生物熱力學(xué)課件

第七章生物熱力學(xué)基礎(chǔ)生命運(yùn)動(dòng)廣泛包含著復(fù)雜的熱運(yùn)動(dòng)，熱力學(xué)根本原理在生命運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也是適用的。本章簡(jiǎn)要討論熱力學(xué)基本原理在生物過(guò)程中的應(yīng)用，幫助我們從定性和定量角度去理解、掌握生命過(guò)程。§7-1能量和熱力學(xué)第一定律

一、系統(tǒng)和熱力學(xué)參數(shù)生命科學(xué)研究的系統(tǒng)可以是一個(gè)種群，也可是一個(gè)細(xì)胞，只要系統(tǒng)尺度遠(yuǎn)大于分子的尺度，包含足夠數(shù)量的粒子。開(kāi)口系統(tǒng)—生命系統(tǒng)，如細(xì)胞、動(dòng)物，大多是開(kāi)口系統(tǒng)〔或稱開(kāi)放系統(tǒng)〕，與外界存在質(zhì)量和能量交換；閉口系統(tǒng)—某些生命體在一些特定的條件下可忽略與外界的物質(zhì)交換，近似作為封閉系統(tǒng)〔閉口系〕；孤立系統(tǒng)—生命科學(xué)常用的杜瓦那么近似可看作孤立系統(tǒng)。二、功和熱量從氣體工質(zhì)導(dǎo)出的有關(guān)功、熱一般概念和結(jié)論可以應(yīng)用于生物系統(tǒng)，不過(guò)精確的計(jì)算要比氣體系統(tǒng)復(fù)雜得多。例如肌肉伸展的功，只要知道肌肉伸展需要的力和伸展的距離，也可以用上述公式計(jì)算肌肉伸展的功的數(shù)值。又如生物系統(tǒng)，組織膜的兩側(cè)有電位差，離子越過(guò)膜作的功是-ZFΨ。Z是離子價(jià)、F是電容〔法拉第—96485庫(kù)侖/mol〕、Ψ是電位。如Na+越過(guò)膜，離開(kāi)細(xì)胞和K+越過(guò)膜進(jìn)入細(xì)胞的過(guò)程中，細(xì)胞膜兩側(cè)將建立起70mV的電位，因此1molK+進(jìn)入細(xì)胞所需的電功1×96489×0.07=6750J。反響熱—化學(xué)反響前后溫度不變時(shí)系統(tǒng)與外界交換的熱量Q。放熱反響—釋放熱量的反響；吸熱反響—吸收熱量的反響。系統(tǒng)吸熱為正；放熱為負(fù)。

如葡萄糖的氧化反響：C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+Q

2872kJ反響的熱效應(yīng)—定溫定容或定溫定壓反響不作有用功時(shí)的反響熱。定容熱效應(yīng)〔QV〕；定壓熱效應(yīng)〔Qp〕?；瘜W(xué)反響的反響熱與過(guò)程〔或途徑〕有關(guān)；反響的熱效應(yīng)只取決于初、終態(tài)〔反響物與生成物〕的熱力學(xué)能或焓，而與過(guò)程無(wú)關(guān)。三、生成焓反響焓—定溫定壓反響的熱效應(yīng)，等于反響前后物系的焓差，以H表示。生成熱—由單質(zhì)〔或元素〕化合成1mol化合物時(shí)的熱效應(yīng)。生成焓—定溫定壓下的熱效應(yīng)，等于焓差，故即為定溫定壓下的生成熱，用Hf表示。標(biāo)準(zhǔn)生成焓—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)〔25℃、101325Pa〕的生成焓。用Hf0表示。穩(wěn)定單質(zhì)或元素的標(biāo)準(zhǔn)生成焓規(guī)定為零。生命系統(tǒng)研究感性趣的物質(zhì)常常是在溶液狀態(tài)，溶液的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)生成焓的定義要復(fù)雜得多，除規(guī)定壓力、溫度外還需考慮pH值、鹽濃度、金屬離子濃度等多種因素，尚未建立通用的定義。較方便的是在利用某些確切條件下化合物的生成焓數(shù)據(jù)時(shí)就把這組確定的條件所規(guī)定的狀態(tài)作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

