此，富含A＝T对的区域解链比富含G≡C对的区域要容易。这种情况与加热引起的DNA变性相似。

11．解答： 由于Tm是在标准条件下测定的，因此可以利用下面的公式计算A+T的百分含量：

浮力密度可用下式计算：

12．解答：在pH11.5时，DNA具有抗性，而RNA则很容易被碱水解。因为在碱性条件下，RNA核糖C‘—2位上的﹣OH的诱导电子的效应，使磷原子带微弱的正电荷，有利于

－

碱(OH)的亲核攻击。因而RNA对碱是敏感的。但在DNA分子中C‘—2位上没有羟基(﹣OH)，不能产生邻近基团参与效应，不会形成有利于碱攻击的2‘,3‘-环状中间结构，因而对碱有抗性。

在pH2.5时，RNA具有较大的抗性。因为RNA分子中的C—N不易被酸水解。而DNA在酸性条件下，易变成去嘌呤酸。这种差别是由于戊糖结构差别造成的。戊糖C‘—2位上的羟基存在与否对酸性条件下C—N的稳定性有很大的影响。

13．解答：实际上大肠杆菌几乎全部基因都是以单拷贝存在的，所以每个片段与它的互补链的重新结合以一种较均相过程进行。相反，人的基因组含有许多重复的DNA顺序。许多含有这些顺序的DNA片段找到彼此形成双链区（复性）的速度比单拷贝DNA顺序要快得多。这种单拷贝顺序在人的基因组中也存在，故可以观察到两个不同的复性过程。

14．解答：同源蛋白质，即来自不同物种、但有相同功能的蛋白质，有相同或几乎相同的多 肽链。来自不同物种的这样的肽链的许多相应部位被相同的（不变的）氨基酸占据。显然，编码这样的多肽链的基因在它们的核苷酸顺序中有某些相似性，即在多肽链中不变氨基酸出现在什么位置，编码这些氨基酸的密码子在它们的基因中也出现在相应的部位。因此，也可以预期在它们的基因中有“同源”区。当从这样两种同源生物中分离出的双螺旋DNA被加热变性、混合，冷却后在两种DNA的同源部位将会形成杂交双螺旋。两种生物的关系越密切，在它们的DNA之间就会出现越多的杂交双螺旋区

15．解答：由于这两个样品的A=T和G≡C对的比例有显著的差别，若忘了给这两个样品贴标签，那么可以通过CsCl密度梯度离心鉴别它们。含G≡C对量高的样品的浮力密度比含A＝T对量高的浮力密度大。当在有适当比重的CsCl溶液中离心时，将会给出两条不同位置的带。密度较大的（即距离心底近者）是E.coli DNA。

16．解答：虽然大多数RNA分于是单股的，但它们可通过自身的回折，在那些可以形成氢键的部位形成局部的双螺旋区。在这种双螺旋区内，碱基配对的规则是A与U、G与C。由于存在局部的双螺旋结构，因此，对专一于双股的核糖核酸酶的降解是敏感的。

17．解答：因为核酸外切酶需要作为底物的DNA或RNA具有游离的3‘-末端和5‘-末端，而θ×174 DNA是单股环状分子，没有游离的3‘-末端和5‘-末端。

第八章 第八章 生物能学

内容提要

生物细胞不断地做功，因此需要能量用于维持高度组织化的结构、细胞组分的合成、运动以及许多其他过程。生物能学研究生物系统的能量关系和能量的定量转化。生物能的转化遵循热力学定律。所有化学反应受到两种力的影响：达到最稳定结合态的趋向（用焓H表示）和达到最大混乱度的趋向（用熵S表示）。一个化学反应的净推动力是自由能的变化（△G），它代表了这两个因素的净效应：△G＝△H－T△S。细胞需要自由能以完成做功。

