第四章生物热力学要点课件.ppt
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- 第四 生物 热力学 要点 课件
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1、第四章第四章 生物热力学生物热力学热力学中的研究对象称为热力学系统,热力学中的研究对象称为热力学系统,本章教学内容:本章教学内容: 第一节第一节 人体代谢人体代谢(重点重点) 第二节第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数生命现象研究的几个重要热力学函数(了解了解) 第三节第三节 体温与体温的控制体温与体温的控制 (重点重点) 第四节第四节 热和冷的生物效应及医学应用热和冷的生物效应及医学应用 (阅读阅读) 第五节第五节 分子迁移现象与跨膜输运分子迁移现象与跨膜输运(了解了解) 开放系统、封闭系统、孤立系统。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生物体
2、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。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。作用(包括能量传递和转换)的学科。第一节第一节 人体代谢人体代谢 1. 人体代谢人体代谢热力学第一定律,热力学第一定律, Q = E + WEt :分解代谢率:分解代谢率Qt :生热率:生热率Wt :动物体传递给其他系统的机械功率。:动物体传递给其他系统的机械功率。分解代谢率可通过观察人把食物转换成能量和废物
3、时利分解代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。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。程叫人体代谢。E = Q - WE :内能变化量内能变化量Q : 产生热量产生热量W : 对外做功对外做功 tWtQtE2. 氧消耗率和氧热当量氧消耗率和氧热当量氧热当量氧热当量: 氧消耗和人体内能的减少之间的关系氧消耗和人体内能的减少之间的关系, 即消耗即消耗单位体积的氧所产生的能量。单位体积的氧所产生的能量。表表41 典型食物的氧热当量典型食物的氧热当量食物的氧热
4、当量取决于碳水化合物、蛋白、脂肪等在食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。物中所占的比例。各种食物平均来说,消各种食物平均来说,消耗 一 升 氧 约 能 产 生耗 一 升 氧 约 能 产 生2.02104J的能量。的能量。氧消耗率氧消耗率: 单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。食物食物氧热当量氧热当量/(107Jm-3)醣醣蛋白质蛋白质脂肪脂肪乙醇乙醇标准平均值标准平均值2.1131.8661.9832.0332.023. 健康状况与最大耗氧率的关系健康状况与最大耗氧率的关系表表42 人体健康水平和耗氧率人体健康水平和耗氧率
5、人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧烈程人的健康状况以及他所能进行各类体力活动的剧烈程度,也取决于其耗氧能力,即做功能力的大小为耗氧度,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。能力所制约。健康水平健康水平最大耗氧率最大耗氧率(mLmin-1kg-1)很差很差差差尚好尚好好好最好最好28344252704. 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率各类活动水平的耗氧率和分解代谢率表表4-3 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率各类活动水平的耗氧率和分解代谢率 基础代谢率基础代谢率(BMR): 当人处于完全静息状态下的代谢率。当人处于完全静息状态下的代谢率。 dE/dt=2.929105J
6、/h80W哺乳类动物基础代谢率与质量关系:哺乳类动物基础代谢率与质量关系:dE/dt=cM3/4 c3.766105J/(kg3/4h)活动水平活动水平耗氧率耗氧率/(mLmin-1kg-1)以质量以质量65kg人为准人为准分解代谢率分解代谢率/(Jh-1)睡眠睡眠轻微活动轻微活动 (演讲、散步、家务演讲、散步、家务)中等活动中等活动 (骑自行车骑自行车16km/h, 赛马赛马)剧烈活动剧烈活动 (踢足球、锯木踢足球、锯木)甚剧烈活动甚剧烈活动 (篮球赛、快速游泳篮球赛、快速游泳)极剧烈活动极剧烈活动 (自行车竞赛自行车竞赛43km/h)3.510202530702.929 1058.368
7、1051.674 1062.092 1062.510 1065.858 106第二节第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数生命现象研究的几个重要热力学函数4.2.1 焓焓(enthalpy)等压过程,引入态函数焓,等压过程,引入态函数焓,H =E+pVH=E+pV= E+W根据热力学第一定律,根据热力学第一定律, Q=E+W故故 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。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 吉布斯自由能吉布斯自由能(Gibbs free energy)等温等压过程,引用态函数吉布斯自由能等温等压过程,引用态函数吉布斯自由能, G=E