一些生物系統(tǒng)研究感性趣的化合物的生成焓數(shù)據(jù)見(jiàn)附錄表。為了與標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓區(qū)別，這種摩爾生成焓用符號(hào)Hf0'表示。需要注意的是對(duì)生物系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算時(shí)，必須使用同一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

四、熱力學(xué)第一定律系統(tǒng)熱力學(xué)能在過(guò)程中的變化量，(包括化學(xué)能和內(nèi)熱能)不作有用功的等溫等容過(guò)程—ΔΕ=QV

不作有用功的等溫等壓變化—ΔΗ=Qp

肌肉中的ATP〔腺苷三磷酸〕水解為ADP〔腺苷二磷酸〕時(shí)，如果是通過(guò)肌原纖維ATP酶完成的，就拌有系統(tǒng)對(duì)外作功，ATP的熱力學(xué)能變化符合熱力學(xué)第一定律。反響熱W=Wu+W在某段較為短暫的時(shí)間內(nèi)人體近似為封閉體系，那么：ΔE=Q?W<0人體熱力學(xué)能在過(guò)程中的變化量人體與外界換熱量。人體活動(dòng)對(duì)外作功生命系統(tǒng)的過(guò)程是連續(xù)的，所以用能量隨時(shí)間的變化率表示能量轉(zhuǎn)換更適宜：代謝率

散熱率

功率

影響代謝率因素：

肌體本身的代謝功能；

參與代謝的物質(zhì)品種和數(shù)量差異；生命體的溫度。通常體溫愈高，代謝率也愈高。人體體溫升高3℃，代謝率將高30%，所以持續(xù)高燒的病人要補(bǔ)充水和營(yíng)養(yǎng)。體溫降低3℃，代謝率將比正常低30%，所以冬眠的熊會(huì)調(diào)低體溫減少消耗。生命體對(duì)外完成的功率及散熱率的大小有關(guān)。

一個(gè)身高1.75m，體重76kg，體外表積為1.75m2的成人進(jìn)行不同的活動(dòng)時(shí)的代謝率及耗氧量人體狀態(tài)代謝率/W耗氧量/L/min睡覺(jué)850.21靜坐118.40.34騎自行車394.11.14聽(tīng)課2090.60步行2650.76生物體通過(guò)呼吸、進(jìn)食、發(fā)汗、作功、散熱等與外界進(jìn)行著質(zhì)、能的交換，所以是開(kāi)放體系，人體的能量平衡式可寫為：ΔE=QP+QE+QC+QR?W肌肉收縮完成的與外界交換的功

發(fā)汗、對(duì)流、輻射等與外界的換熱攝入的食物、氧氣的總焓及排泄物、呼出的二氧化碳的總焓的差值〔即代謝產(chǎn)熱〕§7-2赫斯定律和基爾霍夫定律

一、赫斯定律

—化學(xué)過(guò)程的熱效應(yīng)與其經(jīng)歷的中間狀態(tài)無(wú)關(guān)，只與物系的初始及終了狀態(tài)有關(guān)。反響A→B和反響Ａ→Ｃ→Ｄ→Ｂ反響A→CΔH2C→DΔH3D→BΔH4A→BΔH1=ΔH2+ΔH3+ΔH4赫斯定律也可以說(shuō)是“熱效應(yīng)總和不變〞定律。赫斯定律意義：通過(guò)已經(jīng)深入了解的反響系列得到指定的了解很少的反響反響的反響熱效應(yīng)。例8-1計(jì)算磷?；鶑腁TP〔腺苷三磷酸〕向葡萄糖轉(zhuǎn)換〔非常重要的由己糖激酶催化的生理過(guò)程〕反響的ΔH：葡萄糖+ATPADP+葡萄糖-6-磷酸酯

G+ATPG6P+ADP

G+Pi

G6P+H2O=0.5kJ/molATP+H2OADP+Pi=-30.9kJ/molG+ATPG6P+ADP=-30.4kJ/mol反應(yīng)

(kJ/mol)ATP+H2O(l)ADP+Pi-30.9ADP+H2O(l)AMP+Pi-28.9AMP+H2O(l)A+Pi-1.2G6P+H2O(l)G+Pi-0.5標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：T=298K、p=1atm、pH=7.0、pMg=3和離子強(qiáng)度為0.25M時(shí)的一些反響的標(biāo)準(zhǔn)焓〔離子強(qiáng)度是鹽濃度的一種衡量法，它同時(shí)考慮了一價(jià)和二價(jià)離子的影響，等于，其中ci是第i種離子的濃度，zi是第i種離子價(jià)?！臣禾羌っ复呋姆错懙摩也可從生成焓的數(shù)據(jù)求得：ΔHm==-2005.92-2279.30+2985.59+1267.11=-32.52kJ/mol附表3.ppt二、基爾霍夫定律

