生物能量学原理
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3
LW-3
§3. 实际自由能变化取决于反应物和产物的浓度
一般生化反应 A + B ←→ C + D 的实际自由能变化为： [C] [D] ⊿G =⊿G’o + RT ln [A] [B]
其中：⊿G’o为不变的常量，只取决于反应物本身的性质； RT ln ([C][D]/[A][B]) 则是变量，随实际[P]/[S] 以及反应温度而变 [C]eq[D]eq 反应达到Hale Waihona Puke Baidu衡时因⊿G = 0，而 = K’eq， [A]eq[B]eq
8
13-1
§1. ATP水解具有 大而负的自由能变化
- 水解可部分消除ATP分子中的 静电排斥/相反共振作用 - 水解产物Pi (HPO43–)具有更大 的共振稳定性(e离域) - 水解中间产物ADP可随即解离 并向[H+]极低的介质释出H+ - Pi和ADP的溶剂化(水化)作用 要比ATP的相对更大
§1. 生物能量转化服从热力学定律
- Gibbs free energy (G)
表述常温及常压下某个反应中能够用以做功的能量 根据特定反应的自由能变化(⊿G = Gp – Gs)可以判断：
⊿G <０ ⊿G =０ ⊿G >０
(Gp < Gs) (Gp = Gs) (Gp > Gs)
放能反应，可以自发进行 系统处于平衡态 吸能反应，不能自发进行
delocalization
(cf. Fig 8-4)
9
13-2/T13-5
活细胞中的ATP实
际水解G通常更高
- 细胞中的[ATP]、 [ADP]和[Pi]均不 相同，而且<< 1.0 M 的标准态
↓ -35.7 kJ/mol
- Formation of Mg2+ complexes partially shields the negative charges and influences the conformation of the phosphate groups in ATP and ADP
14
13-7
硫酯和氧酯的水解自由能变化
The products of both types of hydrolysis reaction have about the same free energy content (G), but thioester has a higher G than oxygen ester: Orbital overlap between O and C allows resonance stabilization in oxygen esters; orbital overlap between S and C is poorer and provides little resonance stabilization
15
T13-6
高能化合物共同特点
- 含有易被水解的特定键型 (~)，如磷氧，氮磷，硫酯 及甲硫键等 - 水解产物的自由能低，即 具有很高的基团转移势能 - 释出的Pi的共振形式使之 相对于反应物更为稳定， 从而使已经是负值的自由 能变化更负
16
LW-7
总之，就具有大而负标准自由能变化的水解 反应而言，产物均比反应物更为稳定…
- 自由能是(热)焓和熵的结合函数 在标准温度和压力下可表述为：⊿G =⊿H – T⊿S
2
LW-2
§2. 标准自由能变化与反应的平衡常数直接相关
⊿G’o = - RT ln K’eq
(cf. p253)
其变化取决于反应发生时的条件(人为选择的标准态)
- 溶液化学：标准温度为298 K (25℃)，标准压力为 101.3 kPa (1 atm)，标准溶质浓度1 mol/L条件下 的自由能变化为标准自由能变化⊿Go - 生物化学：标准条件包括[H+]为10-7 mol/L (pH=7) 而不是1 mol/L (pH=0)，相应地以⊿G’o表示在生 物学标准态下的自由能变化
LW-1
生物能量学原理
- 生物能量学与热力学 - 磷酰基转移和ATP
- 生物氧化-还原反应
(细胞)呼吸
…一般而言，呼吸只不过是碳和氢的缓慢 燃烧，与点燃着的灯或蜡烛非常相似，也正是基于这一点， 呼吸着的动物实际上就是某种能燃烧及消耗自身的可燃烧 体…人们很可能惊讶于古代诗人或先哲竟然也没有忽视燃烧 与呼吸之间这一惊人的相似：普罗米修斯由天堂窃得火种并 非仅仅是诗人的灵感一现，实际上它真实地再现了自然演变 的进程，至少就所有能够呼吸的动物而言；由此人们可以认 为，生命之炬在婴儿第一次呼吸时就已经点燃了自身，并且 将一直燃烧直至生命的终结。 (from a memoir by Lavoisier)
- 细胞还有着其他一些具有大而负水解自由能的代谢 中间物，如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸 和磷酸肌酸等；这些高能化合物和ATP一样都具有 很高的磷酰基转移势能，是为良好的磷酰基供体； 硫酯也具有很高的水解自由能