8、+pV-TS根据热力学第一定律根据热力学第一定律 Q=E+W 及第二定律及第二定律 dSdQ/T,最大功原理:最大功原理: dGpdV-dW意义:等温等压过程,系统对外做功意义:等温等压过程,系统对外做功吉布斯自由能减少吉布斯自由能减少若若dV 0,dW - dG(dW为非膨胀功为非膨胀功)4.2.3 生物生长过程中的熵生物生长过程中的熵熵熵(entropy): dS=dQ/T熵是系统状态有序性的量度。熵是系统状态有序性的量度。热力学第二定律:热力学第二定律: dSdQ/T。生物体的群体进化及个体发育过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。程是一个从简单到有序的过程。1969
9、年比利时学派提出了年比利时学派提出了“耗散结构耗散结构”的概念与理论,的概念与理论,为自然界存在的大量的为自然界存在的大量的(特别是在生物系统特别是在生物系统)远离平衡的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,非但不违反热力学第二定律,而是同样受热力象一样,非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,尚可以看到的趋向平衡的情景外,尚可以看到“达尔文达尔文”式的生动式的生动活泼的物质进化的情景。活泼的物质进化的情
10、景。孤立系统熵增大孤立系统熵增大生命系统熵减小生命系统熵减小熵在生物信息学中的应用熵在生物信息学中的应用人体蛋白质有人体蛋白质有10多万种,由多万种,由20种氨基酸按一定的编码组种氨基酸按一定的编码组成,每一种氨基酸由成,每一种氨基酸由4种碱基按照一定排列组成,问题是,种碱基按照一定排列组成,问题是,如果用如果用4种编码种编码20种氨基酸,每种氨基酸,每1种氨基酸至少需要几个种氨基酸至少需要几个碱基进行编码?碱基进行编码?碱基位数碱基位数可编码氨基酸数目可编码氨基酸数目信息量信息量(bit)141=4Log241=2242=16Log242=4343=64Log243=61950s, 物理学家
11、伽莫夫(物理学家伽莫夫(George Gamov)根据信息论提)根据信息论提出三联核苷酸密码编码出三联核苷酸密码编码20种氨基酸的推测。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。三联核苷酸编码得到证实,并逐一被破译。Log220=4.322bit第三节第三节 体温与体温的控制体温与体温的控制 人体中央体温人体中央体温: 372。人类生存环境温度人类生存环境温度: -30 +40。恒温性:是指机体得热和失热各因素千变万化情况下,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机体维持深部温度或体核温度 (即内环境温度即内环境温度) 在一较窄在一
12、较窄范围内的能力。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。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。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,进行得越快, (a) 酶的最适宜温度在酶的最适宜温度在3637,过高导致酶变性,催,过高导致酶变性,催化作用丧失。化作用丧失。(2) 体温下降,有可能完全阻止酶的活性。体温下降至体
13、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。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,若降至以下则会引起调温系统失灵,若降至28,更会,更会引起心室纤颤甚至死亡。引起心室纤颤甚至死亡。(b) 体温提高到体温提高到41, 中枢神经系统功能开始衰退且会中枢神经系统功能开始衰退且会出现惊厥,出现惊厥,(c) 温度进一步提高到温度进一步提高到45便会造成蛋白变性及死亡。便会造成蛋白变性及死亡。4.3.1 体温体温1. 体核温度体核温度(core temperature): 人体躯干核心的温度。人体躯干核心的温度。测量体核温度的部位通
14、常为直肠、口腔、食管、耳膜以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。认为是真正的体核温度。食管温度食管温度: 能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。肛温肛温: 直肠热惯性大直肠热惯性大, 不适于进行变化较快的温度量度。不适于进行变化较快的温度量度。耳膜温度耳膜温度: 耳膜热惯性小,耳膜热惯性小,能反映温度变化最快。能反映温度变化最快。环境温度为环境温度为530时,人体活动时的体核温度只是代谢时,人体活动时的体核温度只是代谢率的函数,率的函数
15、,环境温度高于环境温度高于30 ,因出现热应激,体核温度上升。,因出现热应激,体核温度上升。2. 皮肤温度皮肤温度(skin temperature)皮肤温度是一个不确定的概念,随体表部位的不同而不皮肤温度是一个不确定的概念,随体表部位的不同而不同。常用的皮肤温度是一平均值,选取不同部位测试点同。常用的皮肤温度是一平均值,选取不同部位测试点的皮肤温度加权平均。如:的皮肤温度加权平均。如:10,8,6,4,3点法点法,如四点法:如四点法:T皮0.2(T小腿+T大腿)+0.3(T胸+T上臂)如三点法:如三点法:T皮 0.5T胸 +0.36T小腿+0.14T上臂3. 体温体温(body temper
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