第20章 生物能学优秀课件.ppt

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1、第20章 生物能学第1页，本讲稿共22页一一 有关热力学和能学的一些基本概念有关热力学和能学的一些基本概念（一（一）体系与环境：体系与环境：体系体系体系体系(system)system)：系统，研究涉及的全部物质的总称系统，研究涉及的全部物质的总称系统，研究涉及的全部物质的总称系统，研究涉及的全部物质的总称 环境环境环境环境（surroundingssurroundings）：）：）：）：外界，规定体系以外的物质外界，规定体系以外的物质外界，规定体系以外的物质外界，规定体系以外的物质 开放体系开放体系开放体系开放体系(open system)open system)：与环境有物质和能量交换。与

2、环境有物质和能量交换。与环境有物质和能量交换。与环境有物质和能量交换。如：生物体。如：生物体。如：生物体。如：生物体。封闭体系封闭体系封闭体系封闭体系(closed system)closed system)：与环境有能量但无物质交换。与环境有能量但无物质交换。与环境有能量但无物质交换。与环境有能量但无物质交换。隔离体系隔离体系隔离体系隔离体系(isolated system)isolated system)：与环境不发生任何作用。与环境不发生任何作用。与环境不发生任何作用。与环境不发生任何作用。体系体系体系体系+环境环境环境环境=“=“宇宙宇宙宇宙宇宙”（隔离体系，能量守恒）（隔离体系，能量

3、守恒）（隔离体系，能量守恒）（隔离体系，能量守恒）体系的性质（温度、压力体系的性质（温度、压力体系的性质（温度、压力体系的性质（温度、压力 、体积、组成等），状态、体积、组成等），状态、体积、组成等），状态、体积、组成等），状态 状态函数（只与始态和终态有关，与过程无关）状态函数（只与始态和终态有关，与过程无关）状态函数（只与始态和终态有关，与过程无关）状态函数（只与始态和终态有关，与过程无关）第2页，本讲稿共22页孤立系孤立系统统、封、封闭闭系系统统和开放系和开放系统统第3页，本讲稿共22页（二）能的两种形式：热与功（二）能的两种形式：热与功 热与功是体系与环境交换能量的两种形式热与功是体系

4、与环境交换能量的两种形式热与功是体系与环境交换能量的两种形式热与功是体系与环境交换能量的两种形式 热热热热（heatheat ）：）：）：）：由温差引起的能量交换形式，由温差引起的能量交换形式，由温差引起的能量交换形式，由温差引起的能量交换形式，常伴随质点的无序运动。常伴随质点的无序运动。常伴随质点的无序运动。常伴随质点的无序运动。热量热量热量热量（quantity of heatquantity of heat，QQ）功功功功（workwork，WW）：）：）：）：除了热以外，体系与环境交换能量的另一种形式。除了热以外，体系与环境交换能量的另一种形式。除了热以外，体系与环境交换能量的另一种形

5、式。除了热以外，体系与环境交换能量的另一种形式。伴随着体系质点的定向移动。例如：伴随着体系质点的定向移动。例如：伴随着体系质点的定向移动。例如：伴随着体系质点的定向移动。例如：体积功、电功等体积功、电功等体积功、电功等体积功、电功等第4页，本讲稿共22页（三）内能（三）内能、焓及热力学第一定律焓及热力学第一定律内能内能（internal energy,U，E）：体系内部质点能量的总和。是状态函数。体系内部质点能量的总和。是状态函数。内能的变化：内能的变化：U 焓焓（enthalpy，H）：）：体系内质点间的相互体系内质点间的相互 作用及质点自身的能量。状态函数。作用及质点自身的能量。状态函数。