标准自由能的变化（△G0'）对某一给定反应来说是一个特征性常数，能从一反应的平衡常数计算得到：△G0'＝－RTlnK'eq. 实际自由能变化（△G）是可变的，它取决于△G0'和反应物和产物的浓度：△G＝△G0'＋RTln([产物]/[反应物])。当△G是很大负值时，反应趋向正向方向进行；当△G是很大正值时，反应趋向逆向方向进行；当△G是零时，该系统处在平衡状态。一反应的自由能变化不取决发生反应的途径。自由能的变化是可以相加的。由几个连续反应所构成的总反应的自由能变化等于各分步反应的自由能变化之和。

生物氧化反应可根据两个半反应来描述，每个半反应都有它特有的标准还原（电）势（或称标准氧化还原电势），用E0'表示。当两个电化学半电池（每个含有两个半反应组分）被连接时，电子趋于流向具有较高还原势的半电池。这种趋势的强度与这两个还原势之间的差值（△E）成比例，它是氧化剂和还原剂浓度的函数。一个氧化-还原反应的标准自由能变化直接与两个半电池的标准还原势的差成比例：△G0'＝－nF△E0'.

许多生物氧化反应是脱氢反应，来自底物的两个氢原子（电子和质子）被转移到氢受体上。细胞内的氧化-还原反应涉及专一性的电子载体。这些载体也是相应脱氢酶的辅酶。细

＋＋

胞内的许多脱氢酶的辅酶是NAD和NADP，这两种辅酶能接受两个电子和一个质子（即一个氢负离子）。两种黄素核苷酸FAD和FMN是能紧密同黄素蛋白（也是一类脱氢酶）结合的电子载体，它们或是接受一个电子或是接受两个电子。在许多生物中，一个主要的能量转化过程是葡萄糖逐步氧化成CO2。当电子传递给氧时，氧化产生的能量以ATP的形式被保存着。

ATP是分解代谢和合成代谢之间的化学连系者。它的放能转变成ADP和Pi或AMP和PPi反应同许多需能的反应和过程相偶联。一般来说，这个过程不是ATP水解，而是磷酸基或者腺苷酰基从ATP转移到一种底物或酶分子上，并将ATP降解产生的能量与底物的需能转化相偶联。通过这些基团转移反应，ATP为合成反应（包括信息分子的合成）、分子和离子跨膜的逆浓度和电化学梯度转移提供能量。肌肉收缩是对这种一般化的例外，ATP水解推动肌球蛋白的构象变化，从而引起肌肉收缩。

细胞也含有其他大的、负的自由能的代谢物分子，它们水解时可释放大量的自由能。这些代谢物包括磷酸烯醇式丙酮酸、1,3-二磷酸甘油酸和磷酸肌酸。象ATP一样，这些高能化合物具有很高的磷酸基转移势，它们是很好的磷酸基供体。硫酯类化合物水解时也能释放很高的自由能。

习题：

1．卵白和卵黄含有蛋白质、糖和脂。如果卵被受精，它就会从单细胞转变成一个复杂的生物。从卵在孵化器中的生态系统考虑，根据该系统以及环境和宇宙的熵的变化，讨论这个不可逆的过程。确信你能十分清楚地界定系统和环境。你是怎样考虑的？

2. 一假想的反应（pH7、25℃、一个大气压）：

A ←→ B＋C

若A的最初浓度是0.2mol/L，在反应达到平衡时，A的浓度只剩下1％，求：①该反应的K'平；②该反应的△G0'；③逆反应的△G0'

3．考虑下面的相互转换（25°C），

果糖-6-磷酸 ←→ 葡萄糖-6-磷酸

该反应的K'平为1.97。

①该反应的△G0'是多少?

②如果把果糖-6-磷酸的浓度调到1.5 mol·L-l，葡萄糖-6-磷酸的浓度调到0.5mol·L-1，△G是多少?

③△G0'和△G'为什么不同?