赫斯定律提供了按生成焓計(jì)算熱效應(yīng)的依據(jù)。但通常只能查到標(biāo)準(zhǔn)參考狀態(tài)下的生成焓，其他狀態(tài)下反響的熱效應(yīng)的計(jì)算還有賴于描述反響熱效應(yīng)與溫度關(guān)系的基爾霍夫定律。原那么上焓是溫度和壓力的函數(shù)，但對(duì)于非氣態(tài)凝聚相而言，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)壓力對(duì)焓的影響較小，一般可忽略不計(jì)。所以凝聚相物質(zhì)在溫度T時(shí)的摩爾焓Hm,T可以表示成：

298K、101325Pa時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓

摩爾定壓熱容

對(duì)于等壓下的反響溫度T時(shí)的反響熱寫成一般形式為

基爾霍夫定律—描述反響焓對(duì)溫度的依變關(guān)系基爾霍夫定律也可寫為：大多數(shù)生物科學(xué)感興趣的化學(xué)反響溫度對(duì)反響焓的影響不大，但是在有些過(guò)程，象蛋白質(zhì)的折疊和解折過(guò)程，溫度的影響是非常大的，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和熱力學(xué)計(jì)算時(shí)必須考慮。注意：上述關(guān)于反響焓對(duì)溫度的依變關(guān)系是在假定壓力保持不變的條件下得到的。例7-1.ppt例7-2.ppt§7-3絕對(duì)熵

物理變化過(guò)程中，常常只需了解過(guò)程中系統(tǒng)熵的變化量，而不在乎熵的絕對(duì)值是多少。但在涉及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，如生物過(guò)程的分析研究中除要了解過(guò)程的能量變化還需要關(guān)于熵的絕對(duì)值數(shù)據(jù)。熱力學(xué)第三定律為建立熵的絕對(duì)值提供了根底。熱力學(xué)第三定律—純?cè)鼗蚧衔锏耐昝谰w的熵在絕對(duì)零度時(shí)為零。

一、熱力學(xué)第三定律

因據(jù)波爾茨曼(Boltzmann)導(dǎo)出熵與粒子微觀狀態(tài)數(shù)N的關(guān)系：

S=kBlnN式中kB=1.3806×10-23J/(K·mol)，是波爾茨曼常數(shù)。完美晶體N=1，所以其熵值為零。二、絕對(duì)熵各種物質(zhì)熵的絕對(duì)值可以從絕對(duì)零度起算：

溫度T時(shí)等溫化學(xué)反響過(guò)程的熵變反應(yīng)

[J/（K·mol）]H(g)+H(g)H2(g)-98.72H2(g)+O2(g)2H2O(g)-88.9H++OH-H2O(l)+80.7胞苷酸+核糖核酸酶酶-抑制劑復(fù)合物-54一些反響的標(biāo)準(zhǔn)熵變量反應(yīng)