23
LW-9
㈢ 生物氧化-还原反应
Oxidation-reduction reactions involve the loss
小结：磷酰基转移和ATP
- ATP自身的结构特点使之具有大而负的标准水解 自由能变化 - ATP是异化和同化代谢的化学连接点，为活细胞 的能量通币，其放能转化(→ ADP + Pi/AMP + PPi) 可偶联于许多吸能反应和过程
- 在偶联于吸能反应时，ATP通常是通过将其磷酰 基、焦磷酰基或腺苷酰基转移给某一底物或酶分子 的共价结合方式供能的(~提高底物自由能)
故有：⊿G’o = - RT ln K’eq
(cf. p253)
4
LW-4
因此，判断某一反应的自发性或进行 方向的依据是⊿G 而不是⊿G’o
即便⊿G’o 为正值，但只要RT ln ([C][D]/[A][B])项 为负且其绝对值大于⊿G’o，则⊿G仍然可以是负值 而使反应自发进行
推论：- 活细胞中所有能自发进行的反应，
(cf. Fig 8-5)
10
13-3
§2. 其他磷酸化合物和硫酯也 具有大而负的水解自由能
(cf. Tab. 8-4)
PEP的磷酯键水解可产生烯醇式丙酮酸， 后者随即互变异构成更稳定的酮式丙酮酸
not possible in PEP
∆G’°= -41.8 kJ/mol
可共振稳化 磷酸烯醇式丙酮酸
– 25
(cf. Fig 8-6)
13-10
§4. ATP可分别提供磷酰基、 焦磷酰基和腺苷酰基
亲核体可能是醇或 羧酸的O、肌酸或 Arg/His侧链中的N
腺苷酰化在热力学 上是非常利好的： ATP的两个磷酸酐 键均被断开
eg.
Glc→G6P
R5P→PRPP
FA activation
22
LW-8
- 反应物中静电排斥/相反共振形成的键张力 在分解成产物后均可得到缓解，如ATP - 产物因电离而稳化，如ATP、1,3-BPG 和硫酯([P]/[S] ratio being lower) - 产物因互变异构而稳化，如PEP - 产物可共振稳化，如PCr释出的肌酸、 酰基磷酸和硫酯释出的羧酸离子、酸酐 或磷酯键释出的Pi
其⊿G值至少应当稍负
- 就不可逆反应而言，其⊿G不仅是 负值，而且绝对值很大 注意：⊿G << 0的热力学利好反应在自然条件 下的自发进行可能很慢，需由外界提供 活化能或经由酶促反应以降低其活化能
5
LW-5
§4. (标准)自由能变化是可加合的
推论…
- 要使偶联的多个反应能够自发进行， 其⊿Gtotal应当是负值 - 一个热力学上的不利反应可以被与之 相偶联的有利反应所推动 (cf. p255)
17
13-8
§3. ATP供能主要是 通过基团转移而 不是简单水解
- ATP的一部分(磷酰基、 焦磷酰基或腺苷酸AMP) 先被转移到某个底物分 子或酶的特定氨基酸残 基上、形成共价连接以 增加后者的自由能 - 该含有磷酸的组分随即被 亲核取代而释出Pi、PPi 或AMP
ATP依赖性的Gln合成酶反应
- 在迫切需要ATP时，细胞均可通过 腺苷酸激酶降低[ADP]而获得ATP：
2ADP ←→ ATP + AMP (G’o≈0)
20
13-9
ATP serves as the universal energy - ATP在细胞内的多种 currency in all living cells 磷酸原中具有中间值
of electrons by one chemical species (oxidized), and the gain of electrons by another (reduced)
- 反应的自由能变化是可加合的，与反应途径和进行速度无关； 偶联反应的总自由能变化等于各个分反应的之和
7
1-28
㈡ 磷酰基转移和ATP
The central role of ATP in metabolism
ATP is the shared chemical intermediate linking energyreleasing to energy-requiring cell processes. Its role in the cell is analogous to that of currency in an economy: it is “earned/produced” in exergonic reactions and “spent/consumed” in endergonic ones
1
LW-2
㈠ 生物能量学与热力学 Bioenergetics: the quantitative study of the
energy transductions that occur in living cells and of the nature and function of the chemical processes underlying these transductions
