生物物理学导论08 1 ppt课件

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水解反应
能量捕获的形式发生在化合物三磷酸腺苷 (ATP)中，它是在食物逐步氧化时产生的。 水解反应
ATP + H2O——ADP + Pi
伴随能量的释放。式中， ADP为二磷酸腺苷 Pi代表无机磷酸根。
当反应在有控制的条件下进行时，这一能量 可用来作功。生物能量循环的控制过程可以 想像为开动一系列水车，驱动发电机恢蓄电 池充电的过程。
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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光合作用
对于生命，能量的主要来源是太阳。 绿色植物、藻类和少数细菌能够从太阳
光摄取能量，并将其转化为适于维持它 们自身的生命和其余生命世界的形式。 使这一转化发生的过程，称为光合作用。 光合作用的产物——大量的化学潜能(食 物)——则用于”逆”过程， 产生适合 于做功的能量形式。
由于反应是不可逆的，这一能量差的一部份 必然丢失掉，其余部分作为糖和氧的化学潜 能被贮存起来。
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呼吸
糖和氧的再化合可以导致贮存能量的释放。
如果这一再化合是通过在试管中的燃烧来实 现的，则所有能量都以热的形式释放。
一般的常温下，在大多数有机体中，这样的 热不能用来作功。
当这一能量释放是通过一平衡的氧化—还原 反应序列实现，就像在活细胞的线粒体中发 生的那样，则能量以逐步的方式放出，并以 有可能在必要的时间和地方作功的形式被截 获(重又作为化学潜能)。
活细胞具备复杂而又非常有效的器件, 用以达到这 一目的。
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精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
反应的平衡大大地偏向右端，因为反应产物
由于它们的负电荷和新的杂化分子轨道的形
成而很稳定。
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化合物的水解标准自由能
ATP并非生物系统中具有这一特征的仅有的 磷酸化合物，实际上，有许多其它磷酸化合 物还有更多的(较多的是有更低的)水解标准 自由能。
表5．1简列了生物系统中一些化合物的水解 标准自由能，从表中可见，ATP实际上处于 水解标准由能区间的中间，这对于通过具有 共同中间体的偶联反应来传递能量的功能， 是非常合适的。
在高等植物和藻类中，A总是氧，因而给体 总是水。
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还原剂随后用于将二氧化碳还原为糖，
12 H2X + 6CO2 — (HCOH)6 + 6H2O + 12X
这一反应中无需光。因此，光合作用的整个 反应可以写作
12 H2X + 6CO2 + 光 — (HCOH)6 + 6H2O + 12X
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生物能力学最有挑战性的问题
尽管释放能量的氧化反应与ATP形成的偶 联，以及在执行化学功、电功、渗透功 或机械功时ATP的水解，在热力学上可以 是很简单的，但它们的分子机理(或其机 制)却远末明了。这构成生物能力学当前 研究中一个最中心和最有挑战性的问题，
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5.2 偶联反应中的三磷酸腺苷： 吡啶核苷酸
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对于这些有机体，总反应就变为
6H2O + 6CO2 + 光 — (HCOH)6 + 6O2
这是通常熟知的形式。这一方程左侧的能量 项(光)是被吸收光的电磁能，能量在方程右 侧就是物质(HCOH)6和O2的化学潜能。
方程左侧的化合物水和二氧化碳比之右侧的 糖和氧更稳定，因此，左侧的总结合能比右 侧更低。
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充电 放电
当把光合作用比作“应用电磁能”将 “水”升至高水平的泵时，呼吸就可看 作“水”的分步降落，驱动“水车”使 “ATP蓄电池”充电，然后，这样的蓄电 池即可输送到需要做功的地方，当有适 当的联接时，它们又可以在做功时通过 水解反应“放电”。
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光合作用过程
在光合作用中，一种专门的分子在所谓反应 中心内的激发，导致一初级氧化—还原反应， 还原反应又启动同一类型的反应序列。这样 的最终结果是氢的给体H2A的氧化，伴随着 产生较强的还原剂H2X；
H2A + X + 光——H2X + A
在光合细菌中，A可以是从硫到有机基团的 各种物质。
高能磷酸根 生命系统中普遍的能量携
带者ATP是一种核苷酸，它由一种碱基腺 嘿吟组成，其嘌呤基通过糖苷键与D核糖 分子相连，一连三个磷酸根联在核糖的5’ 位置上。如果去掉末端的磷酸根，就变 成二磷酸腺苷(ADP)，当仅带一个磷酸根 时，就是一磷酸腺苷(AMP)。
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ATP的特征
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水解的自由能
ATP携带能量的功能并不与磷酸基的化学键 相关联，后者被不准确地称为“高能键”。 这一功能是由于水解反应产生很强的负自由 能
ATP4- + H2O —— ADP3- + HPO42- + H+
在标准状态下， 反应平衡时的自由能约为-7 千卡／克分子。
在完整细胞中，在pH7，ATP分子有很高
的荷电量，它的三个磷酸根都电离，因
而分子有四个负电荷。分子可以很容易 与像Mg2+和Ca2+这样的二价正离子形成 络合物，结果使其活细胞只有很少的ATP
是以自由负离子存在，而大多数都是与 Mg结合的。这一特征可能与ATP的专一
性酶水解有些关系，通过这样的酶水解 使化学潜能转化为功。
生物物理学导论-08
第五章 生物能力学
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5.1 生物的能量流
生物功： 生物功是被生命机体连续实现的活细胞或 在其内部或在其所处的环境中所做的功。
生物功的种类：肌肉收缩的机械功，传递电荷时的 电功，物质穿过半透膜传输时的渗透功，或者新物 质合成时的化学功。
生物循环：为了实现所有这些功，细胞必须通过一 定的机构使能量可以适当的方式变换(转化)。一般 说来，在恒温下，大多数细胞只有在消耗能星亦即 能量转化为较为无用的形式时，方才可以获得功的 净输出。