[J/（K·mol）]H(g)+H(g)H2(g)-98.72H2(g)+O2(g)2H2O(g)-88.9H++OH-H2O(l)+80.7胞苷酸+核糖核酸酶酶-抑制劑復(fù)合物-54反響過(guò)程反響物的分子數(shù)比產(chǎn)物分子數(shù)多，所以反響后系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)減少，因而過(guò)程熵變?yōu)樨?fù)值;因反響物的離子數(shù)比產(chǎn)物分子數(shù)多，反響的熵變似乎也應(yīng)是負(fù)值。但是，在用系統(tǒng)微觀態(tài)解釋溶液內(nèi)過(guò)程的熵變時(shí)應(yīng)該考慮包括溶劑狀況，水中的離子與水分子強(qiáng)烈作用，使高度有序的水分子包圍在離子周圍，形成中性組分，高度有序的水分子變得較少有序。由此造成水的熵增加比由氫離子和氫氧根形成水的熵減少大，于是總熵變?yōu)檎怠＿@一例子說(shuō)明，考慮在凝聚相介質(zhì)中進(jìn)行的化學(xué)反響過(guò)程的熵變時(shí)必須計(jì)及整個(gè)系統(tǒng)的熵變。胞苷酸+核糖核酸酶酶-抑制劑復(fù)合物的熵變-54J/〔K·mol〕反響的熵變是三個(gè)因素作用的結(jié)果：一是兩種反響物變成單一產(chǎn)物造成的熵減少；二是水結(jié)構(gòu)的改變；三是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，使得不能簡(jiǎn)單地用分子微觀狀態(tài)的改變來(lái)討論系統(tǒng)熵的增減§7-4自由焓和生物化學(xué)反響的平衡常數(shù)一、自由焓和反響平衡常數(shù)平衡的自由焓判據(jù)：即定溫定壓系統(tǒng)過(guò)程是向著自由焓變小〔〕的方向進(jìn)行，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)到達(dá)平衡。這一結(jié)論同樣適用于生物系統(tǒng)。導(dǎo)出自由焓變化量和反響物及產(chǎn)物濃度間的定量關(guān)系。為簡(jiǎn)便，先從理想氣體著手然后通過(guò)比較推廣到液體反響。據(jù)吉布斯方程

等溫取1atm為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，從p0=1atm到p積分，得標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)〔1atm〕氣體的自由焓(a)用pA等表示反響物系各組分的分壓力，那么反響的自由焓變化量為

等溫等壓下到達(dá)平衡時(shí)平衡常數(shù)

討論:式子給出反響物系各組分平衡時(shí)的分壓力和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的反響自由焓變化量ΔG0之間的定量關(guān)系;(b)(c)ΔG0<0，那么Kp>1；ΔG0>0，那么Kp<1。不要混淆反響的自由焓變化量ΔG和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)反響自由焓變化量ΔG0。在平衡狀態(tài)反響自由焓變化量ΔG等于零，而在非平衡狀態(tài)ΔG可據(jù)式〔b〕計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的反響自由焓變化量是常數(shù)，是假定所有反響物和生成物都處在1atm的假想反響的自由焓變化量，在平衡常數(shù)碰巧是1時(shí)才等于0。生物反響在溶液中進(jìn)行,通常用濃度表示自由焓。假設(shè)取標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)濃度為1kmol/m3，那么與式(a)、(b)和(c)對(duì)應(yīng)的式子為(a')(b')(C')生物化學(xué)反響伴隨非體積有用功，此時(shí)最大〔可逆〕非體積功二、壓力與溫度對(duì)反響自由焓和反響平衡常數(shù)的影響壓力壓力對(duì)大多數(shù)化學(xué)反響的平衡常數(shù)的影響很小，?？珊雎圆挥?jì)溫度等壓G=H-TS，在定溫、定壓時(shí)

吉布斯-赫姆霍茲方程—描述了等壓下自由焓與溫度的關(guān)系

平衡常數(shù)與溫度的關(guān)系

由式〔c〕、〔c'〕假定ΔH0與溫度無(wú)關(guān)

由反響在某一溫度的平衡常數(shù)計(jì)算任意溫度平衡常數(shù)。當(dāng)溫度變化范圍不是太大時(shí)，對(duì)許多生物反響來(lái)說(shuō)假定標(biāo)準(zhǔn)反響焓與溫度無(wú)關(guān)是合理的，但在某些情況下，溫度的影響不能忽略。積分時(shí)必須考慮取決于產(chǎn)物與反響物之間熱容差的反響焓與溫度的關(guān)系。§7-5代謝過(guò)程

一、偶聯(lián)反響A→B→C→D

新陳代謝有許多組不同的反響構(gòu)成，每組反響或代謝利用和生產(chǎn)非常專門的分子。過(guò)程內(nèi)的反響是偶聯(lián)的，使得一個(gè)反響的產(chǎn)物成為下一個(gè)反響的反響物。三個(gè)反響的反響自由焓為：A→B

B→C

C→DA→D

據(jù)定溫定壓反響進(jìn)行的條件—G<0，A能否轉(zhuǎn)換為D取決于三個(gè)反響各自的標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓及A和D的濃度，而與B及C的濃度無(wú)關(guān)。注意：因A能否轉(zhuǎn)化為D的首要因素是總標(biāo)準(zhǔn)自由焓的變化量，即使反響鏈中某反響的標(biāo)準(zhǔn)自由焓變化量非?！安焕暋睪>0〕，但它被另一反響非?！坝欣暤臉?biāo)準(zhǔn)自由焓變化量〔G<0〕所抵消而使轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)也是可能發(fā)生的。二、葡萄糖無(wú)氧酵解

