第四章生物热力学
生物能量转换的热力学原理
生物能量转换的热力学原理热力学是研究能量转换与传递的物理学分支，广泛应用于生物学领域。
生物能量转换是指生物体内能量的转化过程，其中热力学原理起着至关重要的作用。
本文将通过介绍生物能量转换的基本原理和机制，揭示热力学在生命活动中的重要性。
一、生物体的能量来源生物体获取能量的主要来源是光合作用和化学能转化。
光合作用是指植物通过光能转化为化学能的过程，产生了大量的有机化合物，如葡萄糖。
而化学能转化主要发生在细胞内，通过代谢过程将有机物中的化学能转化为生物体所需的能量。
二、热力学中的自由能自由能是热力学中用于衡量系统能量状态的重要参数。
在生物体内，自由能可分为两部分：化学能（G）和熵（S）。
化学能指的是化学反应所涉及的能量变化，可以衡量其中包含的有效能量。
而熵则代表系统的无序程度，反映了系统的混乱度。
自由能的变化与生物体内能转换和代谢过程密切相关。
三、生物能量转换的热力学过程生物体内的能量转换遵循热力学的法则，主要包括吸热、放热、熵变等。
生物体通过新陈代谢将有机物中的化学能转化为能够进行生命活动的能量，并将剩余的能量以热的形式释放出去。
这个过程中，系统的熵不断增加，有序度降低。
四、热力学原理在生物体内的应用1. ATP的合成与水解ATP是细胞内储存和传递能量的主要分子。
在细胞内的一系列酶催化反应中，ADP和无机磷酸通过耗能反应生成ATP，这个过程称为ATP的合成。
而ATP水解则是在需要能量的生物活动中，ATP分子被酶水解为ADP和无机磷酸，释放出能量。
2. 酶的作用机制酶是生物体内催化化学反应的蛋白质分子。
酶可以通过调控反应底物的能量状态，降低反应的活化能，从而促进反应的进行。
这个过程符合热力学的最小作用力原理，即能量在转化过程中总是倾向于寻找能量最低的状态。
3. 基因转录与翻译生物体的遗传信息以DNA分子的形式存储，为了使遗传信息能够被细胞转录和翻译为蛋白质，必须消耗能量。
这个过程符合热力学的正向熵变原理，即在转录和翻译过程中，系统的有序度增加，而熵增加。
生物学中的热力学研究
生物学中的热力学研究在自然科学领域中，热力学是一门重要的学科，它主要研究热、能量及它们与物质之间的相互作用。
而在生物学领域中，热力学同样也占有重要的位置，它被应用于人类生理学、动物生态学、微生物生态学等不同领域的研究中。
本文将重点介绍在生物学领域中热力学的应用和研究。
一、生物热力学的基本概念生物热力学主要关注于生物体系吸收和释放热能的过程。
它是研究生物系统能量转化的一门科学。
在生物学中，生物体系与周围环境之间的能量交换主要通过热传递的方式完成。
而生物体内的各种化学反应都伴随着能量的变化，因此，热力学中的化学热力学也成为了生物热力学中的重要概念。
生物体系的热力学研究主要涉及到三个主要参数：温度、熵和焓。
在生物体系中，熵是非常重要的一个参数，它是指系统的混乱程度。
因此，熵的变化可以反映生物体系中能量流动的方向和过程。
另外，焓代表的是能量的总量，它可以体现出生物体系中的吸热和放热过程。
在生物体系中，焓一般作为一个状态函数，可以度量系统的热力学状态。
二、生物体系的热力学特征生物体系的热力学特征与其他物理化学体系的热力学特征存在很大的差异。
首先，生物体系中的物质是非常复杂的，它们之间存在着多种相互作用。
同时，生物体系中的物质也包含着相当多的稳态和非平衡态。
因此，热力学在研究生物体系时需要充分考虑其动态变化的特性。
另外，生物体系中的水是一个非常特殊的物质，它的化学性质和物理性质都非常复杂。
在生物体系中，水的存在对于化学反应和能量转移产生了广泛而深远的影响。
同时，水的密度和热容量也非常重要，它们对于物质传递和热传递都具有非常重要的作用。
三、生物热力学的应用生物热力学在不同领域的应用非常广泛，特别是在生态学、生物医学、皮肤生理学等领域中。
其中，生态学是最为重要的一个领域。
因为在生态学研究中，热力学可以用于分析生物群落之间的能量和物质交换，以及它们之间的关系。
在生物医学领域中，生物热力学已经成为了一项非常重要的技术。
第四章生物热力学要点
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。
(c) 温度进一步提高到45℃便会造成蛋白变性及死亡。
(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。
4.3.1 体温
