1、Chapter 20 Bioenergetics 生物能學(xué)1. 1. 生物能學(xué)和熱力學(xué)生物能學(xué)和熱力學(xué) 2. 2. 化學(xué)反應(yīng)和自由能化學(xué)反應(yīng)和自由能3. 3. 高能化合物高能化合物1. Bioenergetics and Thermodynamics （生物能學(xué)和熱力學(xué)）（生物能學(xué)和熱力學(xué)）1.1 體系和環(huán)境體系和環(huán)境1.2 能的兩種形式能的兩種形式1.3 內(nèi)能與焓內(nèi)能與焓1.4 熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律1.5 化學(xué)能的轉(zhuǎn)化化學(xué)能的轉(zhuǎn)化1.6 熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵1.7 自由能的概念自由能的概念! 內(nèi)能、焓、熵以及自由能的概念內(nèi)能、焓、熵以及自由能的概念 1.1 Syste

2、m and surroundings （體系和環(huán)境）（體系和環(huán)境）System （體系、系統(tǒng)）（體系、系統(tǒng)）Surroundings環(huán)境、外界）環(huán)境、外界）open system(開(kāi)放體系開(kāi)放體系), closed systems(封閉封閉體系體系) , isolated systems (隔離體系隔離體系) Parameters of a system(體系的狀態(tài)參數(shù)體系的狀態(tài)參數(shù))SystemSurroundingsSystem+ Surroundings = UniverseParameters of a system：壓力、體積、溫度、組成、比熱壓力、體積、溫度、組成、比熱energy

3、energymattermatter熱：溫差、質(zhì)點(diǎn)無(wú)序運(yùn)動(dòng)熱：溫差、質(zhì)點(diǎn)無(wú)序運(yùn)動(dòng)功：定向、有序的運(yùn)動(dòng)功：定向、有序的運(yùn)動(dòng)1.2 Two forms of energy (能的兩種形式能的兩種形式)一個(gè)體系在狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)與環(huán)境交換能量的兩種形式：1.3 Internal energy and Enthalpy (內(nèi)能與焓內(nèi)能與焓)Internal energy(內(nèi)能，內(nèi)能，U或或E, J/mol)：體系內(nèi)：體系內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的能量。質(zhì)點(diǎn)的能量。 Enthalpy(焓焓, H, J/mol)：焓包含體系內(nèi)質(zhì)點(diǎn)自：焓包含體系內(nèi)質(zhì)點(diǎn)自身的能量以及質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用。身的能量以及質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用。H = U

4、 + PV The first law of thermodynamics is the principle of the conservation of energy: The total amount of energy in the universe remains constant, although the form of the energy may change. U = Q - W1.4 The first law of thermodynamics (熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律) Biological system is an open system (生物體系生物體系是一

5、個(gè)開(kāi)放體系是一個(gè)開(kāi)放體系)Biochemical processes are almost in condition of constant pressure and volume (生物化學(xué)過(guò)程生物化學(xué)過(guò)程近似恒壓、恒容過(guò)程近似恒壓、恒容過(guò)程)由于由于 H = U + PV因此，生物化學(xué)中因此，生物化學(xué)中“能量變化能量變化” H U1.5 Transform of chemical energy (化學(xué)能的轉(zhuǎn)化)化學(xué)能和其它能量形式的轉(zhuǎn)化。高能化合物 低能化合物+自由能+熱物質(zhì)氧化的不同途徑： 體外燃燒 生物氧化Antoine Lavoisier, before he lost his he

6、ad in the French Revolution, observed that “. . . in general, respiration is nothing but a slow combustion of carbon and hydrogen, which is entirely similar to that which occurs in a lighted lamp or candle.”System tend to proceed from ordered states to disordered states.2.The entropy of the system p

7、lus surroundings is unchanged by reversible processes;the entropy of the system plus surroundings increases for irreversible processes.3.All naturally occurring processes proceed toward equilibrium, that is to a state of minimum potential energy 1.6 The second law and Entropy(熱力學(xué)第二定律和熵?zé)崃W(xué)第二定律和熵) Ent

