生物能学的课件资料

生物能学的课件资料第1页/共29页一、有关热力学的一些基本概念

体系、环境、开放体系、封闭体系、隔离体系能的两种形式—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)第2页/共29页体系（system)：研究中所涉及的全部物质的总称环境（外界）(surroundings)：指规定体系以外的物质的总称，即与体系直接作用的外界开放体系(opensystem)：与环境间有物质交换和能量传递体系隔离体系(isolatedsystem)：与环境间没有物质交换和能量传递封闭体系(closedsystem)：与环境间只有能量传递，无物质交换第3页/共29页

功是体系与环境之间的另外一种能量交换形式，伴随着质点的定向运动.做功的实质是内能和其他形式的能之间的转化的过程，能的形式发生改变能的两种形式——热与功热是温差产生的热量传递，伴随着质点的无序运动第4页/共29页

热力学第一定律和内能(internalenergy)、

焓(enthalpy)[en'θælpi]

内能（UorE)：体系内部质点能量的总和，内能与状态有关，与途径无关。焓：体系的内能与全部分子的压力和体积总变化的和

Δ

H=ΔU+ΔPV热力学第一定律(能量守恒定律）体系内能的变化等于体系吸收的热量减去所做的功（ΔU=Q-W)第5页/共29页★温度高分子运动快分子动能大内能大☆温度低分子运动慢分子动能小内能低对于同一个物体:▲同一物体，温度越高，内能越大，温度越低，内能越小第6页/共29页化学能的转化绿色植物通过光合作用把太阳能转化为化学能；异氧生物在代谢过程中把蕴涵的能量释放出来加以利用。燃烧热：1mol的有机化合物完全氧化释放出的最大能量燃烧与生物氧化的能量释放第7页/共29页热力学第二定律和熵(entropy)熵：代表体系能量分散程度的状态函数热力学第二定律：热的传导只能由高温物体传到低温物体——方向性第8页/共29页二、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。

第9页/共29页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第10页/共29页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例：计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

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：第11页/共29页计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化

达平衡时=Keq=19解：ΔG°′=-RTlnKeq=-2.3038.314311log19=-7.6KJ.mol-1ΔG′=ΔG°′+RTlnQc(Qc-浓度商)=-7.6+2.3038.314311log0.1=-13.6KJ.MOL-1未达平衡时=Qc=0.1反应G-1-PG-6-P在380C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？例题：第12页/共29页三、化学反应中自由能的变化和意义

1化学反应的自由能变化的基本公式

ΔＧ=ΔH-TΔS2

标准自由能变化ΔＧ0

温度压力反应物和生成物的浓度酸碱度3标准生成自由能

标准状态下，1mol单质生成1mol纯化合物时的标准自由能变化2、能量学用于生物化学反应中的一些规定第13页/共29页能量学用于生物化学反应中的一些规定1、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。2、生物体标准状况的pH规定为7.0。3、ΔG°′是pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能4、根据国际单位制(LeSystemeinternationalUnit，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。第14页/共29页生物系统中的能流第15页/共29页脂肪葡萄糖、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

生物体内能量产生的三个阶段第16页/共29页四高能化合物一、高能化合物的类型

二、ATP的特点及其特殊作用

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（>21千焦/摩尔）的化合物称为高能化合物(注意：高能键和键能的区别）。第17页/共29页高能化合物磷酸化合物非磷酸化合物磷氧型磷氮型硫酯键化合物甲硫键化合物烯醇磷酸化合物酰基磷酸化合物焦磷酸化合物第18页/共29页高能化合物类型第19页/共29页ATP的特点

在pH=7环境中，ATP分子中的三个磷酸基团完全解离,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）。第20页/共29页ATP的结构特点腺嘌呤—核糖—O—P—O—P—O—P—O-OOOO-O-O-+++Mg2+磷脂键酸酐键ªßγ第21页/共29页酸酐键的共振稳定性小于磷脂键型ATP水解形成的产物具有最低能量的构象形式，即有更大的共振稳定性酸酐键溶剂化所需能量小于磷脂键

归纳为两类导致反应物不稳定的因素导致产物稳定的因素第22页/共29页ATP在能量转运中地位和作用

★

ATP是细胞内的“能量通货”★

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1、3-二磷酸甘油酸磷酸肌酸（磷酸基团储备物）6-磷酸葡萄糖3-磷酸甘油第23页/共29页将高能磷酸键转移给肌酸以磷酸肌酸形式储存

磷酸肌酸——ATP缓冲剂磷酸肌酸（C～P）是肌肉和脑组织中能量的贮存形式。但磷酸肌酸中的高能磷酸键不能被直接利用，而必须先将其高能磷酸键转移给ATP，才能供生理活动之需。这一反应过程由肌酸磷酸激酶（CPK）催化完成。

第24页/共29页磷酸肌酸——ATP缓冲剂当ATP用于肌肉收缩，就会产生ADP，通过肌酸激酶的作用，磷酸肌酸很快供给ADP以磷酸基，从而恢复正常的ATP高水平。由于肌肉细胞的磷酸肌酸含量是其ATP含量的3～4倍，前者可贮存供短期活动用的、足够的磷酸基团。在活动后的恢复期中，积累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸。

第25页/共29页磷酸肌酸人体肌肉中磷酸肌酸的含量和再合成速度是运动元速度素质的物质基础。当细胞处于静息状态时，ATP浓度较高，反应趋向于合成磷酸肌酸，反之，细胞处于活跃状态时，反应趋向于合成ATP方向因此，磷酸肌酸有ATP缓冲剂之称。第26页/共29页能荷能荷是细胞所处能量状态的指标当所有腺苷酸充分磷酸化为ATP，能荷值为1；当所有腺苷酸去磷酸化为AMP，能荷值为零。大多数细胞维持的稳态能荷状态在0.8~0.95的范围内。高能荷时，