《生物能學(xué)》課件

第二十章 生物能學(xué)1一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念2 （一）、體系（一）、體系 宇宙宇宙 太陽(yáng)系太陽(yáng)系 地球地球 每個(gè)生物或非生物每個(gè)生物或非生物 化學(xué)反應(yīng)體系化學(xué)反應(yīng)體系3能量的傳遞形式熱熱功功？?jī)?nèi)能內(nèi)能的傳遞方式的傳遞方式？動(dòng)能、勢(shì)能動(dòng)能、勢(shì)能轉(zhuǎn)化和傳遞的方式轉(zhuǎn)化和傳遞的方式包括機(jī)械功、電功、化學(xué)功等包括機(jī)械功、電功、化學(xué)功等（二）、能的兩種形式（二）、能的兩種形式4體系總能量體系總能量=可做功的能可做功的能+不能做功的能不能做功的能（H）（自由能（自由能G）（熱能）（熱能）5 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律(能量轉(zhuǎn)化與守恒定律能量轉(zhuǎn)化與守恒定律)熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律(能量傳遞的方向性定律能量傳遞的方向性定律)當(dāng)體系的狀態(tài)發(fā)生變化后當(dāng)體系的狀態(tài)發(fā)生變化后總能量不變總能量不變變化的是變化的是G（G）變化朝自由能降低的變化朝自由能降低的方向進(jìn)行方向進(jìn)行（G）6二、化學(xué)反應(yīng)體系中的自由能二、化學(xué)反應(yīng)體系中的自由能（一）根據(jù)（一）根據(jù)自由能變化自由能變化可以可以判斷判斷中間物質(zhì)代謝方向中間物質(zhì)代謝方向7狀態(tài)狀態(tài)A GA 狀態(tài)狀態(tài)B GB G=GB GA 當(dāng)反應(yīng)體系恒溫、恒壓下發(fā)生變化時(shí)當(dāng)反應(yīng)體系恒溫、恒壓下發(fā)生變化時(shí)8 G0時(shí)，時(shí)，W0，體系對(duì)外作功，體系對(duì)外作功，該反應(yīng)該反應(yīng)可自可自發(fā)發(fā)進(jìn)行，放能反應(yīng)進(jìn)行，放能反應(yīng) G=0時(shí)，時(shí)，W=0，該反應(yīng)處于平衡該反應(yīng)處于平衡 G0時(shí)，時(shí)，W0，該反應(yīng)該反應(yīng)不可自發(fā)不可自發(fā)進(jìn)行，進(jìn)行，必須必須吸收外來(lái)能量才能進(jìn)行（吸能反應(yīng)）吸收外來(lái)能量才能進(jìn)行（吸能反應(yīng)），同時(shí)，該反，同時(shí)，該反應(yīng)的逆過程可以自發(fā)進(jìn)行。應(yīng)的逆過程可以自發(fā)進(jìn)行。9任何狀態(tài)下任何狀態(tài)下 G=GO+RTlnK GO這一反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（這一反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（pH=0,25 1atm）的自由能變化（標(biāo)準(zhǔn)自由能）（可查表或計(jì)）的自由能變化（標(biāo)準(zhǔn)自由能）（可查表或計(jì)算，參見物理化學(xué)），與反應(yīng)的平衡常數(shù)有關(guān)。算，參見物理化學(xué)），與反應(yīng)的平衡常數(shù)有關(guān)。K=B/A 或或B1B2Bn/A1A2An R：氣體常數(shù)（：氣體常數(shù)（1.98x10-3 kcal/mol k）（8.31x10-3 kJ/mol k）T：絕對(duì)溫度（絕對(duì)溫度（k)10生物代謝略有不同，生物代謝略有不同，GO改為改為 GO（pH=7)G=GO+RTlnK G0,可可；=0,平衡平衡；0,否否 11 例：當(dāng)例：當(dāng) 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮 與與 3-磷酸磷酸-甘甘 油醛油醛 平衡時(shí)，平衡時(shí)，濃度比為濃度比為 0.0475(Keq)pH=7,25 1atm12該反應(yīng)平衡點(diǎn)時(shí)：該反應(yīng)平衡點(diǎn)時(shí)：甘油醛甘油醛-3-磷酸磷酸 K=4.75x10-2 磷酸二羥丙酮磷酸二羥丙酮13判斷：當(dāng)磷酸二羥丙酮為判斷：當(dāng)磷酸二羥丙酮為 3 x 10-6 mol/L，3-磷酸磷酸-甘油醛甘油醛 為為 2 x 10-4 mol/L 時(shí)，反應(yīng)怎樣進(jìn)行？時(shí)，反應(yīng)怎樣進(jìn)行？