第20章生物能学课件

O-
O-
NH2
N
N
O
NN
O- P O-
OCH2 O HH
磷H
H
酯 OH OH
键
导致共价键不稳
1.酸酐键上的P争夺电子，导致使氧桥的稳 定性降低，甚至断裂。
2.pH=7时，ATP带4个负电荷，互相排斥。
3.产物（ADP和磷酸）比ATP稳定。
高能化合物由于内在因素本身化学不稳定(G高), 水 解产物稳定(G低)。
△G＜0,可； =0,平衡；＞0,否
例: 当 磷酸二羟丙酮 与 3-磷酸-甘 油醛 平衡时， 浓度比为 0.0475(Keq) pH=7, 25℃ 1atm
该反应平衡点时:
[甘油醛-3-磷酸]
K=
= 4.75x10-2
[磷酸二羟丙酮]
判断：当磷酸二羟丙酮为 3 x 10-6 mol/L， 3-磷酸-甘油醛 为 2 x 10-4 mol/L 时，反 应怎样进行？
△GO＞0 （不能自发进行） △GO＜0 （能自发进行） △GO＜0 （能自发进行）
三、 高能化合物
• 定义: 一般将水解时能够释放21 kJ /mol（5千卡/mol)以上 自由能（ G ’< -21 kJ / mol）的化合物称为高能化合物。
（一）功能
有着十分重要的生物意义
A →B
△GO＞0 （不能自发进行）
活化底物需要更多能量时
(八） 其他三磷酸核苷的递能作用
分解代谢 氧化产能
ATP ADP
机械能（运动） 化学能（合成反应） 渗透能（分泌、吸收） 电能（生物电） 热能（体温维持） 光能（生物发光）
UTP、GTP、CTP、TTP 合成, 供能
能量源自 能源物质（糖、脂、偶尔是蛋白质）的分解
(九） 能荷
9． 2
• 稳定程度不同, 各种高能化合物的△Go`有高低之分
活化（能量增加）反应
A+高能化合物 激酶 B+低能化合物
激酶——激活底物（A）连接高能键的酶
例
激酶
D-葡萄糖 + ATP
D-6-磷酸葡萄糖 + ADP
• D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高, 更易于分解, 这步活化 是细胞内葡萄糖分解的第一步, 也是后续葡萄糖分解的 根基。
K=[B]/[A] 或[B1][B2]…[Bn]/ [A1][A2]…[An] R: 气体常数（1.98x10-3 kcal/mol k ）
（ 8.31x10 -3 kJ/mol k） T: 绝对温度（k)
• 生物代谢略有不同, △GO改为△GO` （pH=7)
• △G= △GO｀ + RTlnK
COOH O CO PO CH2 O
磷酸烯醇式丙酮酸 14.8千卡/摩尔
2, 氮磷键型
O
NH
PO
C NH O
N CH3
C H 2C O O H
O
NH
PO
C NH O
N CH3 NH2 CH2CH2CH2CHCO O H
磷酸肌酸（N-甲基-胍基乙酸）
磷酸精氨酸
10.3千卡/摩尔
7.7千卡/摩尔（虾、蟹）
磷酸基团转移势能
△ G o` （ 千 卡 /摩 尔 ）
△ G o` （ 千 焦 /摩 尔 ）
14． 8
61． 9
11． 8
49． 3
10． 3
43． 1
10． 1
42． 3
7． 7
32． 3
7． 3
30． 5
7． 3
30． 5
3． 4
14． 2
5． 0
20． 9
3． 8
15． 9
3． 3
13． 8
2． 2
这两种高能化合物在生物体内起储存能量的作用。
3,硫酯键型
酰基辅酶A
NH2
N
N
O
OS O-
O
OP O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
3‘-磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸
4, 甲硫键型
S-腺苷甲硫氨酸
COO-
CH
N
H
+ 3
CH2
CH2 H 3C S+ A
（三）ATP的结构特点
酸
酐
键
O
O
O- P O- P
例
激酶
D-葡萄糖 + ATP
D-6-磷酸葡萄糖 + ADP
• D-6-磷酸葡萄糖比D-葡萄糖G高, 更易于分解, 这步活化 是细胞内葡萄糖分解的第一步, 也是后续葡萄糖分解的 根基。
•类似的活化反应十分普遍存在。
（二）高能化合物的种类
磷酸化合物
磷氧型 -O~P
非磷酸化合物
磷氮型 HN =C-N~P(O)
（四）细胞内影响ATP水解的因素 pH（ pH越高, 放出的能量越多）
（五）ATP “能量中间体”
化合物
磷酸烯醇式丙酮酸 3-磷 酸 甘 油 酸 磷 酸 磷酸肌酸 乙酰磷酸 磷酸精氨酸 ATP（ → ADP+Pi） ADP（ → AM P+Pi） A M P（ → 腺 苷 +Pi） 葡 萄 糖 -1-磷 酸 果 糖 -6-磷 酸 葡 萄 糖 -6-磷 酸 甘 油 -1-磷 酸
