第18章生物能学

第18章生物能学有关热力学的一些基本公式高能磷酸化合物（一）体系：1、概念：在研究中所涉及的全部物质的总称2、环境：体系以外物质的总称。3、体系的类型：①开放体系：体系与环境间即有物质交换也有能量交换。②封闭体系：体系与环境间无物质交换只有能量交换。③隔离体系：体系与环境间即无物质交换也无能量交换。4、体系的性质：包括压力、体积、温度、组成和表面张力等，用体系的这些性质来描述体系所处的状态，当体系的各种性质确定之后，体系也就有了确定的状态，热力学把体系的性质与状态之间的单值对应关系叫状态函数，体系所处状态的微小变化，都会引起状态函数的微小变化。一、生物体内能量代谢的基本概念和公式（二）能的两种形式——热和功热和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：1、热：是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递总是伴随着质点的无序运动。2、功（W）：除热的形式以外，各种被传递的能量。任何一种功都伴随着质点的定向运动。（三）内能与和焓1、内能（U或E）是体系内部质点能量的总和，体系的每个质点都与体系的性质、结构、运动状态等有关，所以U是体系的状态函数。2、焓（H）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。焓的变化叫焓变，用△H表示，焓变与内能的关系为：

△H=△U+△PV△U：内能的变化，也可用△E表示。△H：焓变△PV：压力（P）和体积（P）的变化(四)热力学第一定律★热力学第一定律（能量守恒定律：能量不会凭空产生，也步会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一物体，在转化和转移过程中总量不变。热力学第一定律的数学表达式为：△U=Q-WQ：体系变化时吸收的热量；W：体系所做的功★如果体系的内能发生了微小的变化，可用下式表达：dU=dQ-dW★对于一个等压过程，体系只做体积功，不做环境功，于是dW=PdV代入上式得：

dU=dQ-PdVdU：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,★对于只做体积功的体系，焓数学式为：

dH=dQ+VdP1、自由能(G)：生物体内用于做功的能，这些自由能来自于生物氧化所释放的自由能2、自由能与焓变和熵变的关系：△G=△H—T△S△G：在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化△H体系焓的变化T体系的绝对温度△S体系的熵变3、当体系的△G＜0时或-△G＞0，这个过程不能进行，必须提供能量才能进行。二、化学反应中自由能得变化和意义（一）化学反应中自由能变化的公式1、标准自由能变化：在标准条件（反应温度25℃，即298K；大气压力101325pa(1个大气压)；反应物与生成物浓度都为1mol/L）下，化学反应自由能变化，叫标准自由能变化（△G0），在生物体内，标准状况还规定环境pH=7，这时标准自由能变化用△G0/表示2、当反应处于平衡，△G0

=0时，△G0/与理想气体和平衡常数的对数的关系：

△G0/

=2.303RTlgK/eqR：为气体常数，如果气体常数的能量单位是“卡”，这时R=1.98×10-3kcal/mol.K（此处K为绝对温度，等于298K，相当于25℃）；则测得的△G0/用kcal/mol表示。如果气体常数的能量单位是kJ/mol这时R=8.31×10-3kJ/mol.K，则△G0/用kJ/mol表示。K/eq：代表一定条件下，所测得的平衡常数，和热力学真正的平衡常数有一点差别，所以用K/eq表示（二）标准自由能变化和化学平衡的关系（三）标准生成自由能及其应用每一种有机化合物都有特定的标准生成自由能，用“△G0f”表示。标准生成自由能是：由处于标准状态的最稳定单质合成标准状态当量化合物时，其标准自由能变化值。利用标准生成自由能来计算一个反应的标准自由能变化，因标准自由能变化=反应产物标准生成自由能的总和-反应物标准生成自由能总和。如果已知反应物和产物的标准生成自由能，即可求出该反应的标准自由能变化。许多生物化学化合物的标准生产自由能可通过化学手册查。（四）能量学用于生物化学反应中的一些规定1、在任何情况下，一个稀的水溶液系统，如果水作为反应物或产物时，水的浓度规定为12、在生物化学能量学中，通常把标准状况的pH规定为7，因生物化学反应大多pH=7的环境中进行的。3、△G0/值用于生物化学能量学是假设每个反应物和产物都能解离，它们解离的标准状态是为解离形式和解离形式的混合状态，两种状态的存在正是pH=7环境。4、标准自由能单位：过去习惯用cal/mol或kcal/mol表示，1cal是无空气之水的温度在恒定压力下由14.5℃升到15.5℃所需要的热量。而现在用J/mol或kJ/mol表示。1J是施加1N的力于1m距离所需能量。1cal=4.184J,1kcal=4.184kJ例1、G-1-P的浓度为0.02mol/L，在磷酸葡萄糖变位酶催化下，向G-6-P转变，或由G-6-P（起始浓度也是0.02mol/L）向G-1-P转变，最后得混合物。无论哪个为起始物都含0.001mol/L的G-1-P和0.019mol/L的G-6-P，此反应温度为25℃，pH=7，求该反应的K/eq和△G0/值。解：K/eq

=G-6-P/G-1-P=0.019/0.001=19△G0/

=2.303RTlgK/eq

=2.303×1.98×10-3×298×lg19=-1.36×1.28=1.74kcal/mol×4.184=-7.280kJ/mol★一般将水解时释放的自由能为25kJ/mol或30kJ/mol以上的化学键叫“高能键”，用“～”表示，含有高能键的化合物叫高能化合物。★高能化合物中含有磷酸基时叫高能磷酸化合物。★生物体内高能化合物种类很多，根据它们键的特点可进行分