8、ropy, (熵熵, S, J/molK ) is a quantitative expression for the randomness or disorder in a system. The entropy of the universe increases during all chemical and physical processes. Living organisms preserve their internal order by taking from the surroundings free energy in the form of nutrients or sun

9、light, and returning to their surroundings an equal amount of energy as heat and entropy. Living organisms are open system and in order. ? 熵熵S）:代表體系能量分散程度的狀態(tài)代表體系能量分散程度的狀態(tài)函數(shù)，也就是代表體系質(zhì)點(diǎn)散亂無(wú)序的程度。函數(shù)，也就是代表體系質(zhì)點(diǎn)散亂無(wú)序的程度。 S = Q/T 0 由于熵不易測(cè)量，用它判定生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)由于熵不易測(cè)量，用它判定生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程能否自發(fā)進(jìn)行較為困難。程能否自發(fā)進(jìn)行較為困難。 用自由能作為衡量標(biāo)準(zhǔn)可排除此困難

10、。用自由能作為衡量標(biāo)準(zhǔn)可排除此困難。1.7 Free energy自由能）自由能）Free energy (G) expresses the amount of energy capable of doing work during a reaction at constant temperature and pressure(自由能自由能: 可以在恒溫恒壓下做功的能量可以在恒溫恒壓下做功的能量.)熱能熱能: 做功只能引起溫度或壓力變化；做功只能引起溫度或壓力變化；Gibbs提出的自由能公式：提出的自由能公式：G = H TS恒溫恒壓：恒溫恒壓： -G =W(最大有用功最大有用功)2. Fre

11、e-Energy Change in Chemical Reaction (化學(xué)反應(yīng)中的自由能變化)2.1 自由能變化公式自由能變化公式2.2 G與與Keq2.3 G0與與G02.4 G的可加性的可加性2.5 化學(xué)反應(yīng)與自由能化學(xué)反應(yīng)與自由能反響：反響：A + B C + D反應(yīng)前后自由能的變化：反應(yīng)前后自由能的變化：G = H TSG可用于衡量一個(gè)化學(xué)反應(yīng)趨向平衡頃向的大可用于衡量一個(gè)化學(xué)反應(yīng)趨向平衡頃向的大小。小。2.1 自由能變化公式G0，反應(yīng)過(guò)程可逆，反應(yīng)過(guò)程可逆G0，不能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)，需要提供能量，不能自發(fā)進(jìn)行反應(yīng)，需要提供能量2.2 Standard free-energy cha

12、nge is directly related to the equilibrium constant標(biāo)準(zhǔn)自由能變化與平衡常數(shù)）2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)條件: (1) 298 K (25 ) (2) 反應(yīng)物和產(chǎn)物的初始濃度為1 mol/L (3) 氣體分壓為101.3 kPa (1 atm) (4) H+ = 1 mol/L , or pH0. 上述條件下反應(yīng)前后的自由能變化稱為標(biāo)準(zhǔn)自由變化，用G0 表示。 對(duì)于生物化學(xué)反應(yīng)pH7，這時(shí)用G0表示。! !（1 1GG、G0G0與與G0G0的區(qū)別的區(qū)別反響：反響：aA + bB = cC + dDG G0 RT lnK 其中，其中，R是氣體常數(shù)；是氣體常

13、數(shù)；T是絕對(duì)溫度；是絕對(duì)溫度；K （反應(yīng)常數(shù)）（反應(yīng)常數(shù)） (CcDd/Aa Bb)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時(shí)， G =0，那么0 G0 RTLn lnK eq或G0 = -RT ln K eq其中， K eq為平衡常數(shù)。Relationship between G0 and Keq 2.3 標(biāo)準(zhǔn)生成自由能G0= G0f產(chǎn)物產(chǎn)物 G0f反應(yīng)物反應(yīng)物每一種有機(jī)化合物都有其特定的G0f 。一些化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能見(jiàn)p31 表20-2.2.4 Standard free-energy changes 2.4 Standard free-energy changes are additive are add

