Chapter 20 Bioenergetics 第二十章 生物能学 Chapter 20 Bioenergetics 欧阳红生 动物生物技术系 吉林大学畜牧兽医学院 Email:biotechs@vip.sohu.com Tel:0431-7836175 Copyright © 2005 by Ouyang Hongsheng. All rights reserved.

主要内容： 高能磷酸化合物的概念、类型和作用。 主要内容： 高能磷酸化合物的概念、类型和作用。

生物能学 生物细胞的能量转化的定量研究及体内能量转化过程的物理化学性质。

一、有关热力学的一些基本概念 （一）体系的概念、性质和状态 ●体系(system)指的是研究中所涉及的全部物质的总称。即体系是一个限定范围内的物质。 ●环境(surroundings)是规定体系以外的物质总称。 ● “宇宙”的总能量是恒定的。体系+环境=恒定值。 隔离体系 封闭体系 开放体系

一、有关热力学的一些基本概念 (二)能的两种形式: 热与功 (三)内能和焓的概念 ●内能(internal energy)是体系内部质点能量的总和，通常用符号U(或E) 表示。 ●焓又称为热焓(enthalpy）,用符号H表示。焓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。 ΔH=ΔU+Δ PV ΔH焓变；ΔU-内能的变化；Δ PV-压力(P)和体积Δ(V)的变化。

(四)热力学第一定律(first law of thermodynamics） 热力学第一定律称为能量守恒定律：一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的形式可以转变，但不会消灭。 一个特定体系有两种方法可以从环境得到能量或给予环境能量。一种是从环境得到热量或给予环境热量；另一种是对环境做功或环境对体系做功。如果一个体系的状态发生了变化，这个体系的内能也必然发生变化。体系内能的变化等于该体系所吸收的热量减去它所做的功。 ΔU = Q – W ΔU 一个体系的内能变化; Q-体系变化时吸收的热量；W代表体系变化时吸收的热量。

(四)热力学第一定律(first law of thermodynamics） 等压时,体系只做体积功，不对环境做功 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。

(五)化学能的转化 (六)热力学第二定律和熵的概念 热力学第二定律：热的传导只能由高温物体传至低温物体。热的自发的逆向传导是不可能的。表明热力学体系的运动有一定的方向性，即自高温流向低温。 熵(entropy)：体系能分散程度的状态函数，统称为熵，用符号S表示。熵值代表一个体系质点散乱无序的程度。一个体系的质点变为更混乱时，它的熵值增加。熵的变化用ΔS表示，是正值。 热力学第二定律也可作如下的表述：在隔离体系中，一个过程只有当其体系和周围环境的熵值总和增加时才能自发进行。对于隔离体系 ΔS = ΔS体系 + ΔS环境 0

(七)自由能的概念 ΔG=ΔH– TΔS ΔG-在恒温、恒压下，体系发生变化时的自由能变化；ΔH-体系焓的变化；T-体系的绝对温度；ΔS-体系的熵变。 dG = VdP – SdT – dW dG-自由能的微小变化；V-体积； dP-压力的微小变化；S-体系的熵；dT-体系绝对温度的微小变化； dW-有用功 等温时: dG = VdP – dW 等温且等压时: – ΔG = W 即自由能是等温且等压条件下，体系做有用功的能力。

二、化学反应中自由能的变化和意义 (一)化学反应的自由能变化公式 ΔG=ΔH– TΔS ΔG-在恒温、恒压下,体系发生变化时的自由能变化; ΔH-体系焓的变化;T-体系的绝对温度;ΔS-体系的熵变。 (二)标准自由能变化和化学平衡的关系 对化学反应 aA+bB  cC+dD 达到化学平衡时 ΔG0是当反应物和产物都处于标准状态时的自由能变化,即标准自由能变化.R是气体常数.

二、化学反应中自由能的变化和意义 (三)标准生成自由能及其应用 标准生成能是指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，其标准自由能的变化值(ΔG0f ) 但标准生成自由能无法由实验测出，应此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，这样，在标准状态下，由稳定单质生成1mol纯化合物的ΔG0 就等于该化合物的标准生成自由能。单位是J/mol或kJ/mol ΔG0= ΔG0f产物 –  ΔG0f反应物

二、化学反应中自由能的变化和意义 (四)偶联化学反应标准自由能变化的可加性及其意义 偶联化学反应标准自由能变化是可以相加的, 如:AB+C 的 ΔG0 = +21kj/mol, BD的 ΔG0 = -34kj/mol, 则 A C+D 的 ΔG0 = -13kj/mol, 反应可以自发进行。

