生物化學(xué)：第20章 生物能學(xué)

第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué)一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 體系、環(huán)境、狀態(tài)體系、環(huán)境、狀態(tài) 能的兩種形式能的兩種形式 熱與功熱與功 熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能熱力學(xué)第一定律和內(nèi)能(internal energy)、焓焓(enthalpy) 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵(entropy) 自由能自由能(free energy)第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律熱力學(xué)第一定律：能量守恒定律熱力學(xué)第二定律：熵定律熱力學(xué)第二定律：熵定律自由能：自由能：G = H - TSG: 自由能變化自由能變化 H：總熱能變化：總熱能變化 S：總體熵的改變：總體熵的改變 G0時，體系的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行時，體系的反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行(為放能反應(yīng)為放能反應(yīng))；G0時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)給體系補(bǔ)充自由能時，才時，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)給體系補(bǔ)充自由能時，才能推動反應(yīng)進(jìn)行能推動反應(yīng)進(jìn)行(為吸能反應(yīng)為吸能反應(yīng))；G = 0時，表明體系已處于平衡狀態(tài)。時，表明體系已處于平衡狀態(tài)。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 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1. 有關(guān)定律有關(guān)定律2. 自由能（自由能（free energy）物理意義：物理意義：* (體系中能對環(huán)境作功的能量體系中能對環(huán)境作功的能量) 自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即：自由能的變化能預(yù)示某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，即： G 0，反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行 G = 0，反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物自由能的概念對于研究生物化學(xué)過程的力能學(xué)具有很重要的意義，生物體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量體用于作功的能量正是體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)釋放的自由能，生物氧化釋放的能量也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否也正是為有機(jī)體利用的自由能。它不僅可以用來判斷機(jī)體內(nèi)某一過程能否自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。自發(fā)進(jìn)行，而且還可以利用自由能這個函數(shù)來計(jì)算反應(yīng)的其它有用參數(shù)。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 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1、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式、化學(xué)反應(yīng)的自由能變化的基本公式 G = H - TS2、化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)自由能變化與平衡常數(shù)和電勢的關(guān)系3、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)、偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性變化的可加性4、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定、能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和平衡常數(shù)的關(guān)系 假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：假設(shè)有一個化學(xué)反應(yīng)式：aA + bB = cC + dD 恒溫恒壓下：恒溫恒壓下：G=G+ RTlnQc 式中：式中：G= - RTlnKeqbadCCBADCQ G 某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的某一化學(xué)反應(yīng)隨參加化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)的濃度、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的pH和溫度而改變的自由能變化。和溫度而改變的自由能變化。 Qc - 濃度商：濃度商：badCBADCKeq G 標(biāo)準(zhǔn)條件（標(biāo)準(zhǔn)條件（T=298OK,大氣壓為大氣壓為1atm,反應(yīng)物和生成物濃度為反應(yīng)物和生成物濃度為1mol/L,pH=7.0）下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。下，化學(xué)反應(yīng)自由能的變化。 