文档介绍：细胞反应的能量平衡
通过对细胞反应的能量平衡来确定在反应过程中的能量的相对利用和
细胞反应的内能、自由能、焓、自由焓
(1)化学热力学的基础
能量守恒定律(热力学第一定律)
热力学第一的定律可由下式表示:
式中△U—能量变化或内能变化
Q—反应体系吸收或放出的热量
W—所作的功
几乎所有的生物反应都是在1大气压下进行的,即可看作恒压的反应过程,因而W为
式中 P—压力
V—体积
而

式中△H——焓
用弹式测热计(bomb calorimeter)这样的一定容积的装置所测定的内能为△U,且放热反应能量由体系释放而用负号表示,吸热使用正号表示。焓变用数值表示,反应前后体积不变式(△V=0,△H=△U)例如:
蔗糖+H2O→葡萄糖+果糖
△H=- kcal/mol
葡萄糖-6-P+H2O→葡萄糖+ H3PO4
△H=- kcal/mol
乙酸+H2O→CH3COO-+H3O+
△H=+ kcal/mol
当反应的过程中有气体参与时,如
葡萄糖+6O2→6CO2+6 H2O
△H=-673kcal/mol
上述反应虽然有气体参与,但反应的前后气体的总mol数并未发生变化,因而仍然是△H=△U,而有些反应在反应的前后,总气体的mol数发生变化,如
尿素(s)+ O2(g)→CO2(g)+N2(g)+2 H2O(l)
,这一体系对外所作的功
其中,在n=,T=25+273=298K下,R= mol=×10-3 kcal/K mol 。
用弹式测热计侧得△U=- kcal/mol,有

在微生物细胞反应中一般
熵(热力学第二定律)
我们都知道葡萄糖放置于空气中是不发生变化的,但若燃烧则反应自发地进行(△U=△H<0)。再如往鸡蛋溶液中加入硫酸铜溶液时立即由于Cu+2而使鸡蛋蛋白质凝集沉淀。这时的△U>0。这样的现象在自然界中广泛地存在着。用△U>0或△U<0不能判断反应是否自发进行。若把投入这一体系的能量Q分割为
Q/T是反应自发反应或平衡与否的标度。例如鸡蛋蛋白和Cu+2的凝固一看就知道是自发反应。
若考虑其周围的状态的变化
>0 自发进行反应
=0 反应平衡
熵△S 可用下式表示
可以说自然界中自发地发生的许多现象,熵的变化△S>0。
自由能(自由焓)
这里的负号为在周围环境的熵变化量作为反应体系一侧的变化量而吸取的,在恒温恒压下,有:
因为自发反应或平衡状态时
≤0
自由能(焓)的变化△G定义为
或
考虑多数的生物反应△H≈△U的情况,则自由能(焓)的变化△G
(2)有机物的氧化焓变和有效电子转移
微生物细胞利用碳源的分解过程所释放的能量,通过ATP等贮能物质,获得自身生长的能量。
所有物质的氧化总是伴随着电子的转移的,物质在氧化过程中,每个氧气分子可以接受4个电子,将物质在氧化过程中伴随着能量释放所进行的电子转移称为有效电子转移。例如
H2+ → H2O △H=-
其有效电子转移数为2,记作2 (av,e -)。