1. 体核温度(core temperature) : 人体躯干核心的温度。
Log241=2
Log242=4 Log243=6
Log220=4.322bit
1950s, 物理学家伽莫夫（George Gamov）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。
第三节
体温与体温的控制
人类生存环境温度: -30 ~ +40℃。人体中央体温: 37±2℃。 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。
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 若dV 0，dW ≤ - dG 意义：等温等压过程，系统对外做功≤吉布斯自由能减少 （dW为非膨胀功）
生物热力学研究的统计力学方法
生物热力学研究的统计力学方法生物热力学研究可以帮助我们更好地理解生命活动的本质。
而热力学第一定律和第二定律是描述能量转换过程的一系列基本原理，也是热力学研究的基石。
然而，当我们将热力学和生物学结合起来，很容易遇到各种问题。
当今，统计力学方法正在被越来越多地应用于生物热力学研究中，以求更好地解决这些问题。
统计力学的基本思想是利用概率论的方法，研究大量微观粒子在宏观上的行为。
与热力学不同的是，热力学是从宏观层面上研究物质的热现象和能量变换，并不考虑分子的详细信息。
而统计力学则通过描述大量微观粒子的运动和相互作用来推导宏观性质。
这种方法在生物学领域中被称为生物统计力学方法。
在生物热力学研究中，统计力学方法可以从分子水平上理解生命活动的性质。
例如，生物能量的转换与生物分子的特定构象有关。
我们很难根据宏观性质推断某种生命活动的机制。
而利用统计力学方法，我们可以模拟生物分子在不同条件下的行为，借此来研究它们的结构和动力学特性。
在生物热力学研究中，分子动力学模拟是一种常用的方法。
分子动力学模拟是运用计算机模拟高分子分子间相互作用，相对位置的动力学行为，从而了解生命活动过程的物理机制。
通过分子动力学模拟可计算或模拟生物分子如蛋白质甚至是多细胞系统的随机运动，距离、速度、角速度等相关物理量，并对多重参数的影响进行分析。
这种方法可以用于刻画分子的力学特性、采样分子的结构空间和预测分子性质等。
相比较而言，蒙特卡罗模拟又是一种基于概率的模拟算法。
它不像分子动力学模拟那样考虑粒子的运动，而是基于随机抽样。
蒙特卡罗模拟的优点在于能够模拟更为复杂的生物分子系统，同时也可以考虑更多不同的物理过程，例如蛋白质折叠和聚集等。
蒙特卡罗模拟可以基于Monte Carlo方法通过随机生成大量的数据集，借此得到物理量的分布规律。
在统计力学方法中，熵和自由能是关键的概念。
在生物体系中，物质流动和转换通常是非常混乱的，而这些混乱程度就可以通过熵来表达。
分子与细胞生物学中的热力学
分子与细胞生物学中的热力学热力学是物理学的一个分支，它研究热的传递和能量的转换。
在分子与细胞生物学中，热力学也扮演着重要的角色。
在本文中，我们将探讨分子与细胞生物学中的热力学。
分子与热力学分子是生命的基本单位。
分子之间的化学反应、分子的运动与互动，都需要一定的能量。
而这些能量来自于分子内部和分子之间的热力学状态。
热力学第一定律指出：能量在守恒。
它可以转化为热能、势能和动能。
在分子层面，热量也可以转化为分子的运动和化学反应。
当分子发生化学反应时，会释放或吸收能量。
而当分子运动时，它们也会吸收和释放能量。
热力学第二定律则规定了所有系统趋向于稳定状态的方向。
也就是说，热量会流向较为冷的物质，而不会流向热的物质。
在生物体内，热量的传递也遵循这个规律。
例如，当身体处于寒冷环境中时，身体会自动调节以产生更多的热量，以保持体温稳定。
细胞与热力学细胞是人们熟知的分子的集合体。
细胞内部的许多过程，如代谢、运动、分裂等，都需要一定的能量。
而这些能量来源也是热力学。
例如，细胞通过ATP（三磷酸腺苷）来存储和传递能量。
当ATP水解时，会释放出一定的能量。
这些能量可以用于细胞内部的代谢和运动，如肌肉运动、细胞骨架的重塑、细胞分裂等。
细胞膜也是一个重要的热力学系统。
当细胞处于稳定状态时，细胞膜内外的温差也会影响细胞膜和细胞内部的化学反应。
例如，细胞膜内部的酶与外界物质的反应速率会因温度的变化而有所变化。
细胞内的热力学反应尤其受到温度和浓度的影响。
