第7章 能量与代谢.pdf

第第第第7777章章章章 能量与代谢能量与代谢能量与代谢能量与代谢 本章内容提要本章内容提要 1) 热力学的几个基本概念 2) 能量流通与交换的媒介ATP 3)3) 酶酶 – 酶的结构与分类 – 活化能 – 酶促反应的专酶促反应的专一性与可控性性与可控性 4) 新陈代谢 一、一、热力学的几个基本概念热力学的几个基本概念热力学的几个基本概念热力学的几个基本概念 热力学的几个基本概念热力学的几个基本概念 1) 热力学第一定律：能量守恒 2) 热力学第二定律：系统的各种过程 总是向着熵增大的方向进行 熵、焓和自由能定义熵、焓和自由能定义 1) 焓(enthalpy): 化学反应中反应物或产物 总的化学键能称为焓 (H), 单位:J/mol 2) 自由能自由能(free energy): 在恒定温度和压力条在恒定温度和压力条 件下可以做功的能量 ((G),), 单位:J/mol 3) 熵(entropy) (S) ，在热力学中指系统所处的 无序状态的度量无序状态的度量, 单位单位: cal/l/moll.KK 熵熵熵熵,, 焓和自由能之间的关系焓和自由能之间的关系焓和自由能之间的关系焓和自由能之间的关系 公式公式:: △△GG==△△HH －－TT△△SS 1) △G＜0时, 为放能反应. △G＞0时, 为吸能反应. “△”表示“增量” 2)) 当化学反应产物所含自由能低于反应底物时,, △G＜0, 为放能反应，反应趋于自发进行 当化学反应的产物所含自由能高于反应底物时当化学反应的产物所含自由能高于反应底物时,, △G＞0, 为吸能反应，需从外界输入能量 3)3) 当反应产物的当反应产物的复杂性减少复杂性减少, 无序性增加时无序性增加时, SS 值值 增加。在一个没有外界能量输入的封闭系统中, 反应的方向是趋向反应的方向是趋向SS值增加值增加、无序性增大无序性增大 拓展：拓展：引物设计中的自由能问题引物设计中的自由能问题 地球三极生态系统地球三极生态系统地球三极生态系统地球三极生态系统能量循环能量循环能量循环能量循环 平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态 1)1)平衡态平衡态: – 系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在 – 系统内的各点参量均匀一致, 尤其是各点温度一致 – 此外系统与外界此外系统与外界不伴随熵流不伴随熵流 2) 非平衡态: 耗散结构 (dissipative structure) ： – 包含多基元包含多基元、多组分多组分、多层次的多层次的开放系统开放系统 – 触发下从无序突变为有序的结构 – 与外界不断发生能量交换, 即有负熵输入 – 生命现象生命现象具有典型的耗散结构的特征具有典型的耗散结构的特征 拓展拓展拓展拓展：：热力学与生命系统热力学与生命系统热力学与生命系统热力学与生命系统 1) 根据热力学第二定律：在一个封闭的体系内, 无序性趋向于增加无序性趋向于增加, 即熵值增大即熵值增大 2) 生物体：是一个远离平衡态的开放系统, 与外 界环境不断发生能量和物质的交流界环境不断发生能量和物质的交流 – 生物体通过不断捕获新的能量来构建自身的有序 结构, 抑制无序性的增加 (非平衡态: 耗散结构） 3)3) 就整个系统而言就整个系统而言,, 能量的消耗仍伴随着无序的能量的消耗仍伴随着无序的 增加, 并不违背热力学第二定律 什么是代谢什么是代谢什么是代谢什么是代谢???? 生物体内全部生物体内全部化学物质的转化化学物质的转化和和 能量的转化能量的转化过程称为代谢过程称为代谢, 涉及涉及:: 1)) 物质转化: 合成或分解 即同化作用与异化作用. 2) 能量转化: 释放或吸收 能量的形式和能量的转换能量的形式和能量的转换能量的形式和能量的转换能量的形式和能量的转换 光能光能、、化学能化学能、、机械能机械能、、声能声能、、电能电