生物能学与生物氧化bioenergeticandBiologicalOxidation

R = 1.987 cal/mol•K = 8.315 J/mol•K 当 T = 25℃(298 ºK)时
当 T = 37℃(310 ºK)时 G' 1419 lg k'eq (cal / mol ) 5936 lg k'eq (J / mol )
1.2.2.2 计算举例：
• 例1 在25℃ pH 7.0 时，向0.020 M G-1-P溶液 中加入磷酸葡萄糖变位酶，最后平衡时，混合 物的浓度分别为：
• 在生化反应中，[H+]为10-7（pH = 7.0) • 自由能的变化能量单位以焦耳（J/mol)或
千焦耳（kJ/mol)表示
• 自由能的变化表示为：△Gº’
在一 生化反应中：
G'

G

'
RT
ln
[C ]c[D]d [ A]a[B]b
反应达平衡时： △G’ ＝ 0
∴
G

'


RT
ln
[C ]c[D]d [ A]a[B]b
所 有
第一阶段
有
机
物 第二阶段
都
有
共
同
的
代 第三阶段
谢
过
程
蛋白质
多糖
脂类
ADP+Pi ATP
氨基酸
ADP+Pi
ADP+Pi
ATP
ATP
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己糖、戊糖
脂肪酸、甘油
ADP+Pi
ADP+Pi
ADP+Pi
ATP
ATP
丙酮酸
ATP
乙酰－CoA
ADP+Pi ATP
ADP+Pi ATP
三羧酸循环
NH3
O2
氧化磷酸化
H2O
ΔG = ΔH - TΔS
1.2.2.1 标准自由能变化与平衡常数
反应：aA + bB = cC + dD 自由能变化：△G ＝ G产物 －G底物 标准自由能变化(△Gº)： •反应物与产物的浓度都是1M; •反应条件：25℃(298 ºK) , 1 atm.;
生化反应中标准条件的修正
• 水的反应浓度以1.0 M计算;
• 生物氧化是指糖类、脂类和蛋白质等在生物 活细胞内进行的一系列氧化分解作用，最终 生成H2O和CO2,同时释放能量的过程，又称 细胞呼吸或组织呼吸。
• 相当于分解（异化）作用。
1.1.2 生物氧化发生的场所
1948年，Eugene Kenned Albert Lehninger发现，线粒 体是真核生物氧化磷酸化的 场所。
线粒体有两层膜结构，外 膜对小分子（Mr5000）和 离子为自由透过（通过跨膜 通道）。内膜对大多数小分 子及离子不透过（包括H+）， 只有内膜上存在特异运输体 的物质可以透过。
1.1.3 生物氧化的特点
体外燃烧 : (CH) +O2H2O+CO2+热能。 • H2O的生成：为氢和氧的直接化合 • CO2的生成：为碳和氧的直接化合 • 能量为骤然释放，以光和热的形式
ADP+Pi ATP
CO2
所有有机物都有共同的代谢过程
第Ⅰ阶段，有机物分解为它们的组成前体物质。
第Ⅱ阶段，小的燃料分子分解为几种常见的中间物， 主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。
第Ⅲ阶段，有一条途径组成，即Krebs循环，又叫柠 檬 酸 循 环 或 三 羧 酸 (TCA) 循 环 。 中 间 物 被 完 全 氧 化 成 CO2，生成的电子传递给NAD+或FAD并释放少量能量， 其中的中间物又可作为生物合成的原料。
（2）此水解反应的△Gº’；
（3）无机磷酸与葡萄糖合成G-6-P时的K’eq
（4）无机磷酸与葡萄糖合成G-6-P时的△Gº’
解 ：水解反应式：G-6-P + H2O
G + Pi
(1)
k
'e
q

[G][ Pi] [G 6 P
]

[0.1
99
.95% ][0.1 0.1 0.05%
99
.95
能磷酸键的形式贮存，不会使周围温度升高而伤害 有机体。
• 生物体系是一个开放体系：与周围环境既有物 质交换，又有能量转换。
– 生物化学过程发生在常温常压下： ΔP ≈ 0
– 生物化学反应发生在固相或液相： ΔV ≈ 0
∴ ΔH ≈ ΔU （焓变近似于内能变化）
1.2 生物氧化与能量转换
1.2.1 热力学定律
%
]

199
.8
(2) ΔGº’ = - RT lnkeq= -5707 × log 199.8 = -3138 cal/mol = -13130 J/mol
[G-1-P] = 0.001 M; [G-6-P] = 0.019 M 求其标准自由能变化。
解：反应式 G-1-P
G-6-P
keq

[G 6 P] [G 1 P]

0.019 0.001
19
∴
• 例2 在25℃ pH 7.0 时，酶促水解反应G-6-P，生
成Glucose 和磷酸，反应开始时，G-6-P的浓度为 0.1 M, 平衡时G-6-P的浓度为原始浓度的0.05%。 求（1）G-6-P的水解K’eq;
• First law of thermodynaics: 能量守恒原理
根据热力学第一定律，两个系统如果是始态和终态 是相同的，那么，这两个系统的能量变化是相同的。 例如：葡萄糖的体外燃烧值是686 千卡 (1196 kJ/mol) 葡萄糖在体内彻底氧化为C2O和水时也释放同样的能量
1.2 生物氧化与能量转换
第Ⅳ阶段，包括电子传递和氧化磷酸化，电子传递 给O2，H2O生成，释放的大量能量用于ATP的生成。
第一节 生物能学概述 A survey of bioenergetics
1.1 Biological Oxidation（生物氧化）
1.1.1 concept of biological oxidation and its significances
生物氧化的特点（续）
生物氧化: (CH) +O2H2O+ CO2+热能
• H2O的生成是有机物在酶的作用下脱氢，H经一系列 的递氢和递电子反应，最终与O2接合生成H2O。
• CO2的生成是有机物在酶的作用下脱羧形成的。 • 生物氧化要求在温和的条件下进行，为逐步氧化。 • 能量的释放是一步一步缓慢释放，释放的能量以高
Second law of thermodynamics: 熵(entropy) 增大原理
• 一切自发过程都向着最小势能水平的方 向进行；即自发过程伴随着自由能的降 低。熵达到最大时，达到平衡。
1.2.2 自由能 (free energy)
• 自由能是指在恒温、恒压的体系中发生 变化时，总能量变化中的用于做功的那 部分能量。