当环境温度升高时，细胞内的化学反应速率也会加快。
而当环境浓度升高时，细胞内的渗透压也会增加，会影响细胞内的流体动力学和代谢过程。
结论热力学是分子与细胞生物学中一个重要的研究领域。
热力学定律和原理揭示了分子和细胞内部的能量转化和物质运动规律。
这种研究有助于深入理解细胞和有机体的运动和功能，也为生物医学研究提供了新的思路和方法。
生物分子中的动力学和热力学
生物分子中的动力学和热力学生物分子是人类了解生命本质的重要关键。
其中的分子结构包含了很多生命活动的基础。
分子的动力学和热力学机制控制了生命的多种活动中的很多方面。
动力学是关于物体运动的学问，研究物质在不同的情况下的变化和转化。
生物分子中的动力学研究分子的振动、转动、运动和衍射等，即生物分子运动的物理学。
热力学是热和能量转化的学问，在化学、动力学、物理和环境学等领域中均具有广泛的应用。
生物分子的热力学研究生命机制中的能量和热量之间的关系。
生物分子中的动力学动力学意味着协调和混沌。
在生物分子中，动力学可以通过分子的能量、结构和物理性质进行研究。
分子的振动、转动和位移是分子动力学的主要特征。
在动力学的范畴内，分子的振动是生物分子运动的基础。
分子的振动反映着分子能量的变化，而能量的变化则直接影响分子的结构和功能。
生物分子的振动性质研究对了解生物大分子结构和功能的影响至关重要。
同样，转动和位移也是生物分子动力学的重要组成部分，转动和位移变化会对分子的结构和功能产生很大的影响。
通过这些动力学的变化可以研究分子在不同状态下的行为和属性。
生物分子中的热力学热力学的主要目的是研究物理系统如何获得和放出热量，以及这些热量对能量的转换和转移的影响。
这些热量变化会影响许多生物分子的性质和功能。
生物分子中最常见的热力学效应是热化学反应。
热化学反应是指一种反应中热量的收入或者作为自由能释放的过程。
生物大分子的一些功能是依赖于化学反应中的热化学反应来实现的。
热力学还涉及熵和热力学势。
熵是物质系统的基本性质之一，它是指系统中无序程度的量。
自由能和激活能是生物分子的两个主要热力学势。
自由能是能进行比较的量，可用于预测热化学反应的方向。
激活能是使反应发生的最低能量要求，对于生物分子的化学反应十分重要。
结论生物分子是生命机制中的核心元素。
分子动力学和热力学机制是控制生物分子行为和属性的一系列基础原理。
这些原理可以用于研究分子的结构、功能和运动，从而有助于更好地理解生命的本质。
第四章 光合作用
第四章光合作用按照热力学第二定律，一个系统中的自发过程总是朝着熵值不断增大的方向进行，如果将生物体当作一个系统，生物体的生长发育过程却是一个从无序到有序或者说是一个有序性增加的过程，这似乎与热力学第二定律相悖，这一问题曾长期困惑着生物学家和物理学家。
但在这里，他们忽略了一个基本问题，即生命体不是一个孤立系统，它是在不断地同外界进行物质和能量交换，生物体维持其有序性或生长发育是以不断消耗能量为代价的，就象制冰机要将液态水变成更为有序的固态冰，需不断消耗电能一样。
一、生物体的获能方式按热力学第一定律，生物体不能自己创造能量，只能从外界获取能量。
交总体说来，生物体获取能量，有两种方式：1、自养型生物（如植物和行光合作用的藻类）：利用光合作用将和转化成有机化合物，（如糖、脂肪、蛋白质等），将光能转化为化学能供机体选用。
这类生物在生态系统中是生产者。
+ + —→有机物（糖、脂肪、蛋白质等）（化学能）2、异养生物（动物和绝大多数微生物）：从自养生物那里获取有机物，依靠有机物的分解获取能量，这类生物在生态系统中是消费者。
因此，从整个物质世界的角度来看，生物体及生命过程只不过是一种物质和能量的转换机构和转换过程而已。
对活的生物体而言，其所需的能量归根结底来自太阳能，光合作用是将太阳能转换成生物能的一种途径。
二、生命体的能量通货——ATP生物体并不能直接利用有物中的化学能，而是首先需要将有机化合物分解，将其中的化学能转移到ATP分子中，再由ATP分解释放能量提供给需能过程。
（如神经冲动的传导与神经纤维膜内外的NA.K+分布不均形成的电位有关.这一电位差由分解ATP的NA.K+泵来完成.）所以，ATP是细胞（生物体）的能量通货。
1、ATP的分子结构：ATP：腺苷酸呤核苷三磷酸（O2腺苷三磷酸，O2三磷酸腺苷）特点：ATP不稳定，含有两个高能磷酚键（），水解时断裂放出能量：ATP + H2O →ATP + H2O →2、生物体内化学能的利用生物体摄取的有机物，在酶的催化作用下，氧化分解，将贮存其中的化学能的自由能的形式释放，释放出的自由能一部分使熵值增加，一部分以热能形式散发或维持体温；一部分用于促进ADP与P结合生成ADP以高能磷酸酯键的形式贮存在ATP中。