各種代謝途徑包含千百種不同反響，每種反響有專門的酶催化。雖然熱力學(xué)分析指出僅需考慮初態(tài)和終態(tài)，但是分析一個(gè)代謝途徑，研究各階段如何通過(guò)相關(guān)的自由焓變化相互偶合是有用的。無(wú)氧酵解是葡萄糖代謝為乳酸同時(shí)產(chǎn)生ATP的序列反響過(guò)程。無(wú)氧酵解的總反響為：葡萄糖+2Pi+2ADP2乳酸+2ATP+2H2O〔a〕第一局部的總反響葡萄糖+2ATP2ADP+2甘油醛-3-磷酸〔b〕——產(chǎn)生2mol的甘油醛-3-磷酸第二局部的總反響甘油醛-3-磷酸+Pi+2ADP乳酸+2ATP+H2O〔c〕——消耗1mol甘油醛-3-磷酸，假設(shè)消耗2mol，那么產(chǎn)生4molATP無(wú)氧酵解序列反響的自由焓變化量反應(yīng)ΔG0(kJ/mol)ΔG(kJ/mol)第一局部葡萄糖+ATPADP+葡萄糖-6-磷酸-16.7-33.3葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸1.7-2.7果糖-6-磷酸+ATP果糖1,6二磷酸+ADP-14.2-18.6果糖1,6二磷酸二羥丙酮-P+甘油醛-3-磷酸23.90.7二羥丙酮-P甘油醛-3-磷酸7.52.6葡萄糖+2ATP2ADP+2甘油醛-3-磷酸2.2-51.3第二局部甘油醛-3-磷酸+Pi+NAD+1,3雙磷酸甘油酸+NADH6.3-1.01,3-雙磷酸甘油酸+ADP3-磷酸甘油酸+ATP-18.9-0.63-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸4.41.02-磷酸甘油酸磷酸烯醇丙酮酸+H2O1.81.1磷酸烯醇丙酮酸+ADP丙酮酸+ATP-31.7-23.3丙酮酸+NADH乳酸+NAD+-25.21.9甘油醛-3-磷酸+Pi+2ADP乳酸+2ATP+H2O-63.3-20.9標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的定義：pH7和所有反響物包括每種反響物所有種類離子在內(nèi)的濃度為1M。水的活性假定為1單位?；脽羝?9第一局部反響：第一步反響—葡萄糖磷酸化葡萄糖+ATPADP+葡萄糖-6-磷酸ΔG0=-16.7kJ/molΔG=-33.3kJ/mol第二步反響—葡萄糖-6-磷酸異構(gòu)化為果糖-6-磷酸——從標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓看是不很有利，但是反響自由焓是有利的，且足以使反響順利進(jìn)行。葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸ΔG0=1.7kJ/mol

ΔG=-2.7kJ/mol第三步反響—果糖-6-磷酸的磷酸化——在標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓和反響自由焓兩方面看都很有利。果糖-6-磷酸+ATP果糖1,6二磷酸+ADPΔG0=-14.2kJ/molΔG=-18.6kJ/mol——從標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓還是從反響自由焓都是很有利的。第四、五兩步反響—產(chǎn)生甘油醛-3-磷酸，這是后半部酵解產(chǎn)生4摩爾ATP的“燃料〞?；脽羝?8果糖1,6二磷酸二羥丙酮-P+甘油醛-3-磷酸ΔG0=23.9kJ/molΔG=0.7kJ/mol二羥丙酮-P甘油醛-3-磷酸ΔG0=7.5kJ/molΔG=2.6kJ/mol——都有非常不利的標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓，盡管反響自由焓僅稍大于零。歸納起來(lái)：第一局部反響的反響標(biāo)準(zhǔn)自由焓是不利的，但是反響自由焓是相當(dāng)有利的。酵解反響的第二局部的作用是把葡萄糖代謝能量的實(shí)質(zhì)性局部轉(zhuǎn)換為ATP。在第二局部反響中，除產(chǎn)生丙酮酸的反響外，實(shí)質(zhì)上都接近平衡。第二局部反響的總反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)自由焓和反響自由焓都很有利。總之：葡萄糖的無(wú)氧酵解所有反響是由酶催化的，如果沒(méi)有酶的催化作用，這些反響的速度太低，遠(yuǎn)不能適應(yīng)生理活動(dòng)的需要；代謝過(guò)程產(chǎn)生能用來(lái)驅(qū)動(dòng)其他生理反響的分子(如ATP)而不是把大局部自由焓轉(zhuǎn)換為熱〔葡萄糖直接氧化[葡萄糖〔s〕+6O2〔g〕6CO2+6H2O〔l〕]時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓-2801.6kJ/mol，反響的標(biāo)準(zhǔn)熵變?yōu)?259J/(mol.K)，與無(wú)氧酵解數(shù)據(jù)比較，葡萄糖直接氧化釋放的熱量大大增加，這對(duì)于生理系統(tǒng)不利的?！?-6ATP的合成和膜離子梯度的建立