6、H=U+PV P P：体系的压力；体系的压力；V V：体积体积焓的变化：焓的变化：H第5页，本讲稿共22页 热力学第一定律热力学第一定律（能量守恒定律）：（能量守恒定律）：U=Q WU=Q W dU=dQ dU=dQ dWdW=dQ =dQ （P dV+dWP dV+dW）（总功）（总功）（总功）（总功）（体积功）（有用功）（体积功）（有用功）（体积功）（有用功）（体积功）（有用功）若体系为等压过程，体系只做体积功：若体系为等压过程，体系只做体积功：若体系为等压过程，体系只做体积功：若体系为等压过程，体系只做体积功：dW=0 dW=0，dU=dQ-dW=dQ-PdV dU=dQ-dW=dQ-P

7、dV 反应体系体积变化很小时：反应体系体积变化很小时：反应体系体积变化很小时：反应体系体积变化很小时：dV dV 0 0，dU=dQdU=dQ dH=ddH=d（U+PVU+PV）=dU=dU+PdV+VdP PdV+VdP 恒压条件下（恒压条件下（恒压条件下（恒压条件下（dPdP=0 =0）则：则：则：则：d Hd H=dU=dU+PdV=PdV=（dQ PdVdQ PdV）+PdV=PdV=dQdQ 因此：因此：因此：因此：H=H=U=U=QQ体系对环体系对环境所做功境所做功第6页，本讲稿共22页（四）化学能的转化（四）化学能的转化 燃烧热燃烧热燃烧热燃烧热：将：将：将：将1 1molmo

8、l有机物质完全氧化所释放出有机物质完全氧化所释放出有机物质完全氧化所释放出有机物质完全氧化所释放出 的最大能量。的最大能量。的最大能量。的最大能量。放出的能量放出的能量放出的能量放出的能量=反应物化学键能反应物化学键能反应物化学键能反应物化学键能-氧化产物化学键氧化产物化学键氧化产物化学键氧化产物化学键 生物体内的氧化（生物氧化）逐步进行，氧化生物体内的氧化（生物氧化）逐步进行，氧化生物体内的氧化（生物氧化）逐步进行，氧化生物体内的氧化（生物氧化）逐步进行，氧化 途径不同，但产物都是途径不同，但产物都是途径不同，但产物都是途径不同，但产物都是COCO2 2和和和和HH2 2OO。便于能量利便于

9、能量利便于能量利便于能量利 用、储存。用、储存。用、储存。用、储存。化学反应释放出的能量的多少与氧化途径无关。化学反应释放出的能量的多少与氧化途径无关。化学反应释放出的能量的多少与氧化途径无关。化学反应释放出的能量的多少与氧化途径无关。第7页，本讲稿共22页（五）（五）热力学第二定律和熵的概念热力学第二定律和熵的概念 Q 热力学第二定律：热力学第二定律：热力学第二定律：热力学第二定律：S S S S S S：体系的熵变：体系的熵变：体系的熵变：体系的熵变 ；T T T：体系的绝对温度体系的绝对温度体系的绝对温度体系的绝对温度 熵熵熵熵（entropyentropy，S S）：）：）：）：体系质

10、点散乱无序的程度。体系质点散乱无序的程度。体系质点散乱无序的程度。体系质点散乱无序的程度。物质的熵变是可求的。并且：物质的熵变是可求的。并且：物质的熵变是可求的。并且：物质的熵变是可求的。并且：S S=Q T 孤立体系（绝热）孤立体系（绝热）孤立体系（绝热）孤立体系（绝热）：S S 0 0：可发生，绝热不可逆可发生，绝热不可逆可发生，绝热不可逆可发生，绝热不可逆 S S=0=0：可发生，绝热可逆可发生，绝热可逆可发生，绝热可逆可发生，绝热可逆 S S 0 0：不能发生不能发生不能发生不能发生 封闭体系：封闭体系：封闭体系：封闭体系：S S体系体系体系体系+S S环境环境环境环境 0 0：可发生