热力学第四章
第三十七页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
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第三十二页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
第三十三页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
第三十四页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
第三十五页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
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第二十三页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
第二十四页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
第二十五页，编辑于星期二：十一点 五十五分。
生物物理学中的热力学研究
生物物理学中的热力学研究生物物理学是研究生物体内物理现象的学科。
而其中热力学的研究则是非常重要的一部分。
因为从热力学的角度，我们可以揭示许多生物体内发生的物理现象，并且指导生物医学的发展。
本文将从热力学的角度分析生物物理学的研究，探究它对生物学科研的重要性。
1. 热力学在生物体内的运用生物体内众多的化学反应和生理现象都和热相关。
例如细胞利用ATP作为能量来源，就是因为ATP在水解反应过程中释放出的能量。
而这个过程也是热力学中的一个重要概念——氧化还原反应。
氧化还原反应就是将电子从一个物质转移到另一个物质的过程，它往往也伴随着能量的释放或吸收。
这也就是细胞释放或吸收能量的基本机制。
除了细胞内的氧化还原反应，热力学还可以解释生物体内的多种现象。
例如，生物体内的食物分解和吸收也涉及到热力学。
完全氧化1克葡萄糖需要产生多少 ATP 分子，可以根据熵变公式计算得出：ΔS = k ln (Wf / Wi) + q / T ，其中ΔS 是体系的熵变，k 是玻尔兹曼常数，Wf 和 Wi 分别是最终和初态的微观状态数，q 是体系的热量，T 是温度。
这就可以帮助我们了解身体在吸收食物时需要多少 ATP 分子。
除此之外，生命进化也可从热力学角度论证。
生命进化是一个如同化学反应般的过程。
生命的起源、进化和分化，都需要从低质量环境中吸收能量，将之转化为有结构的高质量状态，即把高熵状态转化为低熵状态。
这些过程也符合热力学中的熵变定律。
热力学的应用，让我们对生命的起源和演化有了更深刻的了解，也为探究生命之谜提供了一个新的角度。
2. 热力学在生物医学中的应用在医学领域，热力学的应用也是非常广泛。
热力学中的热容量、热传导、热流等概念，都和医学诊断、治疗密切相关。
例如，我们可以利用热的传导性质，来检测肿瘤。
肿瘤的细胞密度和新陈代谢比周围正常细胞高，因此会产生更多的热量，使组织的温度升高。
我们可以通过红外线扫描来检测组织温度的变化，从而发现肿瘤所在位置。
第4章热力学第二定律2(熵概念推广,耗散结构))_117705318
三个箭头所指方向一致ຫໍສະໝຸດ 5三. 熵与信息简介
6
信息量与信息熵
1. 信息量 信息需要载体（ 语言文字、音符、图表…）， 比较不同载体传递的信息量很困难。 1948年信息论的创始人 香农（Shannon）从 概率的角度给出信息的定义： （1）信息的获得意味着在各种可能性中概
率分布的集中
7
例如，在不同信息下，要去某楼找某人：
要活着---身体保持低熵状态
薛定谔：《生命是什么？》 “生命之所以能存在，就在于从环境 中不断得到 ‘负熵’” “有机体是依赖负熵为生的 ”
----生命的热力学基础
33
(碳水化合物 净水)
开放系统
(CO2 污水 排泄物等)
物质
(化学能)能量
有 机 体
物质 能量(功 热) 正熵
负熵
34
生长阶段
d e S > d i S 有序度增加 从一种
