《卢大儒 《生命科学导论》课件第7章生导能量与代谢2012》由会员分享，可在线阅读，更多相关《卢大儒 《生命科学导论》课件第7章生导能量与代谢2012（120页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 能量与代谢本章内容提要本章内容提要1)热力学的几个基本概念热力学的几个基本概念2) 2) 非平衡系统与耗散理论非平衡系统与耗散理论3) 3) 什么是新陈代谢什么是新陈代谢4) 4) 能量流通与交换的媒介能量流通与交换的媒介-ATP-ATP的结构的结构5) 5) 酶催化反应特点与机制酶催化反应特点与机制6) 6) 酶的结构与分类酶的结构与分类7) 7) 酶促化反应的专一性与可控性酶促化反应的专一性与可控性地球三极生态系统-能量循环生物能学生物能学1)生物能学生物能学研究生物整个机体与环境互作中的研究生物整个机体与环境互作中的能量交换与利用的规律能量交换与利用的规律.2)变温动物变温动物与
2、恒温动物与恒温动物两栖类与爬行动物两栖类与爬行动物属于变温动物属于变温动物,其体温随环境温度的变化而其体温随环境温度的变化而变化变化,环境温度每上升环境温度每上升10OC,反应速率增加反应速率增加一倍一倍.鸟类和哺乳动物为恒温动物鸟类和哺乳动物为恒温动物,依赖体依赖体内代谢产生的热量维持体温内代谢产生的热量维持体温,使其可选择更使其可选择更广阔的生活环境广阔的生活环境.3)体形大小与代谢速率体形大小与代谢速率生物代谢速率一般与生物代谢速率一般与体形大小成反比体形大小成反比,因为体形小的生物体表面因为体形小的生物体表面积更大积更大,相对体积而言散发更多的热量相对体积而言散发更多的热量.熵熵,焓和
3、自由能定义焓和自由能定义1)焓焓(enthalpy):化学反应中反应物或产物化学反应中反应物或产物总的化学键能称为焓总的化学键能称为焓(H),单位单位:J/mol2)自由能自由能(freeenergy):在恒定温度和压力在恒定温度和压力条件下可以做工的能量条件下可以做工的能量(G),单位单位:J/mol3)热力学中所指的熵热力学中所指的熵(entropy)(S)，是指系，是指系统所处无序状态度量统所处无序状态度量,单位单位:cal/mol.K热量被温度所除的值，即热量被温度所除的值，即 熵熵, , 焓和自由能之间的关系焓和自由能之间的关系公式公式:G=HTS G:自由能自由能,H:焓焓,S:熵
4、熵,T:绝对温度绝对温度1)G0时时,为放能反应为放能反应.G0时时,为吸能反为吸能反应应. “”表示表示“增量增量”2)当化学反应产物所含能量低于反应底物时当化学反应产物所含能量低于反应底物时,H0,为为放能反应放能反应,焓减少焓减少.当化学反应的产物所含能量高于反应底物时当化学反应的产物所含能量高于反应底物时,H0,为为吸能反应吸能反应,焓增加焓增加.3)当反应产物的当反应产物的复杂性减少复杂性减少,无序性增加时无序性增加时,S 值值增加增加.在一个没有外界能量输入的封闭系统中在一个没有外界能量输入的封闭系统中,反应的方向是趋向反应的方向是趋向S值增加值增加,无序性增大无序性增大.热力学与
5、生命系统热力学与生命系统1 1）热力学第二定律热力学第二定律指出指出, , 在一个封闭的体系内在一个封闭的体系内, , 无序性无序性 趋向于增加趋向于增加, , 即熵值增大即熵值增大. .2 2）生命的演化是从无序到有序，是有序性趋向于增加，生命的演化是从无序到有序，是有序性趋向于增加， 熵值减少熵值减少，似乎违反热力学第二定律。，似乎违反热力学第二定律。3 3）18701870年，英国物理学家麦克斯韦设想在系统中一定存年，英国物理学家麦克斯韦设想在系统中一定存 在某个东西（麦克斯韦妖）来不断吸收熵，使系统保在某个东西（麦克斯韦妖）来不断吸收熵，使系统保持有序和发展，他一直努力的寻找这个持有序