11、可发生可发生可发生第8页，本讲稿共22页（六）（六）自由能的概念：自由能的概念：自由能自由能自由能自由能（free energyfree energy，GG）：）：）：）：恒温度、恒压下能够用恒温度、恒压下能够用恒温度、恒压下能够用恒温度、恒压下能够用 于做功的能量。于做功的能量。于做功的能量。于做功的能量。G=H TG=H T S S。恒温、恒压恒温、恒压恒温、恒压恒温、恒压 时自由能的变化：时自由能的变化：时自由能的变化：时自由能的变化：反应：反应：反应：反应：A+B=C+D+A+B=C+D+能量能量能量能量 G=GG=G 2 2-G-G 1 1=（H H 2 2-H-H1 1）T T（S

12、 S2 2 S S1 1）=H-T H-T S S =Q Q-T-T S S S S QQ/T,T,GG 0 0 自由能变化是判定化学反应过程能否自发进行的依据：自由能变化是判定化学反应过程能否自发进行的依据：自由能变化是判定化学反应过程能否自发进行的依据：自由能变化是判定化学反应过程能否自发进行的依据：自发过程：自发过程：自发过程：自发过程：G G 0 0（G G 2 2 0 0；热力学第二定律只能指示反应的方向和限度，不预示反应的速度。热力学第二定律只能指示反应的方向和限度，不预示反应的速度。热力学第二定律只能指示反应的方向和限度，不预示反应的速度。热力学第二定律只能指示反应的方向和限度，

13、不预示反应的速度。G G 与速度无关。与速度无关。与速度无关。与速度无关。第9页，本讲稿共22页二二 化学反应中自由能的变化和意义化学反应中自由能的变化和意义（一（一）化学反应的自由能的变化及其与平衡化学反应的自由能的变化及其与平衡 常数的关系：常数的关系：反应：反应：反应：反应：a A+b B=c C+d Da A+b B=c C+d D恒温恒压时：恒温恒压时：恒温恒压时：恒温恒压时：G GG G0 0 0 0：标准自由能变化（标准自由能变化（标准自由能变化（标准自由能变化（25 25 25 25 C C、1 atm1 atm、参加反应的物质浓度参加反应的物质浓度参加反应的物质浓度参加反应的

14、物质浓度 都是都是都是都是1 1 1 1mol/Lmol/Lmol/Lmol/L时的自由能变化时的自由能变化时的自由能变化时的自由能变化）R R R R：气体常数气体常数气体常数气体常数（1.98 cal/mol1.98 cal/mol K K K K或或或或 8 8 8 8.31 J/mol.31 J/mol K K K K ）T T T T：绝对温度（绝对温度（绝对温度（绝对温度（K K K K）GG值（而不是值（而不是值（而不是值（而不是 G GG G0 0 0 0）是判定反应能否自发进行的依据。）是判定反应能否自发进行的依据。）是判定反应能否自发进行的依据。）是判定反应能否自发进行的依

15、据。第10页，本讲稿共22页 化学反应达到平衡时：化学反应达到平衡时：化学反应达到平衡时：化学反应达到平衡时：G=0G=0 GG0 0 0 0=-RT ln Keq =-RT ln Keq =-=-2.303 2.303RT lg Keq RT lg Keq Keq:Keq:测定条件下的平衡常数测定条件下的平衡常数测定条件下的平衡常数测定条件下的平衡常数。Keq=CCC C D Dd d AAa a B Bb b第11页，本讲稿共22页（二）标准生成自由能（二）标准生成自由能 定义：指处于标准状态的最稳定单质合成标准定义：指处于标准状态的最稳定单质合成标准定义：指处于标准状态的最稳定单质合成标

16、准定义：指处于标准状态的最稳定单质合成标准 当量化合物时，其标准自由能的变化。当量化合物时，其标准自由能的变化。当量化合物时，其标准自由能的变化。当量化合物时，其标准自由能的变化。用用用用 GG0 0f f 表示。表示。表示。表示。f f：formationformation 一般规定：在一个大气压下，一定温度时，最稳定一般规定：在一个大气压下，一定温度时，最稳定一般规定：在一个大气压下，一定温度时，最稳定一般规定：在一个大气压下，一定温度时，最稳定单质的标准自由能为零。单质的标准自由能为零。单质的标准自由能为零。单质的标准自由能为零。在标准状态，由最稳定单质生成一摩尔纯化合在标准状态，由最稳

