行(为放能反应)；ΔG＞0时，反应不能自发进行，当给体系补充自由能时，才能推动反应进行(为吸能反应)；ΔG=0时，表明体系已处于平衡状态。一、有关热力学的一些基本概念1.有关定律2.自由能（freeenergy）物理意义：－ΔＧ＝Ｗ*(体系中能对环境作功的能量)

自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即：

ΔG<0，反应能自发进行

ΔG>0，反应不能自发进行

ΔG=0，反应处于平衡状态。自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义，生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能，生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能。它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行，而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数。一、有关热力学的一些基本概念1、化学反应的自由能变化的基本公式

ΔG=ΔH-TΔS2、化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3、偶联化学反应ΔG′°变化的可加性4、能量学用于生物化学反应中的一些规定二、化学反应中自由能的变化和意义化学反应自由能的变化和平衡常数的关系假设有一个化学反应式：aA+bB=cC+dD

恒温恒压下：ΔG′=ΔG′°+RTlnQc

式中：ΔG′°=-RTlnKeq

ΔG′—某一化学反应随参加化学反应物质的浓度、发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化。

Qc-浓度商：

ΔG′°—标准条件（T=298OK,大气压为1atm,反应物和生成物浓度为1mol/L,pH=7.0）下，化学反应自由能的变化。

Keq-平衡常数：二、化学反应中自由能的变化和意义化学反应自由能的变化和氧化-还原电势的关系氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

ΔG°′=－nFΔE°′任何一个氧化-还原反应，在理论上都可以构建成一个原电池。氧化-还原物质连在一起，都可以有氧化-还原电势产生，任何氧还电对都有其特定的标准电势原(E0)，电池的标准电动势可用下式计算：

0（ΔE0

）=E0正极-E0负极生物体内的氧化还原物质在进行氧化-还原反应时，基本原理和原电池一样。氧化-还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下：

0（ΔE0

）=(RT/nF)lnKeq=2.3(RT/nF)lgKeq二、化学反应中自由能的变化和意义

原电池示意图ΔE0

=E0正极-E0负极=

+

0.34V-(-0.76V)=+1.10V负极反应:Zn=Zn2++2eE0Zn2+/

Zn=-0.76V正极反应:Cu=Cu2++2eE0Cu2+/

Cu=+0.34V检流计盐桥ZnSO4CuSO4e+-二、化学反应中自由能的变化和意义计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化例：反应G-1-PG-6-P在38℃达到平衡时，G-1-P占5%，G-6-P占95%，求ΔG0

。如果反应未达到平衡，设[G-1-P]=0.01mol/L，[G-6-P]=0.001mol/L，求反应的ΔG

是多少？二、化学反应中自由能的变化和意义ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.303

8.314

311

log0.1=-13.6KJ.MOL-1未达平衡时=Qc=0.1达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.303

8.314

311

log19=-7.6KJ.mol-1NADH+H++1/2O2NAD++H2O

正极反应：1/2O2+2H++2e

H2O

E+°′

0.82负极反应：NAD++H++2e

NADH

E-°′

-0.3ΔG°′

-nFΔE°′

-2×96485×[0.82-(-0.32)]

-220KJ·mol-1

例题：计算下反应式ΔG′°二、化学反应中自由能的变化和意义偶联化学反应ΔG′°变化的可加性在偶联的化学反应中，各反应的标准自由能变化是可以相加的：例：

A=B+CΔG°′=+20.92KJ/mol

B=DΔG°′=-33.47KJ/mol

则A=C+DΔG°′=-12.55KJ/mol该规则表明一个在热力学上不利的反应，可以与热力学有利的反应偶联进行，即可以被热力学有利的反应所驱动而进行。这在生物化学反应中是很多的。二、化学反应中自由能的变化和意义能量学用于生物化学反应中的一些规定生物能量学（bioenergetics）：定量研究发生在活细胞中的能量转换记者谢转换背后化学过程的特性和功能的科学。在稀的水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度（近似的即活度）为1.0。生物体标准状况的pH规定为7.0。

ΔG′°是pH为7.0时的标准状况下的标准自由能。根据国际单位制(LeSystemeinternationalUnut，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。二、化学反应中自由能的变化和意义生物系统中的能流二、化学反应中自由能的变化和意义生化反应中，在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能（>25kJ/mol）的化合物称为高能化合物。高能键用~表示。1、高能化合物的类型

2、ATP的特点及其特殊作用三、高能磷酸化合物指机体内磷酸化合物的磷酰基水解时，释放出大量自由能的这类化合物叫高能磷酸化合物

。一般水解时释放出25kJ/mol以上自由能的键视为高能键，高能键用

~

表示。烯醇式磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物胍基磷酸化合物硫酯键化合物甲硫键化合物三、高能磷酸化合物高能化合物的类型*UTP参与多糖合成*CTP参与脂类合成*GTP参与蛋白质合成其它高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物

磷酸肌酸和磷酸精氨酸可通过磷酸基团的转移作为储能物质，称为磷酸原（phosphagen）。

磷酸肌酸（phosphocreatine）是易兴奋组织如肌肉、脑、神经等惟一能起暂时储能作用的物质。肌肉中的含量比ATP高4倍，大脑中是1.5倍，可贮存供短期活动用的、足够的磷酸基团。活动后的恢复期，积累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸。

磷酸精氨酸（argininephosphate,PA）是无脊椎动物肌肉中的储能物质，与磷酸肌酸类似。三、高能磷酸化合物ATP的结构特性

ATP（三磷酸腺苷或叫腺苷三磷酸）是高能磷酸化合物的典型代表，由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三个相连的磷酸基团构成的核苷酸。三、高能磷酸化合物在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式（ATP4-），具有较大势能，加之水解产物稳定，因而水解自由能很大（ΔG′°=－30.5千焦/摩尔）。ATP的特点ATP4-+H2O＝ADP3-+Pi2-+H+G＝-30.5kJ/mol腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-

+

+

+Mg2+三、高能磷酸化合物ATP在能量转运中地位和作用★ATP是细胞内的“能量通货”，寿命：4~6秒★ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体～P～P～P～PATP～P02108641214磷酸基团转移能磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘油酸磷酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油ATP能为在中间三、高能磷酸化合物*