6、和发展，他一直努力的寻找这个“妖妖”，结，结果失败。果失败。19441944年，奥地利学者薛定谔首次在其专著年，奥地利学者薛定谔首次在其专著生命是什么？中直接引入生命是什么？中直接引入“负熵负熵”这个特殊的这个特殊的概念概念. . 他认为他认为系统一方面不断增熵，另一方面，又系统一方面不断增熵，另一方面，又不断从系统外部获得负熵，不断从系统外部获得负熵，这样，有机生命体得以这样，有机生命体得以发展和进化下去发展和进化下去 热力学热力学: : 平衡态与非平衡态平衡态与非平衡态1)平衡态平衡态:系统内或系统与外界的一切不平系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在衡势能均不存在, , 系统内的各点
7、参量是均系统内的各点参量是均匀一致的匀一致的, , 尤其各点温度是一致的尤其各点温度是一致的, , 另外另外系统与外界不伴随熵流。系统与外界不伴随熵流。 2)非平衡态非平衡态:耗散结构耗散结构 (dissipative (dissipative structure)structure)系统是开放的系统是开放的,远离平衡态，远离平衡态，并与外界不断发生能量交换并与外界不断发生能量交换,即有负熵输即有负熵输入入,系统可从无序变为有序系统可从无序变为有序.普利高津普利高津与耗散理论1) 1) 热力学第二定律告诉人们：物质的演化总是热力学第二定律告诉人们：物质的演化总是朝熵增朝熵增加、向混乱的方向加、
8、向混乱的方向进行。可是，进化论则告诉我们：进行。可是，进化论则告诉我们：生物的进化则是由生物的进化则是由低级到高级，朝熵减少、向有序低级到高级，朝熵减少、向有序的方向的方向进行。前者给出了进行。前者给出了“宇宙热寂说宇宙热寂说”的结论，的结论，即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进即退化的时间箭头，而后者则与之相反，给出了进化的时间箭头。化的时间箭头。2) 2) 普利高津认为，要把热力学和动力学，热力学与生普利高津认为，要把热力学和动力学，热力学与生物学统一起来，必须研究自然界中存在的远离平衡物学统一起来，必须研究自然界中存在的远离平衡态的有序结构、生物和生命现象，必须朝着更为普态的有序
9、结构、生物和生命现象，必须朝着更为普遍的热力学理论方向发展。遍的热力学理论方向发展。3) 3) 经过经过2020多年的努力，普利高津与布鲁塞尔学派的同多年的努力，普利高津与布鲁塞尔学派的同事们创立了一种新的关于非平衡系统自组织理论事们创立了一种新的关于非平衡系统自组织理论耗散结构理论耗散结构理论。 耗散理论4)4)按照耗散结构理论，一个远离平衡态的开放系统，按照耗散结构理论，一个远离平衡态的开放系统，无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还无论是力学的、物理的、化学的、生物学的，还是社会的、经济的是社会的、经济的系统，如果不断地与外界交换系统，如果不断地与外界交换物质和能量，物质和能量，在外
10、界条件变化过渡到在外界条件变化过渡到一一定定程度，程度，系统内部某个参量变化过渡到一个临界系统内部某个参量变化过渡到一个临界值值时，经时，经过涨落系统可能发生突变，过涨落系统可能发生突变，即非平衡相变即非平衡相变 或涌现。或涌现。该系统由原来的混乱无序状态转变为一该系统由原来的混乱无序状态转变为一 种在时间上、空间上或功能上的有序状态。种在时间上、空间上或功能上的有序状态。由于对非平衡热力学特别是耗散结构理论所作的由于对非平衡热力学特别是耗散结构理论所作的 重大贡献，重大贡献，普利高津于普利高津于19971997年荣获诺贝尔化奖年荣获诺贝尔化奖. .Theory of Dissipative
11、Structure 达到耗散结构达到耗散结构几个必要条件几个必要条件:一一是系统必须是是系统必须是开放的开放的，即系统必须与外界进行物质、能，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；量的交换；二二是系统必须是是系统必须是远离平衡态远离平衡态的，系统中物质、能量流和热的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；力学力的关系是非线性的；三三是系统内部不同元素之间存在着是系统内部不同元素之间存在着非线性互作非线性互作，并且需要，并且需要不断不断输入能量输入能量来维持。来维持。耗散结构是研究复杂性系统生成规律的理论依据。生耗散结构是研究复杂性系统生成规律的理论依据。生命系统是典型的复杂系统。如涨落