17、定单质生成一摩尔纯化合在标准状态，由最稳定单质生成一摩尔纯化合在标准状态，由最稳定单质生成一摩尔纯化合物的物的物的物的 GG0 0，就是该化合物的标准生成自由能就是该化合物的标准生成自由能就是该化合物的标准生成自由能就是该化合物的标准生成自由能 偶联的反应中，反应总的标准自由能变化等于各步偶联的反应中，反应总的标准自由能变化等于各步偶联的反应中，反应总的标准自由能变化等于各步偶联的反应中，反应总的标准自由能变化等于各步反应自由能变化的总和。反应自由能变化的总和。反应自由能变化的总和。反应自由能变化的总和。第12页，本讲稿共22页例如：草酰乙酸脱羧生成丙酮酸：例如：草酰乙酸脱羧生成丙酮酸：例如：

18、草酰乙酸脱羧生成丙酮酸：例如：草酰乙酸脱羧生成丙酮酸：(1)(1)草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸草酰乙酸+HH+（1010-7-7mol/Lmol/L）CO CO2 2+丙酮酸丙酮酸丙酮酸丙酮酸 G0(1)=G0 f 产物产物产物产物-G0 f 底物底物底物底物 =-113.44+(-94.45)-(-190.53)+(-9.55)-113.44+(-94.45)-(-190.53)+(-9.55)=-7.81 =-7.81kcal/mol=kcal/mol=-32.68-32.68 kJ/molkJ/mol(2)CO(2)CO2 2+H+H2 2O O HCO HCO3-3-+HH+G0(2)=G

19、0 f 产物产物产物产物-G0 f 底物底物底物底物 =1.26 =1.26kcal/mol=kcal/mol=5.27 5.27 kJ/molkJ/mol 总反应总反应总反应总反应 ：G0=G0(1)+G0(2)=-27.41-27.41 kJ/molkJ/mol 第13页，本讲稿共22页（三）能量学在生物化学应用中的一些规定（三）能量学在生物化学应用中的一些规定1 水的浓度（近似于活度）规定为水的浓度（近似于活度）规定为1.02 pH=0.0（即即H+=1M）,标准自由能变化为标准自由能变化为 G0 标准状况标准状况pH=7.0，此时标准自由能变化为此时标准自由能变化为 G0 3 pH 7

20、.0,就不能用就不能用 G0值值4 建议用焦耳建议用焦耳(Joules)或或kJmol-1表示标准自由能变化。表示标准自由能变化。1卡卡=4.184J 。第14页，本讲稿共22页三三 生物体内的高能化合物生物体内的高能化合物（一（一）高能化合物及其类型高能化合物及其类型高能键（高能键（high energy bond）：）：水解放能水解放能 5千卡的化学键千卡的化学键高能化合物：含有高能键的化合物。高能化合物：含有高能键的化合物。1.1.磷氧键型（磷氧键型（磷氧键型（磷氧键型（-O O P-P-）(1)(1)酰基磷酸化合物（酰基磷酸化合物（酰基磷酸化合物（酰基磷酸化合物（acyl-phosph

21、ate）：）：例如：例如：1,3-2P-甘油酸甘油酸（1,3-bisphosphoglycerate,1,3-BPG）：）：第15页，本讲稿共22页 (2)焦磷酸化合物焦磷酸化合物:例如例如:焦磷酸焦磷酸(Pyrophosphate，PPi):(3)磷酸烯醇式化合物磷酸烯醇式化合物:例如例如:磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate,PEP):2 氮磷键型氮磷键型胍基磷酸化合物胍基磷酸化合物 例如例如:磷酸肌酸磷酸肌酸(phosphocreatine):磷酸精氨酸磷酸精氨酸 CH3 NH2+O -OOC-CH2 N-C-HN P O-O-两种高能化合物在生物体