④在②给出的条件下，如果加入少量的酶加速这种转换，那么达到平衡时△G'将是多少？平衡时果糖-6-磷酸和葡萄糖-6-磷酸的浓度将是多少？

4．计算下面反应在生理条件下的自由能的变化：

磷酸肌酸 ＋ ADP → 肌酸 ＋ ATP

当该反应发生在神经元胞液中时，磷酸肌酸的浓度是4.7mM、肌酸的浓度是1.0mM、ADP浓度是0.20mM和ATP浓度是2.6mM。假定温度是25℃。已知磷酸肌酸水解时的△G0'＝–43.0 kJ/mol；ATP合成需要输入30.5 kJ/mol。

32

5．如果把少量的、末端用放射性磷标记的ATP（[γ-P]-ATP）加入到酵母抽提液中，

32

在几分钟时间内，大约一半的P放射活性出现在Pi中，但是，ATP的浓度保持不变。请解

323232

释。如果用[β-P]-ATP）代替[γ-P]-ATP做同样的实验，在同样的时间内，P的放射活性不出现在Pi中。为什么？

6．把ATP的水解与热力学不利的反应偶联起来，能显著改变该反应的平衡。①当△G0'

-1

＝25000J·mol、温度为25℃时，计算能量上不利的生物合成反应A→B的Keq；②当把ATP的水解与反应A→B偶联时，计算该反应的Keq，并把该反应的Keq与①比较；③许多细胞把[ATP]/[ADP]的比例维持在400以上；当[ATP]︰[ADP]为400︰1以及在标准条件下Pi保持恒定时，计算[B]与[A]的比例。并把这个比例与未偶联时的比例进行比较。

7．在标准条件下，在pH7.0，ATP水解的△G0'为–30.5kJ·mol-1。如果ATP是在标准条件下、但在pH5时水解，所释放的自由能是更多还是更少?为什么?

8．在标准条件下，写出下面每对分子自发反应的方向： ① Cyt.f/Cyt.b5

②延胡索/酸琥珀酸 和CoQ/CoQH2

＋

③α-酮戊二酸/异柠檬酸和NAD/NADH

＋－＋

已知：Cyt.f(Fe3) ＋ e ←→ Cyt.f(Fe2) E0'＝0.36 V

＋－＋

Cyt.b5(Fe3) ＋ e ←→ Cyt.b5(Fe2)（微粒体） E0'＝0.02 V

－

延胡索酸 ＋ 2e ←→ 琥珀酸 E0'＝0.031 V

－＋

CoQ ＋ 2e ＋ 2H ←→ CoQH2 E0'＝0.045 V

－＋

α-酮戊二酸 ＋ CO2 ＋ 2e ＋ 2H ←→ 异柠檬酸 E0'＝–0.38 V

＋－＋＋

NAD ＋ 2e ＋ 2H ←→ NADH ＋ H E0'＝–0.32 V

9．下述每对中哪个成员失去电子的倾向大？①苹果酸和琥珀酸；②细胞色素a和细胞色素b。

1．解答：可以把处在发育阶段的小鸡当作一个系统看待；营养物、卵壳以及外部世界当作环境。由这个单细胞转化成一只鸡显著减少了该系统的熵。最初，胚外部的那部分卵（环境）含有复杂的燃料分子（一种低熵状态），当孵化时，其中一些复杂的分子转变成大量的CO2和H2O分子（高熵）。环境熵的增高比小鸡（系统）的熵的减少要大。因此，生命过程是不违反热力学原理的。

2．解答: ①当反应达到平衡时,

[A]＝0.01×0.2＝0.02 (mol/L), [B]＝[C]＝0.99×0.2＝0.198 (mol/L) K'平＝([B][C])/{A}＝(0.198)×(0.198)/0.02＝19.6 0

