第4章生化反应热动力学

Oxidative phosphorylation
• 质子跨膜的非共轭流和协同因子NADH的氧化的紧密耦合 • 还紧密耦合 ADP的磷酸化： ATP 生成的过程是通过质子沿 浓度梯度移动而在热力学上被驱动的。
Cytosol
Outer membrane
H+ H+
Intermembrane space
Chapter 4 Thermodynamics of Bioreactions
生化反应有两个重要的性质：动力学性质和热力 学性质。在很大程度上，反应途径的活性是由酶催化 个体反应的动力学所决定。反应的热力学性质具有同 样的重要性：所有反应除了受酶的性质的影响，还必 须遵循热力学规律。所以，如果不考虑个体生化反应 的热力学限制，则对生化反应的任何分析都是不完整 的。同时，生化反应通常伴随着热量的产生，所以热 力学原理对于设计生物反应器中的换热器也很重要。
可逆反应：快速，处于平衡状态，对底物浓度变化敏感性强
不可逆反应：反应速度慢，对底物浓度变化敏感性弱
3. 燃烧热与反应热 heat of combutation/reaction
Qc＝－ΔHc
燃烧热:化学物质和氧气反应释放出来的热量。CO2 和H2O的燃烧热 为0 有机化合物燃烧热与还原度κ* 的关系 还原度κ* 和还原度κ的差别：N元素的中性化合物不同
（4.14）
-1 1 115kJ(C-mole) 4Yso 115 460Yso kJ (Cmole) （4.15）
与Q相似，在－ΔGci与κi*之间也存在一个近似关系，该 关系对κi*为正的化合物成立（即，不包括H2O和O2）， 标准方差也是大约6 kJ(C-mole)-1. －ΔGci＝94.4κi *＋86.6 kJ （C－mole－1） Example 4.5 Heat of reaction for aerobic growth of yeast p106 在完全厌氧过程中，YSO=0,反应热应该减小到零。对于 以糖为底物的厌氧过程来说这个结论不一定正确；在其 它例如以H2为能源，CO2为碳源的系统中（见例4.6）， 这个结论是完全错误的。 此时必须使用式4 .11计算反应 热。
－H2－0.260 CO2－0.0048NH3＋0.02X＋0.240CH4＋0.511H2O＝0 Q ＝ － ΔH ＝ 285 ＋ 0.0048×383 － 0.02×458 － 0.240×892 ＝ 63.6 kJ(mole H2)-1 -ΔG=219 － 12.8×0.260 ＋ 0.0048×401 － 0.02×541 － 0.240×808 ＝ 12.9 kJ(mole H2)-1
其反应热比酵母以葡萄糖为底物的呼吸生长高九倍；然而，ΔG仅比酵母以葡萄糖为底物的呼吸生长高70％。这说明：以 CO2和H2生长的甲烷细菌的热效率很低；厌氧过程也并不总是伴 随的是较小的反应热。
4. 非平衡热力学 Non-equilibrium Thermodynamics
• 细胞中许多途径中的反应是远离平衡的，否则这些细 胞途径将没有物质流量，细胞也将停止活动 • 一个细胞过程中，如果物质顺着热力学驱动力梯度流 动，它被称作共轭流。反之，逆热力学驱动力梯度流 动，则流动是非共轭的，即流动是是逆热力学驱动力 的。 • 非共轭流并不单独发生，而是通过与共轭流耦合，使 得它能够驱动过程逆热力学驱动力进行 • 非平衡热力学是经典热力学到非平衡状态的扩展。它 表示共轭流、非共轭流和热力学驱动力之间的关系。 此外，非平衡热力学能够描述共轭流和非共轭流紧密 耦合的过程。
• Chemical Equilibrium and Thermodynamic State Functions
Changes in Free Energy and Enthalpy Combustion- A Change in Reference State
• Heaห้องสมุดไป่ตู้ of Reaction • Non-equilibrium Thermodynamics
－ΔH0c/κ*的平均值式115kJ(c mole)－1，该值的标准偏差是6· 7 kJ (c mole)－1)
生物培养过程的总反应热:
Ysi Si Yp j Pj 0
i j
C mol 形式(不含氧气）
（4.10）
H Ypi (Hci ) YS j (Hc j )
（4.12）
（4.13）
• 对于有氧培养
Yso o2 Ysi Si Yp j Pj 0
对于还原度平衡： 4Yso YS j k j ) Ypi ki i j Q YS j k j ) Ypi ki i j