14 G=GO+RTlnK平衡時(shí)，平衡時(shí)，G=0 K=Keq GO=-RTlnKeq =-2.303RTlgKeq 15 GO=-RTlnKeq=-2.303 x 1.98x10-3 x298 x log(0.0475)=1.81kcal/mol16 G=GO +RTln產(chǎn)物產(chǎn)物/反應(yīng)物反應(yīng)物=1.81kcal/mol+2.303 x 1.98x10-3 x298 x log 3 x 10-6 mol/L(甘）甘）/2 x 10-4 mol/L（丙）（丙）=-0.067 kcal/mol 17（二）偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性（二）偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由能變化的可加性熱力學(xué)上不利的反應(yīng)可以由熱力學(xué)上有利的熱力學(xué)上不利的反應(yīng)可以由熱力學(xué)上有利的反應(yīng)所驅(qū)動(dòng)反應(yīng)所驅(qū)動(dòng) A B GO0（不能不能自發(fā)進(jìn)行）自發(fā)進(jìn)行）CD GO0（能能自發(fā)進(jìn)自發(fā)進(jìn)行）行）A+C B+D GO0（能能自發(fā)進(jìn)行）自發(fā)進(jìn)行）18三、三、高能化合物高能化合物定義：定義：一般將水解時(shí)能夠釋放一般將水解時(shí)能夠釋放21 kJ/mol21 kJ/mol（5 5千卡千卡/mol)/mol)以上自由能（以上自由能（G G -21 kJ/mol-21 kJ/mol）的化）的化合物稱為高能化合物。合物稱為高能化合物。高能化合物高能化合物（水解）（水解）低能化合物低能化合物 GO0（能能自發(fā)進(jìn)行）自發(fā)進(jìn)行）A B GO0（不能不能自發(fā)進(jìn)行）自發(fā)進(jìn)行）A+高能化合物高能化合物 B+低能化合物低能化合物 GO0（能能自發(fā)進(jìn)行）自發(fā)進(jìn)行）兩反應(yīng)如何可以結(jié)合在一起呢？?jī)煞磻?yīng)如何可以結(jié)合在一起呢？（一）功能（一）功能高能基團(tuán)的傳遞有著十分重要的生物意義有著十分重要的生物意義19類似的活化反應(yīng)類似的活化反應(yīng)十分普遍存在。十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖比比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，這步活高，更易于分解，這步活化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解的根基。的根基。激酶激酶激活底物激活底物（A）連接高能鍵的酶連接高能鍵的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化活化（能量增加）（能量增加）反應(yīng)反應(yīng)例例D-葡萄糖葡萄糖+ATPD-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖+ADP 激酶激酶 激酶激酶20硫酯鍵化合物硫酯鍵化合物 S甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物 CH3S+-C-CO（二）高能化合物的種類（二）高能化合物的種類 高能鍵高能鍵,水解斷開，并可傳遞能量水解斷開，并可傳遞能量磷氧型磷氧型-OP磷氮型磷氮型 HN=C-NP(O)磷酸化合物磷酸化合物非磷酸化合物非磷酸化合物211,1,磷氧鍵型（磷氧鍵型（OP)OP)(1)酰基磷酸化合物1，3-二磷酸甘油酸乙酰磷酸10.1千卡/摩爾11.8千卡/摩爾22氨甲酰磷酸酰基腺苷酸氨?；佘账?3（2 2）焦磷酸化合物）焦磷酸化合物ATP（三磷酸腺苷）（三磷酸腺苷）焦磷酸焦磷酸7.3千卡/摩爾24（3 3）烯醇式磷酸化合物）烯醇式磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸14.8千卡/摩爾252,2,氮磷鍵型氮磷鍵型磷酸肌酸（磷酸肌酸（N-甲基甲基-胍基乙酸）胍基乙酸）磷酸精氨酸磷酸精氨酸10.3千卡/摩爾7.7千卡/摩爾（蝦、蟹）這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用。263,3,硫酯鍵型硫酯鍵型3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸?；o酶A274,4,甲硫鍵型甲硫鍵型S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸28（三）（三）ATP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)酸酸酐酐鍵鍵磷磷酯酯鍵鍵29導(dǎo)致共價(jià)鍵不穩(wěn)導(dǎo)致共價(jià)鍵不穩(wěn)301、酸酐鍵上的、酸酐鍵上的P爭(zhēng)奪電子，導(dǎo)致使氧橋的爭(zhēng)奪電子，導(dǎo)致使氧橋的穩(wěn)定性降低，甚至斷裂。穩(wěn)定性降低，甚至斷裂。2、pH=7時(shí)，時(shí)，ATP帶帶4個(gè)負(fù)電荷，互相排個(gè)負(fù)電荷，互相排斥。斥。3、產(chǎn)物（、產(chǎn)物（ADP和磷酸）比和磷酸）比ATP穩(wěn)定。穩(wěn)定。31高能化合物由于內(nèi)在因素高能化合物由于內(nèi)在因素本身化學(xué)不穩(wěn)定本身化學(xué)不穩(wěn)定(G高高)，水，水解產(chǎn)物穩(wěn)定解產(chǎn)物穩(wěn)定(G低低)。