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2021-02-12 06:55
生物化學中哪些反應放出能量?
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1 # 鬧鈴不響了
(1)三大營養素等在生物氧化過程中所釋放的能量,有一大部分以熱能的形式散失於周圍環境中,另一部分則以化學能形式儲存與某些特殊的 高能化合物(如ATP)中,當生物體需要能量時再釋放出來被利用。
(2)高能化合物在生物化學中是指水解時釋出的能量大於30kJ/mol的含磷酸酯鍵或硫酯鍵的化合物。高能化合物所含的磷酸鍵稱高能磷酸鍵,硫酯鍵稱高能硫酯鍵。(3)ATP是高能化合物中的一種,含有高能磷酸鍵。ATP的分子中蘊藏著大量的能量:1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量。(4)ATP的水解反應(伴有一個磷酸鍵斷裂)為: ATP+H2O→ADP+H3PO4 (5)雖然1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量,但不是隻有30.5kJ能量參與ATP與ADP的轉換過程。這30.5kJ能量是ATP水解成ADP反應中所產生的化學能與一個磷酸鍵鍵能的差值。(6)結論:ATP轉化成ADP之前,這部分化學能儲存在ATP的分子中,而不在ADP分子中; ATP轉化成ADP之後,這部分化學能有一部分被用來斷裂磷酸鍵,剩餘部分釋放出來被機體利用而消失。而ADP可以在呼吸鏈氧化過程中直接獲取能量,用無機磷酸合成ATP;也能接受代謝物中所形成的1個磷酸基團和一部分能量轉變成ATP,但需要注意的是:新獲取的能量不是當時ATP轉化成ADP時所釋放的那30.5kJ能量,也就是說ATP與ADP的相互轉換過程中,沒有固定不變的哪份能量在被反覆儲存或被轉來轉去不斷迴圈使用。(7)疑問及解答分析 疑問一:“ATP轉化成ADP之前水解釋放的30.5kJ能量是不是儲存在ATP分子的磷酸鍵(可以發生斷裂的那個磷酸鍵)中呢?” 解答:答案是否定的。理由如下: 第一,這30.5kJ能量是化學能。化學能是物質本身所具有的能量,不同的物質由於組成、結構不同,所具有的化學能也不相同。物質越穩定,其化學能越低;物質越活潑,其化學能越高。當一個化合物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況。第二,這30.5kJ能量不是鍵能。鍵能是指拆開1mol 共價鍵所要吸收的能量,單位是kJ∕mol。分子越穩定,其鍵能越大,拆開這樣的化學鍵就要消耗更多的能量,即這樣的分子中化學鍵斷裂時就要吸收更多的能量。同一個化學鍵斷裂和形成所吸收和放出的能量是相等的,都等於鍵能。如果這30.5kJ能量是存在於磷酸鍵中的鍵能,那在ATP轉化成ADP過程中,斷裂這個磷酸鍵要從機體吸收30.5kJ能量?放出30.5kJ能量,吸收30.5kJ能量,相互抵消,何談給機體提供能量呢? 疑問二:“在ATP轉換為ADP的過程中,總是有1個磷酸鍵斷開,這個化學鍵的斷開與ATP水解反應中能量變化的關係是怎樣的呢?” 解答:這個關係在實質上是化學鍵與化學反應中能量變化的關係。化學鍵與化學反應中能量變化的關係,取決於斷開反應物種化學鍵所吸收能量之和與原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和的相對大小。如果斷開反應物中化學鍵所吸收能量之和大於原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和,則反應就表現為吸熱反應;反之,反應就表現為放熱反應。例如,已知下列化學鍵的鍵能為:H-H 436kJ/mol, Cl-Cl 243kJ/mol, H-Cl 431kJ/mol。試計算化學反應 H2 + Cl2== 2HCl的能量變化。解析:斷開反應物種化學鍵所吸收能量之和: 436kJ/mol+243kJ/mol==679kJ/mol 形成生成物中化學鍵所放出能量之和:2× 431kJ/mol==862kJ/mol 則有,斷開反應物中化學鍵所吸收能量之和 - 原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和==679kJ/mol-862kJ/mol ==-183kJ/mol 所以,反應為放熱反應。放出能量為183kJ/mol。疑問三:“既然化學鍵不能給機體供能,那麼為什麼生物化學中還要使用化學鍵來表述生物氧化與能量代謝呢?” 解答:原因在生物化學教材中有解釋,解釋如下:生物化學中把水解時釋出的能量大於30kJ/mol的含磷酸酯鍵或硫酯鍵的化合物統稱為高能化合物。高能化合物所含的磷酸鍵稱高能磷酸鍵,硫酯鍵稱高能硫酯鍵;一般用符號“~”表示。實際上這樣的名稱是不恰當的,因為一個化合水解物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況;且在物理化學上所謂的“高能鍵”是指斷裂該鍵時,需要大量能量,鍵能越高越穩定。而在生物化學中是指隨著水解反應或基團轉移反應可釋放大量自由能的鍵。該名稱雖不夠確切,但為了在生物化學中方便敘述,仍採用。疑問四:“既然化合水解物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況,那為什麼還說1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量。” 解答:30.5kJ只是一個平均數,為了方便敘述。而且在不同版本中這個值可能不同。比如在姚泰主編的第六版《生理學》教材中採用的是“33.47kJ”(第197頁)。實際上,1molATP水解成ADP時可釋放的能量在一定範圍內以30.5kJ為基點上下波動,影響因素參見疑問三的解答。