22、内两种高能化合物在生物体内起起储存能量储存能量的作用的作用第16页，本讲稿共22页3.3.硫酯键型硫酯键型硫酯键型硫酯键型活性硫酸基活性硫酸基活性硫酸基活性硫酸基 例如例如:乙酰辅酶乙酰辅酶A(acetyl coenzyme，CoA):O CH3 C S CoA 4.甲硫键型甲硫键型甲硫键型甲硫键型活性甲硫氨酸活性甲硫氨酸活性甲硫氨酸活性甲硫氨酸 例如例如例如例如:S S 腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 (S-denosylmethionine):S-denosylmethionine):NH3+腺苷腺苷 -OOC-CH (CH2)2-S+CH3第17页，本讲稿共22页（二）

23、（二）ATP在能量代谢中的特殊作用在能量代谢中的特殊作用高能磷酸化合物高能磷酸化合物1.ATP的结构及特殊地位的结构及特殊地位:第18页，本讲稿共22页 ATP 水水 解解 ADP+Pi：G0=-7.3 kcal/mol=-30.5 kJ/mol ATP 水水 解解 AMP+PPi：G0=-7.7 kcal/mol=-32.19 kJ/mol PPi+H2O 水水 解解 2 Pi G0=-4.6 kcal/mol=-19.3 kJ/mol水解时自由能的变化居于中游：水解时自由能的变化居于中游：共同中间体共同中间体(common intermediate)ATP水解反应可推动多种代谢反应的进行水

24、解反应可推动多种代谢反应的进行ATP水解为水解为AMP和焦磷酸具有特殊意义和焦磷酸具有特殊意义第19页，本讲稿共22页2.细胞内影响细胞内影响ATP自由能释放的因素自由能释放的因素（1）H+、Mg 2-、ATP、ADP等都影响等都影响 G值；值；（2）ATP结构特性的影响结构特性的影响:4个负电荷相互很近，互相排斥个负电荷相互很近，互相排斥酸酐键自身特点，溶剂化所需酸酐键自身特点，溶剂化所需 能量少于磷酯键能量少于磷酯键 pH=7时细胞时细胞 H+=10-7mol 适合适合ATP水解：水解：ATP4-+H2O ADP3-+HPO42-+H+，pH=7，平衡，平衡向向ATP分解方向进行分解方向进

25、行 产物产物ADP 3-和和HPO4 2-具有更小的能量具有更小的能量 第20页，本讲稿共22页 3.ATP与细胞能量状态：与细胞能量状态：能荷能荷（energy charge）：）：用用ATP、ADP和和AMP之间之间的关系表示细胞的能量状态。的关系表示细胞的能量状态。ATP+ADP 能荷能荷=ATP+ADP+AMP磷酸化势能（磷酸化势能（phosphorylation potential）：）：ATP 磷酸化势能磷酸化势能=ADP Pi(三）三）GTP（蛋白质代谢）、蛋白质代谢）、UTP（糖合成代谢糖合成代谢 CTP（脂类代谢）等（脂类代谢）等第21页，本讲稿共22页（三）生物体内的储能物质（三）生物体内的储能物质 储能物质：储能物质：“磷酸原磷酸原”（phosphagen）：）：脊椎动物脊椎动物贮能物质贮能物质：磷酸肌酸磷酸肌酸（creatine phosphate）CH3 NH2+O 肌酸激酶肌酸激酶 CH3NH2+-OOC-CH2 N-C-HN PO-OOC-CH2 N-C-NH2 O-ADP ATP （磷酸肌酸）（磷酸肌酸）（肌酸）（肌酸）无脊椎动物无脊椎动物：磷酸精氨酸磷酸精氨酸（arginine phosphate）少数是少数是多聚偏磷酸多聚偏磷酸。第22页，本讲稿共22页