生物化学-生物能学课件.ppt

1、生物能学生物能学生物能学也称为生化热动力学，它专门研究生命系统内的能量流动和能量转化的规律。通过这门分支学科，我们可以解释在生命现象之中很多与能量有关的问题。几个基本概念和两个热力学定律几个基本概念和两个热力学定律（1）系统和环境）系统和环境 系统为宇宙之中我们感兴趣的任何部分，系统为宇宙之中我们感兴趣的任何部分，环境是指一个系统周围的任何事物。系统又环境是指一个系统周围的任何事物。系统又可以分为孤立系统、封闭系统和开放系统。可以分为孤立系统、封闭系统和开放系统。其中，孤立系统与环境之间不发生任何形式其中，孤立系统与环境之间不发生任何形式的物质交换和能量交换，封闭系统则可以与的物质交换和能量交

2、换，封闭系统则可以与环境之间进行能量的交换，开放系统和环境环境之间进行能量的交换，开放系统和环境之间既可以进行能量交换也可以进行物质交之间既可以进行能量交换也可以进行物质交换。生命系统应该属于开放系统。换。生命系统应该属于开放系统。（2）能量是指做功的本领。）能量是指做功的本领。（3）自由能是指一个系统的总能量之中用来）自由能是指一个系统的总能量之中用来做功的那一部分能量，做功的那一部分能量，即有用能。即有用能。（4）熵是指一个系统的无序状态。一个系统）熵是指一个系统的无序状态。一个系统越有序，它的熵就越有序，它的熵就 越低。越低。（5）焓是指系统的总热能。）焓是指系统的总热能。（6）热力学第

3、一定律即能量守恒定律。）热力学第一定律即能量守恒定律。（7）热力学第二定律是指一个系统的熵倾向）热力学第二定律是指一个系统的熵倾向于增加或者一个系统做功的能力趋于下降于增加或者一个系统做功的能力趋于下降。（8）Gibbs-Helmholtz方程：方程：GHTS孤立系统、封闭系统和开放系统孤立系统、封闭系统和开放系统生化反应的方向性与自由能之间的关系生化反应的方向性与自由能之间的关系 如果如果G0，则此反应不能自发地进行，除，则此反应不能自发地进行，除非向此反应提供能量，因此该反应为需能反非向此反应提供能量，因此该反应为需能反应。如果应。如果G是一个非常大的正值，则意味是一个非常大的正值，则意味

4、着整个反应物处于一种非常稳定的状态，反着整个反应物处于一种非常稳定的状态，反应几乎没有发生的可能。应几乎没有发生的可能。自发意味着一个反应自发意味着一个反应能能 发生（发生（可能性可能性），并不是），并不是就就发发生（生（现实性现实性）。）。G 是状态函数：以途径无关是状态函数：以途径无关 反应反应速率：依赖于途径速率：依赖于途径细胞内的偶联反应细胞内的偶联反应 假定一个反应AB，G1GBGA0，则此反应不能自发地进行，但如果此反应通过某种机制与另外一个G2GDGC 0的反应CD偶联在一起，而且总的自由能变化GG1G20，则AB的反应照样可以进行，在这里第二个反应释放出的能量被用来驱动第一个反

5、应。G是可以是可以叠加的叠加的高能生物分子高能生物分子 高能生物分子又简称为高能分子，它是指那些高能生物分子又简称为高能分子，它是指那些既容易水解又能够在水解之中释放出大量的自既容易水解又能够在水解之中释放出大量的自由能的一类分子的总称，以高能磷酸化合物最由能的一类分子的总称，以高能磷酸化合物最为常见。在高能分子水解的时候，被水解断裂为常见。在高能分子水解的时候，被水解断裂的化学键似乎贮存着大量的能量，因此有人称的化学键似乎贮存着大量的能量，因此有人称此键为高能键，经常用此键为高能键，经常用“”表示。为了便于表示。为了便于比较各种高能磷酸化合物或非高能（低能）磷比较各种高能磷酸化合物或非高能（

6、低能）磷酸化合物将其磷酸基团转移给水分子的能力（酸化合物将其磷酸基团转移给水分子的能力（实际上就是水解能力），有人引入了所谓的实际上就是水解能力），有人引入了所谓的“磷酸基团转移势能磷酸基团转移势能”（PGTP）的概念。显然，）的概念。显然，一种磷酸化合物的磷酸基团转移势能直接与其一种磷酸化合物的磷酸基团转移势能直接与其水解反应的水解反应的G相关，即相关，即G的值越小（负值越的值越小（负值越大），磷酸基团转移势能越高大），磷酸基团转移势能越高 磷酸烯醇式丙酮酸水解时释放的能量最高，大约为ATP的2倍，而ATP正好位于“中游”的位置。正是ATP在众多的高能分子之中所处的独特位置使它成为最重要的能

7、量载体，通过它，细胞内的放能反应和需能反应建立了偶联。G与氧化还原电位（与氧化还原电位（E）之间的关系）之间的关系 一个氧化还原反应的一个氧化还原反应的G0与其标准氧化还与其标准氧化还原电位（标准条件与自由能的标准条件一原电位（标准条件与自由能的标准条件一样）的变化值样）的变化值E0可用公式可用公式G0nFE0表示，表示，n为电子转移数，为电子转移数，F是法拉第是法拉第常数，为常数，为96.48kJ/Vmol，E0含有氧化含有氧化剂或电子受体的半反应剂或电子受体的半反应E0含有还原剂或含有还原剂或电子供体的半反应的电子供体的半反应的E0。而非标准条件。而非标准条件下的下的G与同样条件下的与同样条件下的E之间的关系为之间的关系为：GnFE。底物水平的磷酸化氧化磷酸化光合磷酸化