41
在分叉点以前，系统是平衡态或近平衡 态，在时间，空间上比较均匀对称；在分 叉点以后，系统处于有序的耗散结构状态， 破坏了原来的对称性 ，这称为对称性的 破缺。
38
3. 非线性非平衡态热力学（远离平衡态热力学） 外界的影响强烈，它引起系统状态的变化已 不是简单的线性关系，有它自己特有的规律。 例如，贝纳德实验中 T TC 时的情形。
这时,就有可能出现自组织现象。
下面用图线来表示以上的三种情况：
39
表 征 定 态 的 某 个 参 量
X
分叉现象
偏离平衡 的线性区 远离平衡的非线性区 (C ) 稳定的 耗散结构分支 不稳定的 热力学分支 稳定的 耗散结构分支
26
反 应 物 浓 度
接 近 平 衡 生 成 物 均 匀 、 对 称 、序 无 态比例 黄 色 （ B） 周 期 交 替 无 色 生 成 物 远 离 平 衡 态比例 颜 色 红 色 周 期 交 替 或 蓝 色 （Z）
生物热力学
2012-12-25
参考书目
Copyright 2010 Laboratory of Interfacial and Molecular Biotechnology. All rights reserved
热力学发展的简史
热力学的发展(1823-1882, core years)
– 一些此前建立的理论被推翻，取而代之以新的理论体系
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– 大量实验数据积累 – 应用电泳技术、园二色、酶活测定等 Pauling（鲍林）
第二个高潮（1981－1985）
– 折叠的中间结构的描述 – X射线衍射、红外光谱、内源荧光、质子 磁共振等
第三个高潮（1989－）
– 认识的深入 – 多种技术的综合应用、计算机技术的整合
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第四章 蛋白质的折叠的热力学与动力学
在孤立体系或绝热体系中系统一切可以发生
的过程要么是熵变为0（可逆，平衡态），
要么熵变大于0（不可逆）。熵不可能减小，
即熵总是增大的。
2.2热力学第二定律 之自由能判据
热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示
在恒定温度和压力条件下总能量中可以做
功的那一部分能量为自由能，以G表示
DG = DH-TDS
帕金森氏症（Parkinson disease）
某些肿瘤
Model）
该模型认为蛋白质的折叠起始于伸展肽链上的几个位点，在这 些位点上生成不稳定的二级结构单元或者疏水簇，主要依靠局部 序列的近程或中程（3-4个残基）相互作用来维系。它们以非特异 性布朗运动的方式扩散、碰撞、相互黏附，导致大的结构生成并 因此而增加了稳定性。进一步的碰撞形成具有疏水核心和二级结 构的类熔球态中间体的球状结构。球形中间体调整为致密的、无 活性的类似天然结构的高度有序熔球态结构。最后无活性的高度 有序熔球态转变为完整的有活力的天然态。
折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化 的结构, 因此ΔS链是负数, 则-TΔS链为正值。 ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。
热力学第二定律-耗散结构_图文
生物 生命
生物是远离平衡态的开放系统 生命过程是一种耗散结构 物种的产生 偶然性 物种的保护
麦克斯韦分布
麦克斯韦分布
其中 di S > 0：熵产生，由系统内部的不可逆过 程引起。 de S ： 熵流，可正可负。由系统与外部的能量和物
质交换引起。
自组织现象的解释
开放系统从外界接收负熵流 de S<0 且 |de S|>di S 系统的熵 d S = di S + de S<0 使系统由无序变到有序
负熵流
贝纳特实验中，流体系统是一个开放系统，随着热 量的流进流出，系统的熵在变化。若流进流出的热 量相等,为dQ 。
热力学第二定律-耗散结构_图文.ppt
第四章 热力学第二定律
*耗散结构介绍
耗散结构理论： 普利高津（I.Prigoging, 比利时)
1967年创立, 1977年获诺贝尔化学奖。
• 自组织现象 • 开放系统的熵变 • 远离平衡态的分叉现象
• 通过涨落达到有序
有序与无序
热力学第二定律说明了孤立系统中 的自然过程有方向性：