i j
一个ΔG具有很大的负值的反应可能具有非常慢的反应速率. 作为催化剂，酶能够降低反应的能垒、加快反应速度从而快速达到热 力学平衡，但是它们自身不足以驱动ΔG为正的反应进行（还需能量）。
2. Changes in Free Energy and Enthalpy（H)
• 化学反应的自由能变:
(G)reaction (Ypi G f ,i ) products (Ysi Gs ,i )substrates
i i
Ypi和Ysi分别是产物和底物计量系数的绝对值 规定298K和1atm时，处于稳定状态的由单一元素组成的物质 的自由能和焓为零。 ΔGof是25oC和1atm下，由组成元素生成化合物的标准吉布斯 自由能 ΔHof是25oC和1atm下，由组成元素生成化合物的标准焓变, 规定0K时，所有物质的熵为零 ΔSo是25oC和1atm下，由组成元素生成化合物的标准熵变
在平衡状态，ΔG＝0，因此 ΔGo＝－RTInKeq 其中Keq是该反应的平衡常数。 规定稀水溶液中水的活度为1，其它物质的活度为其水溶液中的
浓度，低压下的气相反应物，活度等于其分压
• 代谢途径的第一个反应通常ΔG0有较大的负值，这样即使 底物浓度十分低，该反应也是热力学可行的。与之类似， 途径的最后一步反应ΔG0也有较大的负值，使得在很高的 产物浓度下该反应仍然在热力学上是可行的。例4.3 EMP 途径说明
ΔHof（液） = ΔHof （气）＋ΔH（蒸发） ＝－57800－582×18 ＝－68280cal mole-1
ΔGof（液）=－68280－298×（16.72－31.21－24.5）＝－56661cal mole-1
• 化学反应的自由能与标准条件下该反应的自由能的关 系： ΔG＝ΔGo+RTInK （4.3） K：质量活度分数 Ypi Ypi Ypi 规定标准条件下参 Pi / Pi (标） Pi 与反应的溶质浓度 K ＝ Ysi Ysi Ysi Si / Si (标） Si 为1M。气体为1atm
cyt e
H+
I II
UQ
III
Inner membrane
O2
IV
ATPase
H+ ADP ATP
NADH Succinate
Mitochondrial matrix
Fumarate
了解生么是操作P/O、氧化磷酸化耦联度 注4.1
i j
Q H YS j (Hc j ) Ypi (Hci ) YS j (Qc j ) Ypi (Qci )
j i j i
（4.11）
• 当做近似计算时－ΔHci＝Qcj＝115κi *
* * Q YS j k j Ypi ki 115kJ(C-mole)-1 i j Q YS j k j Ypi ki i j -1 115kJ(C-mole)
H2 不含碳， 无115kJ (c mole)－1的规律
Example 4.6 Anaerobic growth on H2 and CO2 to produce CH4
• 生物质组 成： X ＝ C1.68O0.39N0.24 （ κ ＝ 4.18 ）； YH2X ＝ 0.02 Cmole(mole H2）-1。这样，黑箱模型的化学计量数可以通过碳和 还原度平衡确定：
• 热力学可行反应与不可行反应的偶联：生物反应在热力学 上的一个显著特点
－ATP＋ADP＋Pi＝0 ； ΔGo＝-30.5 kJ mole-1 －glucose－Pi＋G6P＝0 ；ΔGo＝13.8 kJ mole-1
• 可逆反应的ΔG接近于0，便于根据代谢物浓度变化快速改 变反应方向 • 实际的ΔG可能与ΔGo相差较大（Example 4.3 )，不能简 单地根据ΔGo判断反应是否热力学可行
1.化学平衡和热力学状态函数 Chemical Equilibrium and Thermodynamic State Functions
绝大多数生物系统都是恒温恒压的系统，因此生物反应的自 发性判据是： ΔG＝ΔH－TΔS （4.1） 自发过程， ΔG<0 放能(exogonic)过程，可被用于做功 非自发过程，ΔG>0，吸能(endergonic)过程,需要环境提供 自由能才能驱动 可逆过程, ΔG＝0
P97 Example 4.1 298K时 H2O的气化热 是582cal g-1。
16.72
(气 气）
H2O(液） ？
？ ？
H2 0.5O2 H2O(气）＝H2O(液）
ΔHof （气）= ΔG0f+TΔS0 ＝ -54640+(45.11-31.21-0.5×49)×298 = -57800 cal mole-1