生物必须不断地获取、储存和使用能量来执行生命的功能。
能量的捕获、获取、储存和利用是通过细胞化学过程完成的。
细胞是遵循自然基本化学和物理规律的化学机器。
一个细胞的化学反应的总和称为新陈代谢.
能源
能源是做功的能力。
工作是能量从一个物体或地方转移到另一个物体或地方。
电池使用分解代谢的将化学势能转化为动能的反应
三磷酸腺苷的水解将化学势能(储存的能量)转移到蛋白质泵中使粒子通过膜(动能)
电池使用合成代谢将动能转化为化学势能的反应
光合作用捕获光能并将其储存为化学势能
在这些反应中,能量不是产生或毁灭,而是简单地从一个地方转移到另一个地方。这是的热力学第一定律:
“宇宙中的总能量是恒定的。能量不能被创造或毁灭,而只能从一种形式转化为另一种形式……”
细胞呼吸和键能
生物分子(碳水化合物、脂类、蛋白质)的化学键中储存着能量。
细胞呼吸是细胞通过酶作用打破这些包含能量的化学键来释放它们的能量并利用它来完成细胞功能的过程。
键能;-是共价键稳定性的一种度量。
-等于打破化学键所需的最小能量
-等于成键时释放的能量
在化学反应中:
-反应物之间的键必须被打破(能量被吸收)
-产物之间的化学键形成(释放能量)
势能图
使反应物的化学键发生应变和断裂所需要的能量被称为化学键活化能.
如果生成物的键比反应物的键更稳定,能量就会被释放。
如果生成物键不像反应中那样稳定,能量就被吸收了。
问题:
原子形成共价键以获得更大的稳定性。那么为什么吸热反应会在生成不太稳定的产物时继续进行呢?
能量不是决定是否发生化学或物理变化的唯一因素,熵也必须被考虑在内。
熵
熵是能量或物体集合中随机性或无序性的度量。
在化学反应中,熵增加时:
-固体反应物变成液体或气体的产物
-摩尔数较少的反应物分子形成摩尔数较多的产物分子
-复杂的分子反应形成更简单的亚基(聚合物成单体)
-溶质从高浓度区域向低浓度区域移动,直到其均匀分布
宇宙倾向于熵的增加。这是热力学第二定律
“宇宙的熵随着任何变化的发生而增加……”
放热反应
-更受青睐,因为产物分子比反应物分子更稳定。
-也伴随着熵的增加
吸热反应:
-不受欢迎,因为产物分子比反应物分子更不稳定。
-会发生熵增加的反应后
生命系统与熵
问题:生命体似乎违反了热力学第二定律,通过它们的合成代谢过程,构建有序的结构,如蛋白质和DNA,以及其他过程。
现实:减少熵的合成代谢过程伴随着产生能量的分解代谢过程,贡献了更大的熵增加。
遵守2nd法律:生物能够通过耦合自由产生能量的分解代谢过程(增加熵)与需要能量的合成代谢过程(减少熵)。
自由能
自由能是能做有用功的能量。
不是所有的能量转换都能做有用的功。
放热和吸热项用来描述化学反应中发生的总能量的变化。
放出能的反应是一种伴随自由能减少的化学反应。
吸能的反应是一种伴随自由能增加的化学反应。
三磷酸腺苷(ATP)
ATP是活细胞中自由能的主要来源。
“高能”键:末端磷酸相对不稳定(高能),因为分子的三磷酸尾部负电荷集中。
当需要自由能时,ATP酶(ATPase)从ATP分子中水解末端磷酸,释放了à 31 kJ/mol自由能
能量不会直接作为热量释放,因为这会增加电池的温度。
自由能用于将一个磷酸盐附着到另一个与细胞需要做的工作直接相关的分子上,这使分子更活跃à执行它的功能
磷酸化就是磷酸基与分子相连的过程。
氧化还原反应
氧化是失去电子的过程;氧化=失去电子
R排出是得到电子的过程;还原=增益电子
氧化还原反应S是涉及两种物质之间电子转移的反应,其中一种物质牛-另一种物质是红色- - - - - -加州大学。
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