②△G'＝–2.303RT·log K'平＝–2.303×8.315×298×log19.6

＝–7.4 kJ·mol/L

③逆反应的△G0'应与正反应的△G0'的数值相等,但符号相反.所以逆反应的△G0'＝﹢7.4 kJ·mol/L

3．解答: ①△G0'＝–2.303RTlog K'平＝–2.303×8.135×298×log1.97＝－1.67 kJ·mol/L

②△G'＝△G0'＋2.303RT log（[葡萄糖-6-磷酸]/[ 果糖-6-磷酸]） ＝﹣1.67＋2.303×8.315×298×log（0.5/1.5）＝﹣4.4 kJ·mol/L

③在一给定温度下，任何一个反应的△G0'都是一个固定值，而且是在标准条件下（果糖-6-磷酸和葡萄糖-6-磷酸的浓度都是1mol·L-1）定义的。相反，△G是非标准条件下的自由能的变化，它随反应物和产物起始浓度的变化而变化。

④当反应处在平衡状态时，没有自由能的变化，即△G=0。所以从处于平衡状态的反应中不可能得到能够做功的能量。由于平衡常数大约是2，所以，在平衡时，当有1分子的果糖-6-磷酸存在，就有2分于的葡萄糖-6-磷酸存在。果糖-6-磷酸和葡萄糖-6-磷酸的总浓度是2.0 mol·L-1（1.5+0.5），该混合物的1/3是果糖-6-磷酸，2/3是葡萄糖-6-磷酸。因此，

[果糖-6-磷酸]＝(2mol/L)1/3＝0.67 mol/L [葡萄糖-6-磷酸] ＝(2mol/L)2/3＝1.33 mol/L

4．解答：首先计算标准条件下该反应自由能的变化。根据已知的条件，可以计算该反应的标准自由能的变化是:

△G0'＝（–43.0 kJ/mol ＋（30.5 kJ/mol）＝–12.5 kJ/mol

在生理条件下，

△G'＝△G0'＋RT ln([肌酸][ATP]/[ 磷酸肌酸][ADP])

-3-3-3

＝–12.5 kJ/mol ＋ 2.303 × 8.315 × 298 × log(1.0×10×2.6×10/ 4.7×10×

-3

0.2×10) ＝10 kJ/mol

5．解答：在酵母抽提液中，ATP系统处在动态稳定状态，[ATP]保持恒定，因为ATP消耗的速度等于它的合成速度。ATP的消耗涉及它的末端（γ）磷的释放。由ADP合成ATP涉及这个磷的置换，因此，末端磷经受了快速转换。相反，中间磷（β）只经受相对较慢的转换。

6．解答：①根据在标准条件下自由能变化的公式，

－－

lnKeq＝﹣△G0'/RT＝﹣（25000J·mol-1）/（8.315K1mol1）（298）＝–10.1

－5

Keq＝4.1×10

②将反应：

－

A → B △G0'＝25 kJ·mol1

与反应：

－

ATP ＋ H2O → ADP ＋ Pi △G0'＝﹣30.5kJ·mol1

偶联时的△G0'是﹢25 ＋（﹣30.5）＝﹣5.5。根据标准自由能变化的公式， lnKeq＝﹣△G0'/RT＝2.0, Keq＝7.5 偶联反应时的Keq比①中反应的Keq大180 000倍。

③因已知偶联反应的Keq＝7.5，因此可以计算当[ATP]︰[ADP]是400︰1以及在标准条件下Pi保持恒定时，[B]与[A]的比例。

Keq＝7.5 ＝（[B][ADP][Pi]）/（[A][ATP][H2O]）

＝（[B][ADP]）/（[A][ATP]）＝[B]（1）/[A]（400） [B]/[A] ＝3000︰1

与ATP水解反应偶联使[B]/[A]的比例增大了3000÷（4.1×10-5）＝7.3×107

7．解答：ATP水解的总反应式大致是：

－

ATP4-+H2O→ADP3-＋HPO42＋H+

－

在标准条件下，ATP4-、ADP3和HPO4-2都是1 mol·L-l，H2O的浓度是55 mol·L-1，并在