11
13-4
1,3-BPG的酸酐键水解直接产物3-PG可 迅速电离而转化成共振稳化的3-PG盐/酯
产物均可共振稳化
1,3-二磷酸甘油酸
12
13-5
PCr的P–N键水解可以产生 均能共振稳化的Pi和肌酸 而有利于反应正向进行
磷酸肌酸
13
13-6
乙酰-CoA水解
- 酯键中的O被S所取代 的硫酯也具有大而负的 G’o，是为活化酰基， 广泛存在于转酰基、 缩合及氧-还反应 - 硫酯的共振稳化要比 氧酯的低得多，因而 反应物与其共振稳化的 水解产物之间的自由能 差异要比氧酯的更大
⊿G’o
(kJ/mol)
-30
-33
-14
19
13-12
所有细胞都能进行核苷酸之间的转磷酸化
- 存在于所有细胞的核苷二磷酸激酶 可以将ATP转化为所需要的(d)NTP
ATP + (d)NDP ←→ ADP + (d)NTP
(G’o≈0)
(细胞中相对较高的[ATP]/[ADP] 总是有利于反应正向进行)
因磷酰基的存 在而更缺e–
更易接受 亲核攻击
18
G3.9
- 高能磷酸键并非指该键本 身具有高能，而是其断裂 生成的产物具有比反应物 更低的自由能
- 其它核苷三磷酸均具有几乎 相同的⊿G’o，且彼此之间的 磷酰基团转移常数约为 1， 代谢研究中常以等价的ATP 来评估其消耗
phosphate ester bond
的磷酰基转移势能， 是为偶联反应中的重 要共享载能中间物 - 磷酰基团的转移均由 激酶催化进行 - 磷酰基团P经由ATP 中继从高能供体转移 到受体以形成相应的 低能衍生物，由激酶 催化的这类磷酰基转 移在细胞内条件下总 是伴随总自由能的减 少，而低能磷酸化合 物水解释出的Pi几乎 不再具备任何磷酰基 转移势能 21
↑ 13.8 kJ/mol ← -30.5 kJ/mol
6
LW-6
小结：生物能量学与热力学
- 生物能量学是生命系统中有关能量相互转化的定量研究， 生物能量的转换同样服从热力学定律
- 化学反应的净驱动力为自由能变化G，可以表达成： G = Ｈ –ＴS - 标准自由能变化G’o是给定反应的特征性物理常数，可以由 该反应的平衡常数求得： G’o = - RT ln K’eq - 实际自由能变化G是一个变量，依赖于G’o和反应物及产物 的浓度等：G = G’o + RT ln ([S]/[P]) - G大而负时反应趋于自发正向进行，大而正时则趋于逆向进 行，等于0时系统即处于平衡状态
LW-3
§3. 实际自由能变化取决于反应物和产物的浓度
一般生化反应 A + B ←→ C + D 的实际自由能变化为： [C] [D] ⊿G =⊿G’o + RT ln [A] [B]
其中：⊿G’o为不变的常量，只取决于反应物本身的性质； RT ln ([C][D]/[A][B]) 则是变量，随实际[P]/[S] 以及反应温度而变 [C]eq[D]eq 反应达到Hale Waihona Puke Baidu衡时因⊿G = 0，而 = K’eq， [A]eq[B]eq
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§1. ATP水解具有 大而负的自由能变化
- 水解可部分消除ATP分子中的 静电排斥/相反共振作用 - 水解产物Pi (HPO43–)具有更大 的共振稳定性(e离域) - 水解中间产物ADP可随即解离 并向[H+]极低的介质释出H+ - Pi和ADP的溶剂化(水化)作用 要比ATP的相对更大
§1. 生物能量转化服从热力学定律
- Gibbs free energy (G)
表述常温及常压下某个反应中能够用以做功的能量 根据特定反应的自由能变化(⊿G = Gp – Gs)可以判断：
⊿G <０ ⊿G =０ ⊿G >０
(Gp < Gs) (Gp = Gs) (Gp > Gs)
放能反应，可以自发进行 系统处于平衡态 吸能反应，不能自发进行
delocalization
(cf. Fig 8-4)
9
13-2/T13-5
活细胞中的ATP实
际水解G通常更高
- 细胞中的[ATP]、 [ADP]和[Pi]均不 相同，而且<< 1.0 M 的标准态
↓ -35.7 kJ/mol
- Formation of Mg2+ complexes partially shields the negative charges and influences the conformation of the phosphate groups in ATP and ADP
14
13-7
硫酯和氧酯的水解自由能变化