Keq - 平衡常數(shù)：平衡常數(shù)：第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化化學(xué)反應(yīng)自由能的變化和氧化-還原電勢的關(guān)系還原電勢的關(guān)系 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： G=nFE 任何一個氧化任何一個氧化-還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個還原反應(yīng)，在理論上都可以構(gòu)建成一個原電池原電池。氧化。氧化-還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化還原物質(zhì)連在一起，都可以有氧化-還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有還原電勢產(chǎn)生，任何氧還電對都有其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原其特定的標(biāo)準(zhǔn)電勢原(E0)，電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下式計(jì)算：電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢可用下式計(jì)算： 0（ E0 ） = E0正極正極-E0負(fù)極負(fù)極 生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)在進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)時，基本原理和原電池還原反應(yīng)時，基本原理和原電池一樣。一樣。 氧化氧化-還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下：還原反應(yīng)自由能的變化與標(biāo)準(zhǔn)電勢的關(guān)系如下： 0（ E0 ） = (RT/nF)lnKeq = 2.3 (RT/nF)lgKeq 第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義 原電池示意圖原電池示意圖E0 = E0正極正極-E0負(fù)極負(fù)極= + 0.34 V - (-0.76 V) = + 1.10 V 負(fù)極反應(yīng)負(fù)極反應(yīng): Zn = Zn2+ + 2e E0 Zn 2+ / Zn = - 0.76 V正極反應(yīng)正極反應(yīng): Cu = Cu2+ + 2e E0 Cu 2+ / Cu = + 0.34 V 檢流計(jì)檢流計(jì)鹽橋鹽橋ZnSO4CuSO4e+-第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化計(jì)算磷酸葡萄糖異構(gòu)酶反應(yīng)的自由能變化 例：反應(yīng)G-1-PG-6-P在38達(dá)到平衡時， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求 G0。如果反應(yīng)未達(dá)到平衡，設(shè)G-1- P=0.01 mol/L， G-6-P=0.001 mol/L，求反應(yīng)的 G是多少？第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義G=G+ RTlnQc (Qc-濃度商) =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6KJ.MOL-1未達(dá)平衡時 =Qc=0.1 達(dá)平衡時 =Keq=19 解：G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6KJ.mol-1NADH + H+ + 1/2O2 NAD+ + H2O正極反應(yīng)：正極反應(yīng)：1/2O2 + 2H+ + 2e H2O E+ 0.82負(fù)極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：NAD+ + H+ + 2e NADH E- - 0.3 G - nFE - 2 96485 0.82 - (-0.32) -2 20 KJmol-1 例題：計(jì)算下反應(yīng)式例題：計(jì)算下反應(yīng)式G第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)G變化的可加性變化的可加性 在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以在偶聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中，各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可以相加的：例：相加的：例： A = B+C G= + 20.92 KJ/mol B = D G= - 33.47 KJ/mol 則則 A = C + D G= - 12.55 KJ/mol 該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)該規(guī)則表明一個在熱力學(xué)上不利的反應(yīng)，可以與熱力學(xué)有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動而有利的反應(yīng)偶聯(lián)進(jìn)行，即可以被熱力學(xué)有利的反應(yīng)所驅(qū)動而進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。進(jìn)行。這在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定生物能量學(xué)（生物能量學(xué)（bioenergetics）：）：定量研究發(fā)生在活細(xì)胞中的能量轉(zhuǎn)換記者謝定量研究發(fā)生在活細(xì)胞中的能量轉(zhuǎn)換記者謝轉(zhuǎn)換背后化學(xué)過程的特性和功能的科學(xué)。轉(zhuǎn)換背后化學(xué)過程的特性和功能的科學(xué)。1. 在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度（近似在稀的水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時，水的濃度（近似的即活度）為的即活度）為1.0。2. 生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為規(guī)定為7.0。