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吸能反應
鎖定
- 中文名
- 吸能反應
- 外文名
- endergonic reaction
- 所屬學科
- 生物化學
- 簡 介
- 需要引入能量的化學反應
- 舉 例
- 光合作用,電解鍊鋁等
- 相關概念
- 自由能
吸能反應簡介
世界上的事是複雜的。有些化學反應新產生的分子,內部能量比反應前的分子能量少,多餘的能量分裂出來,形成形成放能反應。
例如,木材或石油燃燒,硫酸在水裏稀釋,火藥爆炸……都是放能反應。
不過,也有許多化學反應,不僅不放出能量,反而要吸收能量才能進行,被稱為吸能反應。
一些化學反應,像光合作用,電解鍊鋁……都是吸能反應。
放能反應產生的能量,在一般的情況下,都以熱能的形式釋放出來,不能直接變成機械能、電能或者光能,不過也有例外。
放能反應是釋放能量的一種,如果熱是以這種形式釋放,就可以用另一個名詞“放熱”。在這些名詞中,erg指的是功或能,therm指的是熱,自發的反應是另一同意詞。
自發反應的例子(A→B) (見表1),能量產物B少於反應物A,這種區別或能量變化是
。在本例中,
的符號為負,因為B的能量少於A的能量。
自發的(A→B)和非自發的(C→D)反應的例子。雖然A→B能量是向下坡走,由於能量的活性被迫受阻,可能會妨礙A→B,除非輸入能量。注意如果A→B推動C→D,那麼,ΔE2的絕對值應比ΔE1小。
表1C→D反應是吸能反應,非自發的上升反應的例子,此處產生的能量大於反應物。除非有能量的輸入,否則該反應不會發生。在E2的例子中,符號是正,因D的能量大於C,在物理和生物界很多重要的反應和過程都是吸能反應,因此,需要輸入能量,在生物界吸能反應,例如C→D是連結的或成雙的,並被放能反應驅動,例如A→B;注意最終產物D的能量水平比開始的反應物A要小。
雖然A→B的反應是向下的、自發的,但因為它是能量屏障,並不一定發生,這叫做能量活性化,首先要克服它。換言之,雖然把A→B的反應劃歸為自發的,但還必須輸入一些能量以激活機體,作為“起動泵”。正如所看到的,有幾個重要的生物化學途徑是伴隨激活過程的開始而發生的,酶的作用也是很明顯的,因為它們具有減弱激化能量的作用。
儘管能量的激化妨礙了某些事物,但正如我們知道的,在這方面仍依靠某些很高的能量活化過程。氮的氧化物,以及其它機動車所排出的廢氣,都是當前的許多新事物,根據如下的反應氮與氧形成了氮的氧化物。
這些自發的反應都有高能的活化作用。在汽車的發動機內,以最高的温度和最大的壓力,用以激化速個反應,併產生一些有毒物質。確實很幸運,該反應具有很高的能量激活作用,否則大氣就要着火了。
吸能反應自由能
一切生命活動離不開能量,對於生物化學來説,最有用的熱力學常數是自由能。自由能是指一個反應體系中能夠做功的那一部分能量,如果體系不做功,則自由能轉化為熱能而散失。在25℃、1個大氣壓、反應物濃度為1mol/L時,這個反應體系的自由能變化稱為標準自由能變化(
)。由於細胞內的反應常在pH=7的條件下進行,故pH=7為生物體的標準狀態,以
表示此時標準自由能的變化。自由能的變化
與
的關係為:
R為氣體常數,T為絕對温度;
[A],[B]為反應物的摩爾濃度(mol/L),[C],[D]為產物的摩爾濃度(moI/L);
孤立或靜止地研究某個體系的自由能是不現實的,但研究反應體系的自由能變化,對於瞭解生物體內進行的反應有着重要作用。當一個反應的
時,這個反應可以自發進行,而
時則表示化學反應達到平衡狀態。當
時,反應不能自發進行,需要輸入能量,故為吸能反應。在生物體內吸能反應常與放能反應偶聯在一起才能進行,而此時吸能反應所需的能量常由ATP提供。
吸能反應ATP循環
ATP作為細胞內放能與吸能反應的主要中間媒介物,在各種生命活動及代謝過程中直接或間接起供能作用。ATP為腺苷三磷酸,3個磷酸之間有2個磷酸酯鍵。當ATP水解成ADP時釋放的能量比一般磷酸酯鍵水解時釋放出的能量多得多,因而可以使需要加入自由能的吸能反應得以進行。而ADP與無機磷酸鹽又可利用生物氧化時釋放出的自由能磷酸化成ATP。由此而構成生物體內的ATP循環。
ATP循環是生物體內能量轉換的最基本方式。活細胞中每千克組織中ATP的絕對濃度僅為幾個毫摩爾,但成人在靜息狀態下24小時內消耗ATP達40kg以上。由此可見ATP的生成與分解在物質代謝中速率之快。
吸能反應生成方式
在生物體內,ATP的生成方式主要有兩種:底物水平磷酸化和氧化磷酸化,其中氧化磷酸化是產生ATP的主要方式。
底物水平磷酸化
生物氧化過程中,代謝物分子內能量發生重排,產生的高能磷酸鍵轉移到ADP分子上生成ATP的過程稱為底物水平磷酸化。例如在糖酵解過程中存在兩處底物水平磷酸化產生ATP:
在三羧酸循環中存在一處底物水平磷酸化,即:
生成的GTP很容易轉變為ATP。
氧化磷酸化