二、化学反应中自由能的变化和意义 （五）化学反应和自由能关系的进一步说明 只有ΔG<0的反应才能自发进行。但要注意： （1） ΔG>0的反应可以和ΔG<0的反应偶联，使反应能够实际发生。 （2） 有些ΔG>0的反应，在非标准状态下，ΔG有可能<0。 （3） 热力学第二定律只能确定反应的方向和限度，不能预示反应过程的速率，许多ΔG<0的反应，需要提供活化能或使用催化剂才能使反应实际发生。

二、化学反应中自由能的变化和意义 （六）能量学用于生物化学反应中的一些规定 （1）水作为反应物或产物时，水的浓度通常规定为1（实际浓度约为55.5mol/L)。 （2）生物体系的pH规定为7.0，称作生物体系的标准自由能变化，用ΔG0表示。如果反应体系的pH不等于7.0，就不能使用ΔG0。 （3）标准自由能的单位用 kj/mol 表示。

三、高能磷酸化合物 (一)高能磷酸化合物的概念 磷酰基水解时放出大量自由能的磷酸化合物称为高能磷酸化合物。其中水解时能释放出20.92kJ以上自由能的键称为高能键（high-energy bond)。

(二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型 1.磷氧键型(-O~P-) (1)酰基磷酸化合物(acyl phosphate) ①乙酰磷酸;②1,3-二磷酸甘油酸；③氨甲酰磷酸 ④酰基腺苷酸(acyl AMP);⑤氨酰腺苷酸 (2)焦磷酸化合物 ①焦磷酸；②二磷酸腺苷；③烯醇式磷酸化合物

三、高能磷酸化合物 (二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型 1.磷氧键型(-O~P-) (3)烯醇式磷酸化合物 磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolypyruvate)

三、高能磷酸化合物 (二)高能磷酸化合物及其他高能化合物的类型 2.氮磷键型-如胍基磷酸化合物 (1)磷酸肌酸 (2)磷酸精氨酸

三、高能磷酸化合物 3.硫酯键型-活性硫酸基 (1)3’-腺苷酸5’-磷酰硫酸 (2)酰基辅酶A 4.甲硫键型-活性甲硫氨酸（S-腺苷甲硫氨酸)

三、高能磷酸化合物 (三)ATP的结构特性 决定于分子内的静电斥力 形成产物的共振稳定化作用

三、高能磷酸化合物 (四)细胞内影响ATP自由能释放的因素 ATP和ADP均由多种解离形式，并且可以同金属离子相互作用，这些引均可影响自由能的释放。 ATP水解释放自由能与pH的关系 黄色表示可以解离的氢

ATP水解释放自由能与其浓度的关系(pH 7.0, 38oC)

ATP水解释放自由能与Mg2+的关系(pH 7.0,38oC)

三、高能磷酸化合物 (五)ATP在能量转运中的地位和作用 ATP 的ΔG0 在所有含磷酸基团的化合物中处于中间位置。这使ATP有可能在磷酸基团转移中作为中作为传递体而起作用。

三、高能磷酸化合物 (六)磷酸肌酸和磷酸精氨酸及其他贮能物质 Phosphocreatine + ADP  ATP + creatine

三、高能磷酸化合物 (七)ATP断裂形成AMP和焦磷酸的作用 ATP断裂形成AMP和焦磷酸的ΔG0= -31.2 kj/mol，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸的ΔG0= -28.84 kj/mol，总的ΔG0= -61.03 kj/mol。 大致相当于2分子ATP水解为2分子ADP释放的能量。 ATP断裂形成AMP和焦磷酸的反应有重要的生物学意义，萤火虫的荧光物质是通过这一反应提供能量的。脂肪酸的酶促活化也是通过这一反应提供能量的，无机焦磷酸水解为2分子正磷酸对反应有重要的推动作用。

三、高能磷酸化合物 (八)ATP以外的其他核苷三磷酸的递能作用 ATP是主要的递能物质，除ATP外，合成多糖还需要UTP，合成蛋白质还需要GTP，合成磷酯需要CTP，合成RNA需要CTP UTP ATP GTP ，合成DNA需要dCTP dTTP dGTP dATP。 (九)ATP系统的动态平衡 ATP在体内不断的合成和分解，处于动态平衡，周转速度特别快，一个静态的成人消耗ATP高达40kg/d，在紧张活动的情况下，消耗ATP高达0.5kg/min，大多数细胞的能荷即{[ATP]+0.5[ADP]}/ {[ATP]+[ADP]+[AMP]}在0.80到0.95之间。

基本要求 1.熟悉有关热力学的一些基本概念。 2.熟悉化学反应中自由能的变化和意义。 3.掌握高能磷酸化合物。（重点）