一、ATP的直接合成

ATP水解生成ADP和Pi的標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓是-32.5kJ/mol，因?yàn)榉错懳餄舛炔荒苡行д{(diào)整使總反響自由焓成為負(fù)值。所以由逆向反響合成ATP看起來(lái)似乎是不可能的。但是早就知道ATP在線粒體內(nèi)直接從ADP和Pi合成。這是否違反熱力學(xué)第二定律？膜催化ATP合成的酶—ATP合成酶由一個(gè)起催化作用的蛋白“球〞和偶合的蛋白質(zhì)能傳輸通過(guò)的膜結(jié)合蛋白構(gòu)成。化學(xué)滲透假說(shuō)認(rèn)為由于一系列的電子傳輸在膜兩側(cè)建立了pH梯度，ATP合成過(guò)程的同時(shí)伴有質(zhì)子傳輸穿過(guò)膜。其總反響可以寫成兩個(gè)反響的和：ADP+PiATP+H2OnH+outnH+in〔a〕ADP+Pi+nH+outATP+nH+in+H2On=3〔a〕中質(zhì)子傳輸過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)自由焓變化量為零，因?yàn)闅潆x子的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)在膜的兩側(cè)相等，ΔG0=0，所以ΔG=3RTln[(H+in)/[(H+out)](b)298K時(shí)，膜內(nèi)外pH值每差1單位，自由焓變化量為-17.1kJ/mol。實(shí)際生理?xiàng)l件下因?yàn)槟?nèi)側(cè)的電負(fù)性較外側(cè)更大而更為有利。膜電位為-100mV時(shí)，上述反響自由焓變化量除按式(b)計(jì)算值外，還應(yīng)加-29kJ/mol=-46.1kJ/mol。從ADP和Pi合成ATP的標(biāo)準(zhǔn)反響自由焓是+32.5kJ/mol，雖然并不能精確確定在生理?xiàng)l件下該反響中各種反響物的濃度，但估計(jì)ATP與ADP的比值約為100，磷酸鹽的濃度約1~3mM，所以[ATP]/〔[ADP][Pi]〕約是100~1000，因此，在298K時(shí)反響自由焓是

ΔG=32.5+RTln(100~1000)=32.5+(11.4~17.1)=43.9~49.6kJ/mol所以，ATP的合成反響在適當(dāng)?shù)馁|(zhì)子梯度及膜電位時(shí)，也能提供使整個(gè)反響進(jìn)行所必需的反響自由焓，即ATP在線粒體內(nèi)直接從ADP和Pi合成，不違反熱力學(xué)原理?！?-7滲透

有兩種因素能推動(dòng)透過(guò)膜的流動(dòng)，首先是在膜兩邊的液體間存在液體靜壓力差，另一個(gè)是膜兩側(cè)存在著溶質(zhì)濃度梯度。生理系統(tǒng)中，膜的兩側(cè)經(jīng)常既有壓力差Δp又有濃度差Δc，例如，毛細(xì)血管壁的兩側(cè)就同時(shí)存在著壓力差和濃度梯度，兩者都影響毛細(xì)血管內(nèi)血漿和毛細(xì)血管外間質(zhì)液的流動(dòng)。又如，假設(shè)把紅細(xì)胞放在純水里，由于細(xì)胞內(nèi)部的溶質(zhì)濃度高于細(xì)胞外，造成滲透壓，使水流入細(xì)胞。滲透壓