The products of both types of hydrolysis reaction have about the same free energy content (G), but thioester has a higher G than oxygen ester: Orbital overlap between O and C allows resonance stabilization in oxygen esters; orbital overlap between S and C is poorer and provides little resonance stabilization
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T13-6
高能化合物共同特点
- 含有易被水解的特定键型 (~)，如磷氧，氮磷，硫酯 及甲硫键等 - 水解产物的自由能低，即 具有很高的基团转移势能 - 释出的Pi的共振形式使之 相对于反应物更为稳定， 从而使已经是负值的自由 能变化更负
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LW-7
总之，就具有大而负标准自由能变化的水解 反应而言，产物均比反应物更为稳定…
- 自由能是(热)焓和熵的结合函数 在标准温度和压力下可表述为：⊿G =⊿H – T⊿S
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LW-2
§2. 标准自由能变化与反应的平衡常数直接相关
⊿G’o = - RT ln K’eq
(cf. p253)
其变化取决于反应发生时的条件(人为选择的标准态)
- 溶液化学：标准温度为298 K (25℃)，标准压力为 101.3 kPa (1 atm)，标准溶质浓度1 mol/L条件下 的自由能变化为标准自由能变化⊿Go - 生物化学：标准条件包括[H+]为10-7 mol/L (pH=7) 而不是1 mol/L (pH=0)，相应地以⊿G’o表示在生 物学标准态下的自由能变化
LW-1
生物能量学原理
- 生物能量学与热力学 - 磷酰基转移和ATP
- 生物氧化-还原反应
(细胞)呼吸
…一般而言，呼吸只不过是碳和氢的缓慢 燃烧，与点燃着的灯或蜡烛非常相似，也正是基于这一点， 呼吸着的动物实际上就是某种能燃烧及消耗自身的可燃烧 体…人们很可能惊讶于古代诗人或先哲竟然也没有忽视燃烧 与呼吸之间这一惊人的相似：普罗米修斯由天堂窃得火种并 非仅仅是诗人的灵感一现，实际上它真实地再现了自然演变 的进程，至少就所有能够呼吸的动物而言；由此人们可以认 为，生命之炬在婴儿第一次呼吸时就已经点燃了自身，并且 将一直燃烧直至生命的终结。 (from a memoir by Lavoisier)
- 细胞还有着其他一些具有大而负水解自由能的代谢 中间物，如磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸 和磷酸肌酸等；这些高能化合物和ATP一样都具有 很高的磷酰基转移势能，是为良好的磷酰基供体； 硫酯也具有很高的水解自由能
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LW-9
㈢ 生物氧化-还原反应
Oxidation-reduction reactions involve the loss
小结：磷酰基转移和ATP
- ATP自身的结构特点使之具有大而负的标准水解 自由能变化 - ATP是异化和同化代谢的化学连接点，为活细胞 的能量通币，其放能转化(→ ADP + Pi/AMP + PPi) 可偶联于许多吸能反应和过程
- 在偶联于吸能反应时，ATP通常是通过将其磷酰 基、焦磷酰基或腺苷酰基转移给某一底物或酶分子 的共价结合方式供能的(~提高底物自由能)
故有：⊿G’o = - RT ln K’eq
(cf. p253)
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LW-4
因此，判断某一反应的自发性或进行 方向的依据是⊿G 而不是⊿G’o
即便⊿G’o 为正值，但只要RT ln ([C][D]/[A][B])项 为负且其绝对值大于⊿G’o，则⊿G仍然可以是负值 而使反应自发进行
推论：- 活细胞中所有能自发进行的反应，
(cf. Fig 8-5)
10
13-3
§2. 其他磷酸化合物和硫酯也 具有大而负的水解自由能
(cf. Tab. 8-4)
PEP的磷酯键水解可产生烯醇式丙酮酸， 后者随即互变异构成更稳定的酮式丙酮酸
not possible in PEP
∆G’°= -41.8 kJ/mol
可共振稳化 磷酸烯醇式丙酮酸
– 25
(cf. Fig 8-6)
13-10
§4. ATP可分别提供磷酰基、 焦磷酰基和腺苷酰基
亲核体可能是醇或 羧酸的O、肌酸或 Arg/His侧链中的N
腺苷酰化在热力学 上是非常利好的： ATP的两个磷酸酐 键均被断开
eg.