14、itive （標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可加的）（標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是可加的）A B G01 B C G02A C, G0total = G0l + G02 條件：兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)需要偶聯(lián)。(1) Glucose + Pi glucose-6-phosphate + H2OG0 = 13.8 kJ/mol(2) ATP + H2O ADP + Pi G0 = -30.5 kJ/molSum: ATP +glucose ADP + glucose-6-phosphateG0 = +13.8 kJ/mol + (-30.5 kJ/mol) = -16.7 kJ/molExample：glucose-6-phosph

15、ate 的合成的合成2.5 Reaction & Free-Energy Change（化學(xué)反應(yīng)和自由能變化的關(guān)系）（化學(xué)反應(yīng)和自由能變化的關(guān)系）The actual free-energy change (G ) depends on the reactant and product concentrations. G = G0+ RT ln KSo, even a reaction for which G0 is positive can go in the forward direction, if G is negative. 反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行是用反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行是用GG判斷而

16、不是判斷而不是G0 G0 G0G0，反應(yīng)是否就會(huì)立刻自動(dòng)進(jìn)行？，反應(yīng)是否就會(huì)立刻自動(dòng)進(jìn)行？（活化能?。ɑ罨埽。?. High-energy phosphate 3. High-energy phosphate compounds compounds （高能磷酸化合物）（高能磷酸化合物）3.1 概念3.2 類型3.3 關(guān)于ATP水解3.4 ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位3.5 磷酸原3.6 ATP AMP + PPi3.7 ATP以外的NTP 3.8 ATP系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡3.1 Some concepts磷酸化合物在生物機(jī)體內(nèi)的換能過(guò)程中占重要地位高能磷酸化合物：水解時(shí)釋放5kcal20kJ以上自

17、由能的化合物(一般而言)高能鍵與鍵能3.2 高能化合物的類型1.氧磷鍵型（-OP-）：（1?；姿峄衔铮?焦磷酸化合物（3烯醇式磷酸化合物2.氮磷鍵型(-NP-)3.硫酯鍵型4.甲硫鍵型高能化合物結(jié)構(gòu)高能化合物結(jié)構(gòu)見(jiàn)見(jiàn)p34-p36.3.3 ATP酸酐鍵酸酐鍵磷脂鍵磷脂鍵ATPATP水解的四個(gè)驅(qū)動(dòng)力水解的四個(gè)驅(qū)動(dòng)力(1) 靜電排斥的減輕(2) 共振雜化物的形成 (3) H+ 的低濃度(pH 7) (4) Pi 和 ADP 的溶解性好于ATP 細(xì)胞內(nèi)影響細(xì)胞內(nèi)影響ATPATP自由能釋放的因素自由能釋放的因素: :ATPADPPiATPADPPi濃度濃度二價(jià)陽(yáng)離子二價(jià)陽(yáng)離子H+ H+ 濃度濃度(

18、pH)(pH)The free-energy change for ATP hydrolysis is large and negative. G0 = -30.5 kJ/mol (under standard conditions )While the actual free energy of hydrolysis (G) of ATP in living cells is very different. This is because the concentrations of ATP, ADP, and Pi in living cells are not identical and

19、are much lower than the standard 1.0 M concentra- tions. Furthermore, the cytosol contains Mg2+, which binds to ATP and ADP. G0=（-52.3-12.5 kJ/mol ）3.4 ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位在能量轉(zhuǎn)運(yùn)中的地位ATP Provides Energy by Group Transfers, Not by Simple Hydrolysis3.5 Phosphagens (磷酸原)Phosphocreatine (PCr) 磷酸肌酸 (in vertebrate, especially in mammal)Phosphoarginine 磷酸精氨酸 (in inverteb