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1、第18章 生物能学,一、有关热力学的一些基本概念,（一）体系的概念、性质和状态 体系：热力学中所指的体系是在研究中涉及的全部物质的总称。 环境：又称外界，指的是，除规定体系以外的物质的总称。 开放体系：与环境之间有物质交换和能量交换的体系。 封闭体系：只有能量传递而不发生物质交换的体系。 隔离体系：与环境不发生任何形式作用，即无能量传递又无物质交换的体系。,二、能的两种形式热与功,热是由于温差而产生的能量传递方式，伴随着质点无序运动。 功是体系与环境间另外一种能量交换方式。,（三）内能和焓的概念,内能：是体系内部质点能量的总和，通常用符号U（或E）表示。 内能的本质是由于分子的平均能、转动能、
2、振动能、电子能、电子与核的相对静止质量及分子间相互作用的势能等等所形成。它的值是无法测量的。但内能只与体系的状态有关，而与如何达到这个状态无关。 焓：是一个体系内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。用符号H表示。 焓所涉及到的是体系内质点之间的相互作用和质点自身的能量。焓的变化称为焓变，用H表示。焓变和内能变化之间的关系可用 H= E+ PV表示。,（四）热力学的两个基本定律和熵的概念,热力学第一定律 基本内容：一个体系及其周围环境的总能量是一个常数。虽然能的形式可以转变，但不会消灭。 E=Q-W 如果体系的体积不变，它所吸收的热量在数值上等于该体系内能的改变量。如果体系的压力不变，它所吸收
3、的热量在数值上等于体系的焓变量。,热力学第二定律 基本内容：热的传导只能由高温的物体传至低温物体。热的自发地逆向传导是不可能，具有一定的方向性，即由高温流向低温。 当热自高温物体传给低温环境时，把原来集中于高温物体的能量分散到与它相联系的环境的质点中，这是是一个自发的过程。它的特征就是所有这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。我们用熵（符号S表示）来表示体系的分散程度。 公式： 一个过程只有当其体系和周围环境的熵总和增加时才能自发进行，即 S= S体系+ S环境0,（五）自由能的概念,自由能G的基本方程式： G= H-TS 式中 G为在恒温（T）恒压下（P）下反应体系的自由能变化， S为熵的
4、变化。并没有涉及环境的性质。 由于焓的变化： H= E+ PV 对于化学反应和生物化学反应，体积和压力的变化很小，因此 PV 0，因此 H= E。 所以： G E-TS,自由能的变化能预示某一过程能否自发进行，即： G0，反应不能自发进行； G=0，反应处于平衡状态。,二、自由能的变化、标准自由能变化及其平衡常数的关系,（一）化学反应的标准自由能变化及其平衡常数的关系 标准自由能变化：在反应物和产物浓度都为1.0mol/L，反应的温度为25或298K，大气压为100kPa（一大气压）时，反应物和产物之间的自由能变化即标准自由能变化，用符号G表示。,该反应标准自由能的变化为：,标准自由能变化和自
5、由能变化概念的区别： 自由能变化时可以观察到的实际表现数值，并且随着反应物和产物的浓度发生变化，是一个变量。 标准自由能变化对一个特定化学反应，在标准温度下都是一个特定的常数。只有当所有反应物和产物都已1.0mol/L开始才能相等。 对于反应： 的自由能变化为：,当反应达到平衡点时 即,令 即得 或,若反应条件中温度为25，pH=7,（二）能量学用于生物化学反应中一些规定的概念 水作为反应物或产物时，水的浓度通常规定为1（实际浓度约为55.5mol/L）。 生物体系的pH规定为7.0，称作生物体系的标准自由能变化，用G表示。如果反应体系的pH不等于7.0，就不能使用G 。 标准自由能的单位用k
6、J/mol表示：,（三）标准自由能变化的可加性 偶联化学反应标准自由能变化是可以相加的，如AB+C的G =+21kJ/mol，BD的G =-34kJ/mol，则AC+D的G =-13kJ/mol，反应可以自发进行。 （四） G， G和平衡常数计算举例 反应G-1-PG-6-P在380达到平衡时， G-1-P占5%，G-6-P占95%，求G 。如果反应未达到平衡，设G-1- P=0.01mol.L， G-6-P=0.001mol.L，求反应的 G是多少？,达平衡时 =Keq=19,G= - RTlnKeq =-2.3038.314 311 log19 =-7.6kJ.mol-1,未达平衡时： =
7、Keq=0.1,G= G +RTlnKeq =-7.6+ 2.3038.314 311 log0.1 =-13.6kJ.mol-1,三、高能磷酸化合物,（一）高能磷酸化合物的概念 机体内的某些磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量的自由能（水解能量大于25kJ/mol或30kJ/mol），这类化合物即为高能磷酸化合物。而这些分子中的酸酐键，由于能释放大量自由能，所以又称之为“高能键”。用符号“”表示。,活细胞内环境对ATP的影响,（二）ATP以基团转移形式提供能量 ATP在参与反应时，其磷酸基团或焦磷酸基团，或是核苷酸部分几乎都是以共价键形式转移到某一底物或者是酶分子的某个氨基酸残基上。例如谷氨酸形成谷氨酰胺的过程(p310) 。 ATP在能量转运中的地位和作用,四、其他高能化合物,细胞在能量传递除ATP作为主要的能量载体外，其他一些5-三磷酸核苷和5-三磷酸-2-脱氧核苷也参与能量传递作用。它们的高能磷酸基团都是来自ATP的高能磷酸基团。,