Glc→G6P
R5P→PRPP
FA activation
22
LW-8
- 反应物中静电排斥/相反共振形成的键张力 在分解成产物后均可得到缓解，如ATP - 产物因电离而稳化，如ATP、1,3-BPG 和硫酯([P]/[S] ratio being lower) - 产物因互变异构而稳化，如PEP - 产物可共振稳化，如PCr释出的肌酸、 酰基磷酸和硫酯释出的羧酸离子、酸酐 或磷酯键释出的Pi
其⊿G值至少应当稍负
- 就不可逆反应而言，其⊿G不仅是 负值，而且绝对值很大 注意：⊿G << 0的热力学利好反应在自然条件 下的自发进行可能很慢，需由外界提供 活化能或经由酶促反应以降低其活化能
5
LW-5
§4. (标准)自由能变化是可加合的
推论…
- 要使偶联的多个反应能够自发进行， 其⊿Gtotal应当是负值 - 一个热力学上的不利反应可以被与之 相偶联的有利反应所推动 (cf. p255)
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13-8
§3. ATP供能主要是 通过基团转移而 不是简单水解
- ATP的一部分(磷酰基、 焦磷酰基或腺苷酸AMP) 先被转移到某个底物分 子或酶的特定氨基酸残 基上、形成共价连接以 增加后者的自由能 - 该含有磷酸的组分随即被 亲核取代而释出Pi、PPi 或AMP
ATP依赖性的Gln合成酶反应
- 在迫切需要ATP时，细胞均可通过 腺苷酸激酶降低[ADP]而获得ATP：
2ADP ←→ ATP + AMP (G’o≈0)
20
13-9
ATP serves as the universal energy - ATP在细胞内的多种 currency in all living cells 磷酸原中具有中间值
of electrons by one chemical species (oxidized), and the gain of electrons by another (reduced)
- 反应的自由能变化是可加合的，与反应途径和进行速度无关； 偶联反应的总自由能变化等于各个分反应的之和
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1-28
㈡ 磷酰基转移和ATP
The central role of ATP in metabolism
ATP is the shared chemical intermediate linking energyreleasing to energy-requiring cell processes. Its role in the cell is analogous to that of currency in an economy: it is “earned/produced” in exergonic reactions and “spent/consumed” in endergonic ones
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㈠ 生物能量学与热力学 Bioenergetics: the quantitative study of the
energy transductions that occur in living cells and of the nature and function of the chemical processes underlying these transductions
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13-4
1,3-BPG的酸酐键水解直接产物3-PG可 迅速电离而转化成共振稳化的3-PG盐/酯
产物均可共振稳化
1,3-二磷酸甘油酸
12
13-5
PCr的P–N键水解可以产生 均能共振稳化的Pi和肌酸 而有利于反应正向进行
磷酸肌酸
13
13-6
乙酰-CoA水解
- 酯键中的O被S所取代 的硫酯也具有大而负的 G’o，是为活化酰基， 广泛存在于转酰基、 缩合及氧-还反应 - 硫酯的共振稳化要比 氧酯的低得多，因而 反应物与其共振稳化的 水解产物之间的自由能 差异要比氧酯的更大
⊿G’o
(kJ/mol)
-30
-33
-14
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13-12
所有细胞都能进行核苷酸之间的转磷酸化
- 存在于所有细胞的核苷二磷酸激酶 可以将ATP转化为所需要的(d)NTP
ATP + (d)NDP ←→ ADP + (d)NTP
(G’o≈0)
(细胞中相对较高的[ATP]/[ADP] 总是有利于反应正向进行)
因磷酰基的存 在而更缺e–
更易接受 亲核攻击
18
G3.9
- 高能磷酸键并非指该键本 身具有高能，而是其断裂 生成的产物具有比反应物 更低的自由能
- 其它核苷三磷酸均具有几乎 相同的⊿G’o，且彼此之间的 磷酰基团转移常数约为 1， 代谢研究中常以等价的ATP 来评估其消耗
phosphate ester bond
的磷酰基转移势能， 是为偶联反应中的重 要共享载能中间物 - 磷酰基团的转移均由 激酶催化进行 - 磷酰基团P经由ATP 中继从高能供体转移 到受体以形成相应的 低能衍生物，由激酶 催化的这类磷酰基转 移在细胞内条件下总 是伴随总自由能的减 少，而低能磷酸化合 物水解释出的Pi几乎 不再具备任何磷酰基 转移势能 21
↑ 13.8 kJ/mol ← -30.5 kJ/mol
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LW-6
小结：生物能量学与热力学
- 生物能量学是生命系统中有关能量相互转化的定量研究， 生物能量的转换同样服从热力学定律
- 化学反应的净驱动力为自由能变化G，可以表达成： G = Ｈ –ＴS - 标准自由能变化G’o是给定反应的特征性物理常数，可以由 该反应的平衡常数求得： G’o = - RT ln K’eq - 实际自由能变化G是一个变量，依赖于G’o和反应物及产物 的浓度等：G = G’o + RT ln ([S]/[P]) - G大而负时反应趋于自发正向进行，大而正时则趋于逆向进 行，等于0时系统即处于平衡状态