第7章生物热力学.ppt

果糖1,6二磷酸?二羟丙酮-P+甘油醛-3-磷酸 ΔG0= 23.9 kJ/mol ΔG =0.7kJ/mol 二羟丙酮-P ?甘油醛-3-磷酸 ΔG0= 7.5 kJ/mol ΔG =2.6kJ/mol ——都有非常不利的标准反应自由焓，尽管反应自由焓仅稍 大于零。 归纳起来：第一部分反应的反应标准自由焓是不利的， 但是反应自由焓是相当有利的。 ?酵解反应的第二部分的作用是把葡萄糖代谢能量的实 质性部分转换为ATP。在第二部分反应中，除产生丙酮 酸的反应外，实质上都接近平衡。第二部分反应的总反 应标准自由焓和反应自由焓都很有利。 总之： 葡萄糖的无氧酵解所有反应是由酶催化的，如果没有酶的催化作用，这些反应的速度太低，远不能适应生理 活动的需要； 代谢过程产生能用来驱动其他生理反应的分子(如ATP) 而不是把大部分自由焓转换为热（葡萄糖直接氧化[葡萄糖（s）+6O2（g）?6CO2+6H2O（l）] 时，标准反应自由焓-2801.6 kJ/mol，反应的标准熵变为-259 J/(mol.K)，与无氧酵解数据比较，葡萄糖直接氧化释放的热量大大增加，这对于生理系统不利的。 §7-6 ATP的合成和膜离子梯度的建立 一、ATP的直接合成 ATP水解生成ADP和Pi的标准反应自由焓是-32.5kJ/mol，因为反应物浓度不能有效调整使总反应自由焓成为负值。所以由逆向反应合成ATP看起来似乎是不可能的。但是早就知道ATP在线粒体内直接从ADP和Pi合成。这是否违反热力学第二定律？ 膜 催化ATP合成的酶—ATP合成酶由一个起催化作用的蛋白“球”和偶合的蛋白质能传输通过的膜结合蛋白构成。 化学渗透假说认为由于一系列的电子传 输在膜两侧建立了pH梯度，ATP合成过程的同时伴有质 子传输穿过膜。其总反应可以写成两个反应的和： ADP+Pi?ATP+H2O nH+out? nH+in （a） ADP+Pi+ nH+out ?ATP+ nH+in +H2O n=3 （a）中质子传输过程的标准自由焓变化量为零，因为氢离子的标准态在膜的两侧相等， ΔG0=0，所以 ΔG = 3RTln [(H+in)/[(H+out)] (b) 298K时，膜内外pH值每差1单位，自由焓变化量为-17.1kJ/mol。实际生理条件下因为膜内侧的电负性较外侧更大而更为有利。膜电位为-100mV时，上述反应自由焓变化量除按式(b)计算值外 ，还应加-29kJ/mol=-46.1kJ/mol 。 从ADP和Pi合成ATP的标准反应自由焓是+32.5kJ/mol，虽然并不能精确确定在生理条件下该反应中各种反应物的浓度，但估计ATP与ADP的比值约为100，磷酸盐的浓度约1~3mM，所以[ATP]/（[ADP][Pi]）约是100~1000，因此，在298K时反应自由焓是 ΔG=32.5+RTln(100~1000) =32.5+(11.4~17.1)=43.9~49.6 kJ/mol 所以，ATP的合成反应在适当的质子梯度及膜电位时，也能提供使整个反应进行所必需的反应自由焓，即ATP在线粒体内直接从ADP和Pi合成，不违反热力学原理。 * * 第 七 章 生 物 热 力 学 基 础 生命运动广泛包含着复杂的热运动，热力学基本原理 在生命运动过程中也是适用的。本章简要讨论热力学基 本原理在生物过程中的应用，帮助我们从定性和定量角 度去理解、掌握生命过程。 §7-1 能量和热力学第一定律 一、系统和热力学参数 ?生命科学研究的系统可以是一个种群，也可是一个细 胞，只要系统尺度远大于分子的尺度，包含足够数量 的粒子。 ?开口系统—生命系统，如细胞、动物，大多是开口系 统（或称开放系统），与外界存在质量和能量交换； ?闭口系统—某些生命体在一些特定的条件下可忽略与 外界的物质交换，近似作为封闭系统（闭口系）； ?孤立系统—生命科学常用的杜瓦则近似可看作孤立系 统。 二、功和热量 从气体工质导出的有关功、热一般概念和结论可以应用于 生物系统，不过精确的计算要比气体系统复杂得多。例如肌 肉伸展的功，只要知道肌肉伸展需要的力和伸展的距离，也 可以用上述公式计算肌肉伸展的功的数值。又如生物系统， 组织膜的两侧有电位差，离子越过膜作的功是-ZFΨ。Z是离 子价、F是电容（法拉第—96