3. G是是 pH為為7.0時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的標(biāo)準(zhǔn)自由能。時的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4. 根據(jù)國際單位制根據(jù)國際單位制(Le Systeme international Unut ，簡稱，簡稱SI單位單位)，熱和能，熱和能量的單位用焦耳量的單位用焦耳/摩爾摩爾(Joules/mol)。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義生物系統(tǒng)中的能流生物系統(tǒng)中的能流第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義二、化學(xué)反應(yīng)中自由能的變化和意義 生化反應(yīng)中，在水解時或基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)中可釋放出大量自由能（ 25 kJ/ mol）的化合物稱為高能化合物。高能鍵用 表示。1、高能化合物的類型、高能化合物的類型 2、ATP的特點(diǎn)及其特殊作用的特點(diǎn)及其特殊作用第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 指機(jī)體內(nèi)磷酸化合物的磷?；鈺r，釋放出大量自由能的這類化合物叫高能磷酸化合物高能磷酸化合物 。一般水解時釋放出25 kJ/mol以上自由能的鍵視為高能鍵，高能鍵用 表示。烯醇式磷酸化合物烯醇式磷酸化合物?；姿峄衔秕；姿峄衔锝沽姿峄衔锝沽姿峄衔镫一姿峄衔镫一姿峄衔锪蝓ユI化合物硫酯鍵化合物甲硫鍵化合物甲硫鍵化合物第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 高能化合物的類型高能化合物的類型 * UTP參與多糖合成參與多糖合成* CTP參與脂類合成參與脂類合成* GTP參與蛋白質(zhì)合成參與蛋白質(zhì)合成其它高能磷酸化合物其它高能磷酸化合物第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、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過磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移作為儲能物質(zhì)，稱為磷酸原（phosphagen）。 磷酸肌酸（phosphocreatine）是易興奮組織如肌肉、腦、神經(jīng)等惟一能起暫時儲能作用的物質(zhì)。肌肉中的含量比ATP高4倍，大腦中是1.5倍，可貯存供短期活動用的、足夠的磷酸基團(tuán)?；顒雍蟮幕謴?fù)期，積累的肌酸又可被ATP磷酸化，重新生成磷酸肌酸。 磷酸精氨酸（arginine phosphate,PA）是無脊椎動物肌肉中的儲能物質(zhì)，與磷酸肌酸類似。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 ATP的結(jié)構(gòu)特性的結(jié)構(gòu)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、一分子核糖和三個相連的磷酸基團(tuán)構(gòu)成的核苷酸。第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 在pH=7環(huán)境中，ATP分子中的三個磷酸基團(tuán)完全解離成帶4個負(fù)電荷的離子形式（ATP4-），具有較大勢能，加之水解產(chǎn)物穩(wěn)定，因而水解自由能很大（G= 30.5千焦/摩爾）。ATP的特點(diǎn)的特點(diǎn) ATP4- + H2O ADP3- + Pi2- + H+ G -30.5 kJ/mol 腺嘌呤腺嘌呤核糖核糖 O P O P O P O-OOOO-O-O- + + +Mg2+第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中地位和作用 ATP是細(xì)胞內(nèi)的“能量通貨”，壽命：46秒 ATP是細(xì)胞內(nèi)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的中間載體PPPPATPP02108641214磷磷酸酸基基團(tuán)團(tuán)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移能能磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸3-磷酸甘磷酸甘油酸磷酸油酸磷酸磷酸肌酸磷酸肌酸（磷酸基團(tuán)儲備物）（磷酸基團(tuán)儲備物）6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖3-磷酸甘油磷酸甘油ATP能為在中間能為在中間第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 * 生物合成做化學(xué)功時所需能量；生物合成做化學(xué)功時所需能量；* 機(jī)體活動以及肌肉收縮的能量來源；機(jī)體活動以及肌肉收縮的能量來源；* 供給營養(yǎng)物逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體細(xì)胞內(nèi)所需的自由能；供給營養(yǎng)物逆濃度梯度跨膜運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體細(xì)胞內(nèi)所需的自由能；* DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物合成中，保證基因信息的正確傳遞，和蛋白質(zhì)等生物合成中，保證基因信息的正確傳遞，也起遞能作用。也起遞能作用。ATP 形式貯存的自由能可提供形式貯存的自由能可提供 第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 螢火蟲的發(fā)光機(jī)制螢火蟲的發(fā)光機(jī)制William McElroy和約翰-霍普金斯大學(xué)的同事分離出熒光素（復(fù)雜的羧酸）和熒光素酶螢火蟲熒光素螢火蟲熒光素 熒光素酰腺苷酸熒光素酰腺苷酸再生反應(yīng)再生反應(yīng)第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué) 三、高能磷酸化合物三、高能磷酸化合物 思考題 第第20章章 生物能學(xué)生物能學(xué)