第18章生物能学.ppt

第,18,章生物能学,有关热力学的一些基本公式,高能磷酸化合物,（一）体系：,1,、概念：在研究中所涉及的全部物质的总称,2,、环境：体系以外物质的总称。,3,、体系的类型：,开放体系：体系与环境间即有物质交换也有能量交换。,封闭体系：体系与环境间无物质交换只有能量交换。,隔离体系：体系与环境间即无物质交换也无能量交换。,4,、体系的性质：包括压力、体积、温度、组成和表面张力等，用体系的这些性质来描述体系所处的状态，当体系的各种性质确定之后，体系也就有了确定的状态，热力学把体系的性质与状态之间的单值对应关系叫状态函数，体系所处状态的微小变化，都会引起状态函数的微小变化。,一、生物体内能量代谢的基本概念和公式,（二）能的两种形式,热和功,热和功是一个体系的状态在发生变化时与环境交换能量的两种形式：,1,、热：是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递总是伴随着质点的无序运动。,2,、功（,W,）：除热的形式以外，各种被传递的能量。任何一种功都伴随着质点的定向运动。,（三）内能与和焓,1,、内能（,U,或,E,）是体系内部质点能量的总和，体系的每个质点都与体系的性质、结构、运动状态等有关，所以,U,是体系的状态函数。,2,、焓（,H,）是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。,焓的变化叫焓变，用,H,表示，焓变与内能的关系为：,H=,U+,PV,U,：,内能的变化，也可用,E,表示。,H,：,焓变,PV,：,压力（,P,）和体积（,P,）的变化,(,四,),热力学第一定律,热力学第一定律（能量守恒定律：能量不会凭空产生，也步会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一物体，在转化和转移过程中总量不变。热力学第一定律的数学表达式为：,U=Q-W,Q,：体系变化时吸收的热量；,W,：体系所做的功,如果体系的内能发生了微小的变化，可用下式表达：,dU=dQ-dW,对于一个等压过程，体系只做体积功，不做环境功，于是,dW=PdV,代入上式得：,dU=dQ-PdV,dU,：,内能的微小变化,，,dQ:,热量的微小变化，,P,：,压力，,dV,：,体积的微小变化,，,PdV,：,体系所做的微小体积功,对于只做体积功的体系，焓数学式为：,dH=dQ+VdP,1,、自由能,(G),：生物体内用于做功的能，这些自由能来自于生物氧化所释放的自由能,2,、自由能与焓变和熵变的关系：,G=H TS,G,：在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化,H,体系焓的变化,T,体系的绝对温度,S,体系的熵变,3,、当体系的,G,0,时或,-,G,0,，这个过程不能进行，必须提供能量才能进行。,二、化学反应中自由能得变化和意义,（一）化学反应中自由能变化的公式,1,、标准自由能变化：在标准条件（反应温度,25,，即,298K,；大气压力,101325pa(1,个大气压,),；反应物与生成物浓度都为,1mol/L,）下，化学反应自由能变化，叫标准自由能变化（,G,0,），在生物体内，标准状况还规定环境,pH=7,，这时标准自由能变化用,G,0/,表示,2,、当反应处于平衡，,G,0,=0,时，,G,0/,与理想气体和平衡常数的对数的关系：,G,0/,=2.303RTlgK,/,eq,R,：为气体常数，如果气体常数的能量单位是“卡”，这时,R=1.9810,-3,kcal/mol.K,（此处,K,为绝对温度，等于,298K,，相当于,25,）；则测得的,G,0/,用,kcal/mol,表示。如果气体常数的能量单位是,kJ/mol,这时,R=8.3110,-3,kJ/mol.K,，则,G,0/,用,kJ/mol,表示。,K,/,eq,：代表一定条件下，所测得的平衡常数，和热力学真正的平衡常数有一点差别，所以用,K,/,eq,表示,（二）标准自由能变化和化学平衡的关系,（三）标准生成自由能及其应用,每一种有机化合物都有特定的标准生成自由能，用“,G,0,f,”,表示。,标准生成自由能是：由处于标准状态的最稳定单质合成标准状态当量化合物时，其标准自由能变化值。,利用标准生成自由能来计算一个反应的标准自由能变化，因标准自由能变化,=,反应产物标准生成自由能的总和,-,反应物标准生成自由能总和。如果已知反应物和产物的标准生成自由能，即可求出该反应的标准自由能变化。,许多生物化学化合物的标准生产自由能可通过化学手册查。,（四）能量学用于生物化学反应中的一些规定,1,、在任何情况下，一个稀的水溶液系统，如果水作为反应物或产物时，水的浓度规定为,1,2,、在生物化学能量学中，通常把标准状况的,pH,规定为,7,，因生物化学反应大多,pH=7,的环境中进行的。,3,、,G,0/,值用于生物化学能量学是假设每个反应物和产物都能解离，它们解离的标准状态是为解离形式和解离形式的混合状态，两种状态的存在正是,pH=7,环境。,4,、标准自由能单位：过去习惯用,cal/mol,或,kcal/mol,表示，,1cal,是无空气之水的温度在恒定压力下由,14.5,升到,15.5,所需要的热量。而现在用,J/mol,或,kJ/mol,表示。,1J,是施加,1N,的力于,1m,距离所需能量。,1cal=4.184J,1kcal=4.184kJ,例,1,、,G-1-P,的浓度为,0.02mol/L,，在磷酸葡萄糖变位酶催化下，向,G-6-P,转变，或由,G-6-P,（起始浓度也是,0.02mol/L,）向,G-1-P,转变，最后得混合物。无论哪个为起始物都含,0.001mol/L,的,G-1-P,和,0.019mol/L,的,G-6-P,，此反应温度为,25,，,pH=7,，求该反应的,K,/,eq,和,G,0/,值。,解：,K,/,eq,=G-6-P/G-1-P=0.019/0.001=19,G,0/,=2.303RTlgK,/,eq,=2.3031.9810,-3,298lg19,=-1.361.28,=1.74kcal/mol4.184,=-7.280kJ/mol,一般将水解时释放的自由能为2,5 kJ/mol,或,30kJ/mol,以上的化学键叫“高能键”，用“”表示，含有高能键的化合物叫高能化合物。,高能化合物中含有磷酸基时叫高能磷酸化合物。,生物体内高能化合物种类很多，根据它们,键的特点可进行分类。,三、高能磷酸化合物,（一）高能磷酸化合物的概念,高能化合物,磷氧键型,氮磷键型,(,如胍基磷酸化合物,),硫酯键型,（如乙酰,CoA,）,甲硫键型,(,如活性甲硫氨酸,),烯醇磷酸化合物,酰基磷酸化合物,焦磷酸化合物,ATP,（二）高能化合物的类型,三、代谢中常见的有机反应机制,基团转移反应,氧化,-,还原反应,消除、异构化和重排反应,碳,-,碳键的形成或断裂反应,