流进的熵
流出的熵
因为
所以
即流出的熵大于流进的熵 。
若净流出的熵超过了系统内部的“熵产生”，系统 的熵就减少，系统就从无序有序。
远离平衡态的分叉现象
1.平衡态热力学(经典热力学)
主要研究平衡态的性质.例如,贝纳特实验中 T=0 的情形。
2. 线性非平衡态热力学(近平衡态热力学）
外界的影响较小,外界的作用与系统状态的变化可 以看成简单的线性关系.
激光
激光器出激光，要输入足够的功率（开放系统） 才能造成粒子数反转的状态（远离平衡态）。
当有能量
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法
生物大分子相互作用的热力学原理及分析方法热力学原理：热力学是研究系统热力学性质的理论，可以用来描述生物大分子相互作用的驱动力和平衡状态。
热力学第一定律是能量守恒定律，它表示系统的内能变化等于吸收的热量减去对外界做功的量，即ΔU = Q - W。
其中，ΔU是系统内能的变化，Q是系统吸收的热量，W是系统对外界做的功。
热力学第二定律是描述系统的方向性和可逆性的定律，它表明自然界中存在一个不可逆的过程，即熵增原则。
熵是描述系统的无序程度的物理量，系统的熵变ΔS = S_final - S_initial，在一个孤立系统中，熵不会减少，只会增加或保持不变。
热力学第三定律是描述系统在绝对零度温度下的性质的定律，它表明所有物质在绝对零度时熵趋于0。
分析方法：1.热力学数据分析：热力学实验可用来测定生物大分子相互作用的热力学参数，如焓变（ΔH）和熵变（ΔS）。
根据热力学公式ΔG=ΔH-TΔS，可以计算出自由能变化（ΔG），并进一步分析生物大分子相互作用的驱动力和稳定性。
热力学数据分析可以通过比较不同条件下的热力学参数来研究生物大分子相互作用的影响因素。
2.结构生物学分析：结构生物学是研究生物大分子结构的学科，其中包括X射线晶体学、核磁共振（NMR）等技术。
通过结构生物学分析，可以获得生物大分子的三维结构信息，进而研究其在相互作用中所扮演的角色和相互作用的模式。
结构生物学分析可以从原子级别揭示生物大分子相互作用的机制。
3.分子力学模拟：分子力学模拟是通过计算机模拟的方法来研究生物大分子相互作用的过程和机制。
分子力学模拟可以通过计算大量分子的运动和相互作用力来预测分子的结构和性质。
通过分子力学模拟，可以模拟生物大分子在不同环境条件下的相互作用，研究其物理性质和动力学行为。
4.生物物理化学实验方法：生物物理化学实验方法包括光谱方法（如紫外吸收光谱、荧光光谱等）、动力学方法（如酶动力学、质谱分析等）和热力学方法（如差示扫描量热法、等温滴定量热法等）。
第四章生物热力学要点
第四章生物热力学要点生物热力学是研究生物体内能量流动与转化的一门科学。
它通过研究生物体内能量的产生、传递、转化和消耗等过程，揭示了生物体处于稳态的物质与能量的平衡。
第一要点：能量的产生与转化生物体内的能量主要来自于食物的摄取和呼吸过程。
食物经过消化吸收后，其中的化学能被转化为生物体所需要的能量。
在细胞内，能量转化主要通过细胞呼吸反应完成。
在细胞线粒体中，食物物质被氧化分解，产生大量的能量(ATP)，供细胞进行各种活动。
第二要点：熵的增加与熵摄取热力学中，熵是一种度量物质无序程度的参数，也是能量耗散和转化程度的指标。
生物体内的化学反应和能量转化过程都会产生熵的增加。
为了维持生物体内的有序状态，生物需要通过摄取外界能量来抵消熵的增加，即熵摄取。
例如，动物通过食物摄取能量，植物通过光能、化学能转化为化学能等方式摄取熵。
第三要点：自由能与代谢在生物体内，自由能是指可利用的能量，也是生物体维持生命活动所需的能量。
自由能可以通过代谢反应（即化学反应）进行转化和耗散。
代谢反应分为两类：合成代谢和分解代谢。
合成代谢是指生物体将能量转化为物质，用于生长、增殖和维持机体结构等。
分解代谢是指生物体将物质转化为能量，用于维持生活活动和运动等。
第四要点：能量平衡与稳态生物体内的能量转化是一个动态平衡的过程。
在能量平衡中，能量的输入和输出要达到平衡，以维持生物体的稳态。
当能量输入超过输出时，生物体会积累能量，导致体重增加；而当能量输出超过输入时，生物体会消耗储存的能量，导致体重减少。
能量平衡的破坏可能导致肥胖、消瘦等健康问题。
第五要点：高效能量转化的机制为了使能量转化更高效，生物体采用了一系列机制。
例如，生物体借助酶的催化作用，加速化学反应的速率，提高能量转化效率。