= 1.81kcal/mol +2.303 x 1.98x10-3 x298 x log [3 x 10-6 mol/L (甘） / 2 x 10-4 mol/L （丙）]
=-0.067 kcal/mol
（二）偶联化学反应标准自由能变化的可加性
热力学上不利的反应可以由热力学上有利的 反应所驱动
A →B • C→D A+C →B+D
③ △G＞0时, W＜0, 该反应不可自发进行, 必须吸收 外来能量才能进行（吸能反应）, 同时, 该反应的逆 过程可以自发进行。
任何状态下 △G= △GO + RTlnK △GO—这一反应在标准状态（pH=0, 25℃
1atm）的自由能变化（标准自由能）（可查表或计 算，参见《物理化学》），与反应的平衡常数有关。
△G= △GO｀ + RTlnK 平衡时, △G= 0 K = Keq
△GO｀ = - RTlnKeq =-
2.303RTlgKeq
△GO｀ = - RTlnKeq = - 2.303 x 1.98x10-3 x298 x log
(0.0475) = 1.81kcal/mol
△G = △GO｀ + RTln[产物]/[反应物]
•类似的活化反应十分普遍存在。
作用: 能量传递
磷酸烯醇式丙酮酸
转 化
磷酸肌酸
传 暂时储能物质 递
葡萄糖6-磷酸
传递
葡萄糖1-磷酸
（六）磷酸肌酸和磷酸精氨酸 这两种高能 化合物在生物体内起储存能量的作用
O
NH
PO
C NH O
N CH3
C H 2C O O H
磷酸肌酸 （哺乳类）
O
NH
PO
C NH O
第二十章 生物能学
一、有关热力学的一些基本概念
（一）、体系
宇宙 太阳系 地球 每个生物或非生物 化学反应体系
（二）、能的两种形式
能量的传 递形式
热 ？ 内能的传递方式
功 ？ 动能、势能转化和传递的方式
包括机械功、电功、化学功等
体系总能量 = 可做功的能+ 不能做功的能
（H） （自化合物 C ~ S
O
甲硫键化合物 CH3~S+- C-C
~ 高能键,水解断开，并可传递能量
1,磷氧键型（—O~P)
(1)酰基磷酸化合物
O
O O-
C O P O-
CH OH O
CH2 O P O-
O-
OO CH3 C O P O-
O-
1, 3-二磷酸甘油酸
乙酰磷酸
11.8千卡/摩尔
10.1千卡/摩尔
N HC H 3 N H 2
CH2CH2CH2CHCO O H
磷酸精氨酸（虾、蟹）
磷酸肌酸 + ADP
肌酸 + ATP
△G = △G 1 + △G2 = -43.1 +30.5 = -12.6 KJ/ mol
在机体中, 由于反应物和产物的浓度接近平衡点, 所 以, 所以, 当反应物或产物的量有所变化时, 机体会很 灵敏地进行调节, 使反应朝ATP生成或磷酸肌酸生成 的方向进行。磷酸肌酸被称为ATP缓冲剂。
（七）ATP断裂成AMP 和焦磷 酸
NH2
N
N
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
O O- P
O-
O O P O-
O-
H
H
OH OH
焦磷酸
7.7千卡/摩尔
OO
O
O
O- P O P O-
O- P 2 -O P O-
O-
O-
6.9千卡/摩尔O-
O-
7.7 + 6.9 = 14.6千卡/摩尔
当体系的状态发生变化后
热力学第一定律
(能量转化与守恒定律)
热力学第二定律
(能量传递的方向性定律)
总能量不变 变化的是G（ △G）
变化朝自由能降低的 方向进行 （—△G ）
① △G＜0时, W＞0, 体系对外作功, 该反应可自发进 行, 放能反应
② △G = 0时, W =0, 该反应处于平衡
OO H3N+ C O P O-
O-
氨甲酰磷酸
OO
RC O P O A O-
酰基腺苷酸
OO
RCH C O P O A
N+H3
O-
氨酰基腺苷酸
（2）焦磷酸化合物
NH2
N
N
O
焦磷酸
O- P
O-
ATP（三磷酸腺苷）
7.3千卡/摩尔
O O- P
O-
O O- P
O-
NN OCH2 O
HH
H
H
OH OH
（3）烯醇式磷酸化合物
• 高能化合物（水解）→低能化合物 △GO＜0 （能自发进行）
• ———————————————————————————————— A+高能化合物 →B+低能化合物 △GO＜0 （能自发进行）
两反应如何可以结合在一起呢？
高能基团的传递
活化（能量增加）反应
A+高能化合物
B+低能化合物
激酶
激酶——激活底物（A）连接高能键的酶
能荷 =
[ATP]+1/2[ADP]
[ATP]+[ADP] +[AMP]
分母是个定值, 能荷在一定范围内波动 （0.8-0.95), 受到机体的严格调控。