32（四）細(xì)胞內(nèi)影響（四）細(xì)胞內(nèi)影響ATP水解的因素水解的因素 pH（pH越越高高，放出的能量越多），放出的能量越多）33（五）（五）ATP“能量中間體能量中間體”穩(wěn)定程度不同，各種高能化合物的穩(wěn)定程度不同，各種高能化合物的 Go有高低之分有高低之分34類似的活化反應(yīng)類似的活化反應(yīng)十分普遍存在。十分普遍存在。D-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖比比D-葡萄糖葡萄糖G高，更易于分解，這步活高，更易于分解，這步活化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解化是細(xì)胞內(nèi)葡萄糖分解的第一步，也是后續(xù)葡萄糖分解的根基。的根基。激酶激酶激活底物激活底物（A）連接高能鍵的酶連接高能鍵的酶A+高能化合物高能化合物B+低能化合物低能化合物活化活化（能量增加）（能量增加）反應(yīng)反應(yīng)例例D-葡萄糖葡萄糖+ATPD-6-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖+ADP 激酶激酶 激酶激酶35 磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸磷酸肌酸 暫時(shí)儲(chǔ)能物質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)能物質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)能物質(zhì)暫時(shí)儲(chǔ)能物質(zhì)磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖6-6-磷酸磷酸磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖1-1-磷酸磷酸磷酸磷酸作用：作用：能量傳遞能量傳遞轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化傳傳遞遞傳遞傳遞36磷酸肌酸磷酸肌酸（哺乳類）（哺乳類）磷酸精氨酸磷酸精氨酸（蝦、蟹）（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 這兩種高能這兩種高能化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用化合物在生物體內(nèi)起儲(chǔ)存能量的作用H37磷酸肌酸磷酸肌酸+ADP 肌酸肌酸 +ATP G =G 1 +G2 =-43.1+30.5 =-12.6 KJ/mol在機(jī)體中，由于反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度接近平衡點(diǎn)，在機(jī)體中，由于反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度接近平衡點(diǎn)，所以，所以，當(dāng)反應(yīng)物或產(chǎn)物的量有所變化時(shí)，機(jī)所以，所以，當(dāng)反應(yīng)物或產(chǎn)物的量有所變化時(shí)，機(jī)體會(huì)很靈敏地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使反應(yīng)朝體會(huì)很靈敏地進(jìn)行調(diào)節(jié)，使反應(yīng)朝ATP生成或磷酸生成或磷酸肌酸生成的方向進(jìn)行。磷酸肌酸被稱為肌酸生成的方向進(jìn)行。磷酸肌酸被稱為ATP緩沖劑。緩沖劑。38（七）（七）ATPATP斷裂成斷裂成AMP AMP 和焦磷酸和焦磷酸焦磷酸焦磷酸7.7千卡/摩爾392 -6.9千卡千卡/摩爾摩爾7.7+6.9=14.6千卡千卡/摩爾摩爾活化底物需要更多能量時(shí)活化底物需要更多能量時(shí)40(八）八）其他三磷酸核苷的遞能作用其他三磷酸核苷的遞能作用41能量源自能量源自能源物質(zhì)（能源物質(zhì)（糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)糖、脂、偶爾是蛋白質(zhì)）的分解）的分解分分 解解 代代 謝謝氧氧 化化產(chǎn)產(chǎn) 能能產(chǎn)產(chǎn) 能能ADP機(jī)械能機(jī)械能（運(yùn)動(dòng)）（運(yùn)動(dòng)）化學(xué)能化學(xué)能（合成反應(yīng)）（合成反應(yīng)）滲透能滲透能（分泌、吸收）（分泌、吸收）電能電能（生物電）（生物電）熱能熱能（體溫維持）（體溫維持）光能光能（生物發(fā)光）（生物發(fā)光）UTP、GTP、CTP、TTP合成，供能合成，供能ATP42(九）九）能荷能荷能能 荷荷 =ATP+1/2ADPATP+1/2ADP ATP+ADPATP+ADP +AMP+AMP 分母是個(gè)定值，能荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)分母是個(gè)定值，能荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)（0.8-0.95)0.8-0.95)，受到機(jī)體的嚴(yán)格調(diào)控。，受到機(jī)體的嚴(yán)格調(diào)控。4344