此外，生物体还通过增加微观界面面积，增加化学反应的发生概率，以提高能量转化效率。
第六要点：温度对生物热力学的影响温度是影响生物热力学过程的重要因素。
随着温度升高，生物体内的化学反应速率也会增加，能量转化效率也会提高。
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dQ dt control 人体的控温中心为下丘脑，下丘脑会根据比较人的体核 温度与标准温度 (37.1 ℃) 的结果去触动有关的效应器作 自动调温响应。
四、因传导、对流、辐射等从皮肤散发的失热率 dQ Ts: skin temperature (Ts Ta ) Ta: air temperature dt lose 人体和环境之间不断地进行着各种物理形式的热交换。
4.3.3 热盈和热亏 热盈(heat storage) 和 热亏(heat debt)指的是体温升降时所 吸收或放出的热量。 Q= mcTb=mc(Tb-37℃) m: 人体质量(kg)， c: 人体比热, c=0.83 kcal/(kg· ℃)=3.5kJ/(kg· K) 体温升高, Q为正, 热盈: 最高42℃，m=70kg，Q=360kcal 体温下降, Q为负, 热亏: 最低25℃，m=70kg，Q=700kcal 人对严寒比对酷热具有较大的耐受力。体温恒定对人体 是非常重要的。
二、人体生热及生热率
m=70kg
C=mc=2.4105J/K
p0=2.929105J/h 基础代谢率
H=1～20 化学生热：变温动物对气温变化的响应类似于简单的化 学反应。
dQ Hp0 dt produce
物理生热：1．颤抖；2．运动
三、人体温度控制系统所导致的生热 ( 或 去热 )
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 若dV 0，dW ≤ - dG 意义：等温等压过程，系统对外做功≤吉布斯自由能减少 （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。 ——孤立系统熵增大↑ 热力学第二定律： dS≥dQ/T。 生物体的群体进化及个体发育过
/(mL· min-1· kg-1) 以质量65kg人为准 分解代谢率/(J· h-1)
3.5 10 20 25 30 70
2.929105 8.368105 1.674106 2.092106 2.510106 5.858106
基础代谢率(BMR): 当人处于完全静息状态下的代谢率。 dE/dt=2.929105J/h≈80W 哺乳类动物基础代谢率与质量关系：dE/dt=cM3/4 c≈3.766105J/(kg3/4· h)
2. 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 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：10,8,6,4,3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：T皮＝ 0.5T胸 +0.36T小腿+0.14T上臂
第四章
生物热力学
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。 热力学中的研究对象称为热力学系统， ——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 力学过程。 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)
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。 (b) 体温提高到41℃, 中枢神经系统 人体代谢 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。 热力学第一定律， Q = E + W E = Q - W E :内能变化量 W : 对外做功 Q : 产生热量
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。
各种食物平均来说，消 耗一升氧约能产生 2.02104J的能量。
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。