12、导致有序，系统中的命系统是典型的复杂系统。如涨落导致有序，系统中的任何一个元素都有可能随时发生变化，而且任一元素的微任何一个元素都有可能随时发生变化，而且任一元素的微小变化都能使得整个系统中的其它元素发生变化，并最终小变化都能使得整个系统中的其它元素发生变化，并最终形成一个新的相对稳定状态。形成一个新的相对稳定状态。 普利高津普利高津(Ilya Prigogine)普利高津普利高津, ,莫斯科人莫斯科人, ,布鲁塞尔自由大学布鲁塞尔自由大学化学博士化学博士;1951;1951年起任该校理学院教授，年起任该校理学院教授，19591959年担任索尔维国际物理及化学研究年担任索尔维国际物理及化学研究
13、所所长。所所长。19671967年他来到德州大学奥斯汀年他来到德州大学奥斯汀分校任物理学和化学工程的教授分校任物理学和化学工程的教授,1977,1977成为成为RegentalRegental教授教授,1984,1984年成为年成为AshbelAshbel SmithSmith教授教授. . 在奥斯汀时，他开创了研究统计力学和复在奥斯汀时，他开创了研究统计力学和复杂系统的伊利亚杂系统的伊利亚. .普利高津中心普利高津中心, ,即后来的热力学和统即后来的热力学和统计力学中心。计力学中心。普利高津博士普利高津博士于于20032003年年5 5月月2828日在比利日在比利时时布布鲁鲁塞塞尔尔的伊拉斯
14、的伊拉斯谟谟医院病逝医院病逝, ,享年享年8686岁岁。 什么是代谢? ?生物体内生物体内全部化学物质的转化和能全部化学物质的转化和能量的转化过程量的转化过程称为代谢称为代谢,涉及涉及:1)物质转化物质转化:合成或分解合成或分解即同化作用与异化作用即同化作用与异化作用.2）能量转化）能量转化:释放或吸收释放或吸收生物体要维持其生命活动，必需生物体要维持其生命活动，必需消耗能量。消耗能量。放能反应与吸能反应放能反应与吸能反应1.反应物的总能量反应物的总能量生成物的总能量生成物的总能量,放出能量放出能量,为放能反应为放能反应.2.反应物的总能量反应物的总能量生成物的总能量生成物的总能量,吸收能量吸
15、收能量,为吸能反应为吸能反应.3.形成生成物的化学键要放出能量形成生成物的化学键要放出能量,断开反应物的化学键要吸收能量断开反应物的化学键要吸收能量.4.化学反应完成后的结果是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的化学反应完成后的结果是吸收能量还是放出能量，决定于反应物的总能量与生成物的总能量的相对大小总能量与生成物的总能量的相对大小。人体各种运动消耗的能量比较人体各种运动消耗的能量比较活活动动体重体重65.5kg每小时耗能每小时耗能(Kcal)-骑自行车骑自行车(快快)514骑自行车骑自行车(慢慢)170跳舞跳舞(慢慢)202跳舞跳舞(快快)599体操体操186实验室工作实验室工作73弹钢琴弹
16、钢琴73跑步跑步865打字打字28下棋下棋30站立站立32游泳游泳(2mph)535 细胞中的耗能活动-消耗ATP细胞中的耗能活动涉及三个主要方面细胞中的耗能活动涉及三个主要方面:1)膜内外的物质转膜内外的物质转运运;2)细胞内的做工细胞内的做工机械运动机械运动;3)生化反应生化反应.动物体内能量的源泉最终能源： 太阳能最直接的能源： ATP最主要的能源： 葡萄糖主要的存储能源： 脂肪能量货币-ATP的结构与功能ATP高能键的化学基础 ATP促使耗能反应ATP 的循环再生每人一天每人一天ATPATP、ADPADP代谢总量可达代谢总量可达 40 kg40 kg！ATP的产生的产生1)光合作用可直接产生光合作用可直接产生ATP2)糖酵解和三羧酸循环过程产糖酵解和三羧酸循环过程产生生ATP3)氧化磷酸化产生氧化磷酸化产生ATP代谢的核心-酶 生物体内一切生化反应都必需酶生物体内一切生化反应都必需酶的参与的参与:1）定义）定义2）分类）分类3）酶促反应）酶促反应4）催化机制）催化机制酶酶,enzyme希腊语希腊语: : in yeast; 酵素酵素 酵母/ 细胞， 发酵生命体内催化化学反应的物
