第四章生物热力学.ppt
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1、第四章生物热力学 热力学中的研究对象称为热力学系统 本章教学内容 第一节人体代谢 重点 第二节生命现象研究的几个重要热力学函数 了解 第三节体温与体温的控制 重点 第四节热和冷的生物效应及医学应用 阅读 第五节分子迁移现象与跨膜输运 了解 开放系统 封闭系统 孤立系统 生物体是一个开放热力学系统 生命现象是一种广义的热力学过程 热力学是研究热现象中物质系统在平衡态的性质和建立能量的平衡关系 以及状态发生变化时系统与外界相互作用 包括能量传递和转换 的学科 第一节人体代谢 1 人体代谢 热力学第一定律 Q E W E t 分解代谢率 Q t 生热率 W t 动物体传递给其他系统的机械功率 分解代
2、谢率可通过观察人把食物转换成能量和废物时利用氧的速率 即氧消耗率来精确测量 人体为维持生命活动而消耗体内储存的能量和物质的过程叫人体代谢 E Q W E 内能变化量 Q 产生热量 W 对外做功 2 氧消耗率和氧热当量 氧热当量 氧消耗和人体内能的减少之间的关系 即消耗单位体积的氧所产生的能量 表4 1典型食物的氧热当量 食物的氧热当量取决于碳水化合物 蛋白 脂肪等在食物中所占的比例 各种食物平均来说 消耗一升氧约能产生2 02 104J的能量 氧消耗率 单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量 3 健康状况与最大耗氧率的关系 表4 2人体健康水平和耗氧率 人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧
3、烈程度 也取决于其耗氧能力 即做功能力的大小为耗氧能力所制约 4 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率 表4 3各类活动水平的耗氧率和分解代谢率 基础代谢率 BMR 当人处于完全静息状态下的代谢率 dE dt 2 929 105J h 80W 哺乳类动物基础代谢率与质量关系 dE dt cM3 4c 3 766 105J kg3 4 h 第二节生命现象研究的几个重要热力学函数 4 2 1焓 enthalpy 等压过程 引入态函数焓 H E pV H E p V E W 根据热力学第一定律 Q E W 故 Q H 意义 等压过程中系统焓变化等于系统与外界交换的热量 4 2 2吉布斯自由能 Gibbs
4、freeenergy 等温等压过程 引用态函数吉布斯自由能 G E pV TS 根据热力学第一定律 Q E W及第二定律dS dQ T 最大功原理 dG pdV dW 意义 等温等压过程 系统对外做功 吉布斯自由能减少 若dV 0 dW dG dW为非膨胀功 4 2 3生物生长过程中的熵 熵 entropy dS dQ T 熵是系统状态有序性的量度 热力学第二定律 dS dQ T 生物体的群体进化及个体发育过程是一个从简单到有序的过程 1969年比利时学派提出了 耗散结构 的概念与理论 为自然界存在的大量的 特别是在生物系统 远离平衡的有序现象的解释提供了理论基础 发现其与趋向平衡现象一样 非
5、但不违反热力学第二定律 而是同样受热力学第二定律的支配 因而人们除了看到通常热力学给出的趋向平衡的情景外 尚可以看到 达尔文 式的生动活泼的物质进化的情景 孤立系统熵增大 生命系统熵减小 熵在生物信息学中的应用 人体蛋白质有10多万种 由20种氨基酸按一定的编码组成 每一种氨基酸由4种碱基按照一定排列组成 问题是 如果用4种编码20种氨基酸 每1种氨基酸至少需要几个碱基进行编码 1950s 物理学家伽莫夫 GeorgeGamov 根据信息论提出三联核苷酸密码编码20种氨基酸的推测 1960s 三联核苷酸编码得到证实 并逐一被破译 Log220 4 322bit 第三节体温与体温的控制 人体中央
6、体温 37 2 人类生存环境温度 30 40 恒温性 是指机体得热和失热各因素千变万化情况下 机体维持深部温度或体核温度 即内环境温度 在一较窄范围内的能力 保持体温恒定的意义在于 恒温是高级生命形式的重要特征 恒温对维持哺乳动物机体生存是关键性的 也是生物体从低级形式向高级形式演化的重要保证 1 体温越高 和生命有关的重要化学过程和物理过程就进行得越快 a 酶的最适宜温度在36 37 过高导致酶变性 催化作用丧失 2 体温下降 有可能完全阻止酶的活性 体温下降至33 以下 神经功能便会受到抑制且知觉会消失 30 以下则会引起调温系统失灵 若降至28 更会引起心室纤颤甚至死亡 b 体温提高到4
7、1 中枢神经系统功能开始衰退且会出现惊厥 c 温度进一步提高到45 便会造成蛋白变性及死亡 4 3 1体温 1 体核温度 coretemperature 人体躯干核心的温度 测量体核温度的部位通常为直肠 口腔 食管 耳膜以及尿流 但所得的值却各不相同 因而没有一处温度可认为是真正的体核温度 食管温度 能间接量度从心脏泵出的动脉血血温 肛温 直肠热惯性大 不适于进行变化较快的温度量度 耳膜温度 耳膜热惯性小 能反映温度变化最快 环境温度为5 30 时 人体活动时的体核温度只是代谢率的函数 环境温度高于30 因出现热应激 体核温度上升 2 皮肤温度 skintemperature 皮肤温度是一个不
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