3. 健康状况与最大耗氧率的关系 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 能力所制约。
表4—2 人体健康水平和耗氧率
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？
碱基位数 可编码氨基酸数目 信息量(bit)
1
2 3
41=4
42=16 43=64
健康水平
很差 差 尚好 好 最好
最大耗氧率 (mL· min-1· kg-1)
28 34 42 52 70
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 活动水平 睡眠 轻微活动 (演讲、散步、家务) 中等活动 (骑自行车16km/h, 赛马) 剧烈活动 (踢足球、锯木) 甚剧烈活动 (篮球赛、快速游泳) 极剧烈活动 (自行车竞赛43km/h) 耗氧率
程是一个从简单到有序的过程。 ——生命系统熵减小↓
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。
为密度，c为比热， 称为热传导系数。cb为血液比热，
Wb为血灌注率，Ta是供血动脉血温，Qm与Qr分别是容积 代谢热与外部立体供热。
其解为：T(x,y,z,t)
表4—5某些生物组织与材料的热传导系数
组织或材料 水(37℃下) 脂肪(人) 肌肉(人) 人皮 皮层(人) 网状骨(人) 皮质骨(人) 眼角膜(人) 晶状体(人) 水状液(人) 视网膜(人) 肿瘤(人) 皮革 猪油 空气(干) 热传导系数／(W· m-1· ℃-1) 0.5652 0.2 0.545 0.2513 0.4 0.5 0.5 0.58 0.40 0.58 0.628 0.545 0.1759 0.2011 0.0209
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+pV= 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 free energy)
4.3.4 人体的热性质 1. 比热：使1 kg生物组织材料升高1℃度所吸收的热量。
生物组织比热：c=(1.0× H2O(f）+(0.4×Sf) H2O(f)为组织中水所占分量，Sf为干性物所占分量。 瘦肉动物(蛋白25%, 水75％)比热： 0.85kcal/(kg· ℃) 脂肪性动物(脂肪30%,蛋白20%,水50%)比热:
方式：1. 对流, 2. 辐射, 3. 蒸发, 4. 组织传导, 5. 血液流动
与周围环境有关， 1.046×105J h-1 K-1
4.3.6 体温的调节 两个控制系统进行: (1)自动控温系统, (2) 主动控温系统。 一、自动控温系统 由感温器，控温中心及效应器组成，又称生理控温系统。 1. 感温器 : 皮肤感温器/体核感温器，分冷热两种。 2. 下丘脑 : 人体的主要控温中心，负责对输入的温度信号 加工，并给效应器发出控制信号。 R-R0=R(T实际-T规定) 3. 效应器 : 负责实施 在天冷时为减少失 热而进行血管收缩 和颤抖，和在天热 时进行血管舒张、 出汗和喘气。
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。
Log241=2
Log242=4 Log243=6
Log220=4.322bit
1950s, 物理学家伽莫夫（George Gamov）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。
第三节
体温与体温的控制
人类生存环境温度: -30 ~ +40℃。人体中央体温: 37±2℃。 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。
4.3.5 人体的加热率
dQ dQ dQ dQ dt total dt produce dt control dt lose ——人体热平衡方程 一、总加热率
dQ dT C dt total dt
E Q W t t t
2. 氧消耗率和氧热当量 氧消耗率: 单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。 氧热当量: 氧消耗和人体内能的减少之间的关系, 即消耗