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第4章-1 能量与代谢 本章内容提要 1) 热力学的几个基本概念 2) 非平衡系统与耗散理论 3) 什么是新陈代谢 4) 能量流通与交换的媒介---ATP的结构 5) 酶催化反应特点与机制 6) 酶的结构与分类 7) 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 1) 生物能学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. 2) 变温动物 与恒温动物 两栖类与爬行动物属于变温动物, 其体温随环境温度的变化而变化, 环境温度每上升10OC, 反应速率增加一倍. 鸟类和哺乳动物为恒温动物, 依赖体内代谢产生的热量维持体温, 使其可选择更广阔的生活环境. 3) 体形大小与代谢速率 生物代谢速率一般与体形大小成反比, 因为体形小的生物体表面积更大, 相对体积而言散发更多的热量. 熵, 焓和自由能定义 1) 焓(enthalpy): 化学反应中反应物或产物 总的化学键能称为焓(H), 单位:J/mol 2) 自由能(free energy): 在恒定温度和压力条件下可以做工的能量(G), 单位:J/mol 热力学中所指的熵(entropy)(S)，是指系统所处的无序状态的度量, 单位: cal/mol.K 热量被温度所除的值，即Ｓ＝Ｑ／Ｔ 熵, 焓和自由能之间的关系 公式: △G=△H－T△S G:自由能, H:焓, S:熵, T:绝对温度 1) △G＜0时, 为放能反应. △G＞0时, 为吸能反应. “△”表示“增量” 2) 当化学反应产物所含能量低于反应底物时, △H＜0, 为放能反应, 焓减少. 当化学反应的产物所含能量高于反应底物时, △H＞0, 为吸能反应, 焓增加. 3) 当反应产物的复杂性减少, 无序性增加时, S 值增加. 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S值增加, 无序性增大. 热力学与生命系统 1）热力学第二定律指出, 在一个封闭的体系内, 无序性 趋向于增加, 即熵值增大. 2）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，似乎违反热力学第二定律。 3）1870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，Maxwell‘s demon ）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“妖”，结果失败。1944年，奥地利学者薛定谔 首次在其专著＜生命是什么？－活细胞的物理面貌＞ 中直接引入“负熵”这个特殊的概念. 他认为系统一 方面不断增熵，另一方面，又不断从系统外部获得负 熵，这样，有机生命体得以发展和进化下去． 麦克斯韦妖Maxwell‘s demon Maxwell imagines one container divided into two parts, A and B. Both parts are filled with the same gas at equal temperatures and placed next to each other. Observing the molecules on both sides, an imaginary demon guards a trapdoor between the two parts. When a faster-than-average molecule from A flies towards the trapdoor, the demon opens it, and the molecule will fly from A to B. The average speed of the molecules in B will have increased while in A they will have slowed down on average. Since average molecular speed corresponds to temperature, the temperature decreases in A and increases in B, contrary to the second law of thermodynamics. 热力学: 平衡态与非平衡态 1)平衡态: 系统内或系统与外界的一切不平衡势能均不存在, 系统内的各点参量是均匀一致的, 尤其各点温度是一致的, 另外系统与外界不伴随熵流。 2) 非平衡态: 耗散结构 (dissipative structure) 系统是开放的, 远离