第二十章生物能学

第二十章生物能学

一、有关热力学的一些基本概念

（一）、体系 宇宙太阳系地球每个生物或非生物化学反应体系

能量的传递形式 （二）、能的两种形式？热内能的传递方式？功动能、势能转化和传递的方式包括机械功、电功、化学功等

体系总能量 = 可做功的能+ 不能做功的能 （H）（自由能G）（热能）

当体系的状态发生变化后 总能量不变变化的是G（ △G）热力学第一定律 (能量转化与守恒定律) 变化朝自由能降低的方向进行（—△G）热力学第二定律 (能量传递的方向性定律)

二、化学反应体系中的自由能 （一）根据自由能变化可以判断中间物质代谢方向

当反应体系恒温、恒压下发生变化时 状态 B 状态 A GB GA △G = GB — GA

① △G＜0时，W＞0，体系对外作功，该反应可自发进行，放能反应 • ② △G = 0时，W =0，该反应处于平衡 • ③ △G＞0时，W＜0，该反应不可自发进行，必须吸收外来能量才能进行（吸能反应），同时，该反应的逆过程可以自发进行。

任何状态下 △G= △GO + RTlnK △GO—这一反应在标准状态（pH=0, 25℃ 1atm）的自由能变化（标准自由能）（可查表或计算，参见《物理化学》），与反应的平衡常数有关。 K=[B]/[A] 或[B1][B2]…[Bn]/ [A1][A2]…[An] R：气体常数（1.98x10-3 kcal/mol k ）（ 8.31x10 -3 kJ/mol k） T：绝对温度（k)

生物代谢略有不同， △GO改为△GO`（pH=7) • △G= △GO｀+ RTlnK △G＜0,可；=0,平衡；＞0,否

例：当磷酸二羟丙酮与 3-磷酸-甘 油醛平衡时，浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25℃ 1atm

该反应平衡点时： [甘油醛-3-磷酸] K= = 4.75x10-2 [磷酸二羟丙酮]

判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L，3-磷酸-甘油醛为 2 x 10-4 mol/L 时，反应怎样进行？

△G= △GO｀+ RTlnK 平衡时， △G= 0 K = Keq △GO｀= - RTlnKeq = - 2.303RTlgKeq

△GO｀= - RTlnKeq = - 2.303 x1.98x10-3 x298 x log (0.0475) = 1.81kcal/mol

△G= △GO｀ + RTln[产物]/[反应物] = 1.81kcal/mol +2.303 x1.98x10-3 x298 x log [3 x 10-6 mol/L (甘） / 2 x 10-4 mol/L （丙）] =-0.067 kcal/mol

（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性 热力学上不利的反应可以由热力学上有利的反应所驱动 A→B△GO＞0 （不能自发进行） • C→D △GO＜0 （能自发进行） A+C→B+D △GO＜0 （能自发进行）

三、高能化合物 • 定义：一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上自由能（G’< -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。（一）功能有着十分重要的生物意义 • 高能化合物（水解）→低能化合物 △GO＜0 （能自发进行） • ———————————————————————————————— A→B△GO＞0 （不能自发进行） A+高能化合物→B+低能化合物△GO＜0 （能自发进行）两反应如何可以结合在一起呢？高能基团的传递

活化（能量增加）反应 A+高能化合物 B+低能化合物激酶 D-葡萄糖+ATP D-6-磷酸葡萄糖+ADP 激酶 • D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。激酶——激活底物（A）连接高能键的酶例 • 类似的活化反应十分普遍存在。

磷氧型 -O~P 磷酸化合物磷氮型 HN =C-N~P(O) 硫酯键化合物 ~S 甲硫键化合物CH3~S+- C-C O 非磷酸化合物 ~ 高能键,水解断开，并可传递能量（二）高能化合物的种类

1,磷氧键型（—O~P) (1)酰基磷酸化合物乙酰磷酸 1，3-二磷酸甘油酸 11.8千卡/摩尔 10.1千卡/摩尔

酰基腺苷酸 氨甲酰磷酸氨酰基腺苷酸

（2）焦磷酸化合物 焦磷酸 ATP（三磷酸腺苷） 7.3千卡/摩尔

（3）烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔

2, 氮磷键型 磷酸精氨酸磷酸肌酸（N-甲基-胍基乙酸） 10.3千卡/摩尔 7.7千卡/摩尔（虾、蟹）这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。

3,硫酯键型 酰基辅酶A 3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸

4, 甲硫键型 S-腺苷甲硫氨酸

（三）ATP的结构特点 酸酐键磷酯键

导致共价键不稳

1、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。1、酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的稳定性降低，甚至断裂。 2、pH=7时，ATP带4个负电荷，互相排斥。 3、产物（ADP和磷酸）比ATP稳定。

高能化合物由于内在因素本身化学不稳定(G高)，水解产物稳定(G低)。高能化合物由于内在因素本身化学不稳定(G高)，水解产物稳定(G低)。

（四）细胞内影响ATP水解的因素 pH（ pH越高，放出的能量越多）

（五）ATP “能量中间体” • 稳定程度不同，各种高能化合物的△Go`有高低之分

活化（能量增加）反应 A+高能化合物 B+低能化合物激酶 D-葡萄糖+ATP D-6-磷酸葡萄糖+ADP 激酶 • D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高，更易于分解，这步活化是细胞内葡萄糖分解的第一步，也是后续葡萄糖分解的根基。激酶——激活底物（A）连接高能键的酶例 • 类似的活化反应十分普遍存在。

磷酸烯醇式丙酮酸 磷酸肌酸暂时储能物质葡萄糖6-磷酸葡萄糖1-磷酸作用：能量传递转化传递传递

（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用 H 磷酸精氨酸（虾、蟹）磷酸肌酸（哺乳类）

磷酸肌酸 + ADP 肌酸 + ATP △G = △G 1 + △G2 = -43.1 +30.5 = -12.6 KJ/ mol 在机体中，由于反应物和产物的浓度接近平衡点，所以，所以，当反应物或产物的量有所变化时，机体会很灵敏地进行调节，使反应朝ATP生成或磷酸肌酸生成的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。

（七）ATP断裂成AMP 和焦磷酸 焦磷酸 7.7千卡/摩尔

2 - 6.9千卡/摩尔 7.7 + 6.9 = 14.6千卡/摩尔活化底物需要更多能量时

(八）其他三磷酸核苷的递能作用

机械能（运动） 化学能（合成反应）渗透能（分泌、吸收）电能（生物电）热能（体温维持）光能（生物发光） ATP ADP 分解代谢氧化产能 UTP、GTP、CTP、TTP 合成，供能能量源自能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解

(九）能荷 [ATP]+1/2[ADP] 能荷 = [ATP]+[ADP]+[AMP] 分母是个定值，能荷在一定范围内波动（0.8-0.95)，受到机体的严格调控。

第二十章 生物能学