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(1)三大營養素等在生物氧化過程中所釋放的能量,有一大部分以熱能的形式散失於周圍環境中,另一部分則以化學能形式儲存與某些特殊的 高能化合物(如ATP)中,當生物體需要能量時再釋放出來被利用。
(2)高能化合物在生物化學中是指水解時釋出的能量大於30kJ/mol的含磷酸酯鍵或硫酯鍵的化合物。高能化合物所含的磷酸鍵稱高能磷酸鍵,硫酯鍵稱高能硫酯鍵。(3)ATP是高能化合物中的一種,含有高能磷酸鍵。ATP的分子中蘊藏著大量的能量:1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量。(4)ATP的水解反應(伴有一個磷酸鍵斷裂)為: ATP+H2O→ADP+H3PO4 (5)雖然1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量,但不是隻有30.5kJ能量參與ATP與ADP的轉換過程。這30.5kJ能量是ATP水解成ADP反應中所產生的化學能與一個磷酸鍵鍵能的差值。(6)結論:ATP轉化成ADP之前,這部分化學能儲存在ATP的分子中,而不在ADP分子中; ATP轉化成ADP之後,這部分化學能有一部分被用來斷裂磷酸鍵,剩餘部分釋放出來被機體利用而消失。而ADP可以在呼吸鏈氧化過程中直接獲取能量,用無機磷酸合成ATP;也能接受代謝物中所形成的1個磷酸基團和一部分能量轉變成ATP,但需要注意的是:新獲取的能量不是當時ATP轉化成ADP時所釋放的那30.5kJ能量,也就是說ATP與ADP的相互轉換過程中,沒有固定不變的哪份能量在被反覆儲存或被轉來轉去不斷迴圈使用。(7)疑問及解答分析 疑問一:“ATP轉化成ADP之前水解釋放的30.5kJ能量是不是儲存在ATP分子的磷酸鍵(可以發生斷裂的那個磷酸鍵)中呢?” 解答:答案是否定的。理由如下: 第一,這30.5kJ能量是化學能。化學能是物質本身所具有的能量,不同的物質由於組成、結構不同,所具有的化學能也不相同。物質越穩定,其化學能越低;物質越活潑,其化學能越高。當一個化合物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況。第二,這30.5kJ能量不是鍵能。鍵能是指拆開1mol 共價鍵所要吸收的能量,單位是kJ∕mol。分子越穩定,其鍵能越大,拆開這樣的化學鍵就要消耗更多的能量,即這樣的分子中化學鍵斷裂時就要吸收更多的能量。同一個化學鍵斷裂和形成所吸收和放出的能量是相等的,都等於鍵能。如果這30.5kJ能量是存在於磷酸鍵中的鍵能,那在ATP轉化成ADP過程中,斷裂這個磷酸鍵要從機體吸收30.5kJ能量?放出30.5kJ能量,吸收30.5kJ能量,相互抵消,何談給機體提供能量呢? 疑問二:“在ATP轉換為ADP的過程中,總是有1個磷酸鍵斷開,這個化學鍵的斷開與ATP水解反應中能量變化的關係是怎樣的呢?” 解答:這個關係在實質上是化學鍵與化學反應中能量變化的關係。化學鍵與化學反應中能量變化的關係,取決於斷開反應物種化學鍵所吸收能量之和與原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和的相對大小。如果斷開反應物中化學鍵所吸收能量之和大於原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和,則反應就表現為吸熱反應;反之,反應就表現為放熱反應。例如,已知下列化學鍵的鍵能為:H-H 436kJ/mol, Cl-Cl 243kJ/mol, H-Cl 431kJ/mol。試計算化學反應 H2 + Cl2== 2HCl的能量變化。解析:斷開反應物種化學鍵所吸收能量之和: 436kJ/mol+243kJ/mol==679kJ/mol 形成生成物中化學鍵所放出能量之和:2× 431kJ/mol==862kJ/mol 則有,斷開反應物中化學鍵所吸收能量之和 - 原子形成生成物中化學鍵所放出能量之和==679kJ/mol-862kJ/mol ==-183kJ/mol 所以,反應為放熱反應。放出能量為183kJ/mol。疑問三:“既然化學鍵不能給機體供能,那麼為什麼生物化學中還要使用化學鍵來表述生物氧化與能量代謝呢?” 解答:原因在生物化學教材中有解釋,解釋如下:生物化學中把水解時釋出的能量大於30kJ/mol的含磷酸酯鍵或硫酯鍵的化合物統稱為高能化合物。高能化合物所含的磷酸鍵稱高能磷酸鍵,硫酯鍵稱高能硫酯鍵;一般用符號“~”表示。實際上這樣的名稱是不恰當的,因為一個化合水解物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況;且在物理化學上所謂的“高能鍵”是指斷裂該鍵時,需要大量能量,鍵能越高越穩定。而在生物化學中是指隨著水解反應或基團轉移反應可釋放大量自由能的鍵。該名稱雖不夠確切,但為了在生物化學中方便敘述,仍採用。疑問四:“既然化合水解物水解時能釋放出較多的自由能(化學能)是取決於這個化合物整個分子結構,以及反應系統中各個組分的情況,那為什麼還說1molATP水解成ADP時可釋放30.5kJ能量。” 解答:30.5kJ只是一個平均數,為了方便敘述。而且在不同版本中這個值可能不同。比如在姚泰主編的第六版《生理學》教材中採用的是“33.47kJ”(第197頁)。實際上,1molATP水解成ADP時可釋放的能量在一定範圍內以30.5kJ為基點上下波動,影響因素參見疑問三的解答。