溶質(zhì)粒子的濃度

分子、離子透過(guò)生物膜的輸運(yùn)過(guò)程是最重要的生理問(wèn)題之一。

生物膜是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和機(jī)能的半透膜，細(xì)胞膜組織膜都屬生物膜的范疇。

范特霍夫公式

當(dāng)溶液中含有一種以上溶質(zhì)分子時(shí)，總滲透壓應(yīng)等于所有非滲透粒子的滲透壓之和：

cs=Σci

溶液中所有非滲透粒子濃度之和，稱摩爾滲透壓濃度。

高滲溶液—滲透壓較高的溶液；

低滲溶液—滲透壓較低的溶液；

等滲溶液—兩種滲透壓相等的溶液。在研究生命活動(dòng)的過(guò)程時(shí)，除了考慮溶液的其他屬性，還必須考慮溶液的滲透特性。例8-4：計(jì)算摩爾滲透壓濃度為0.3mol/L的紅細(xì)胞等滲葡萄糖溶液的葡萄糖質(zhì)量百分比。解：葡萄糖(C6H12O6)的摩爾質(zhì)量為180×10-3kg/mol,0.3mol/L的葡萄糖溶液含有1L×180×10-3kg/mol×0.3mol/L=54×10-3kg葡萄糖，0.054/1=5.4%所以葡萄糖的質(zhì)量百分比為5.4%。例7-5有效滲透壓差對(duì)尿液的生成的影響：健康人血液流過(guò)腎小球時(shí)，從血漿中濾出一些根本上不含蛋白質(zhì)的濾液，這一過(guò)程稱為濾過(guò)，是生成尿液的第一步。腎小球?yàn)V過(guò)膜是半透膜的一種類型，它允許水及其他溶質(zhì)分子通過(guò)，而血漿蛋白等大分子不能通過(guò)。但凡能自由通過(guò)的分子的輸運(yùn)不是以擴(kuò)散形式實(shí)現(xiàn)的，而是隨溶劑的滲透實(shí)現(xiàn)的。人體這一局部的毛細(xì)血管血壓大約為8kPa血漿在進(jìn)入腎小球時(shí)，滲透壓π1約3.3kPa

血漿在出腎小球時(shí)，π1上升至4kPa左右(因隨水和一些物質(zhì)的滲出，血漿蛋白濃度逐漸上升〕正常人的p2為1.3kPa。由于濾過(guò)液中蛋白質(zhì)的濃度及低，其膠體滲透壓可忽略不計(jì)在進(jìn)入腎小球時(shí)濾過(guò)膜兩側(cè)滲透有效壓差為這個(gè)壓力差的作用下，血漿中的水以及其它分子不斷地透過(guò)濾過(guò)膜進(jìn)入腎小球。由此可見(jiàn)，一切可以影響Δpef的因素都可能導(dǎo)致尿分泌量的變化，例如，大出血引起全身血壓顯著降低時(shí)，就會(huì)使p1下降，從而使Δpef降低，造成少尿或無(wú)尿。出腎小球時(shí)為§7-8

生物中的負(fù)熵流

一、信息量和信息熵系統(tǒng)要素能量

信息物質(zhì)也就是由語(yǔ)言、文字、圖象表示的各種資料的總稱就是我們適應(yīng)外部世界和控制外部世界過(guò)程中，同外部世界進(jìn)行交換的內(nèi)容的名稱信息是人類認(rèn)識(shí)世界、改造世界的知識(shí)源泉。人類社會(huì)開(kāi)展的速度在一定程度上取決于人類對(duì)信息的利用水平。信息量對(duì)某事件獲取的信息愈多，對(duì)該事件了解愈深入，所以信息的獲取與情況的不確定性程度減少相聯(lián)系,隨著信息量的增大，不確定性減少，信息足夠多時(shí)，事件的不確定度趨于零。

為計(jì)算信息量，信息論的創(chuàng)始者香農(nóng)〔Shanon.C.E.〕1948年從僅有兩種可能性，〔如黑和白、正確與錯(cuò)誤、二進(jìn)制的0或1〕的等概率出發(fā)，把從兩種可能性中作出判斷所需的信息量稱為1比特〔bit〕，把bit作為信息量的單位。對(duì)有多種可能的事件，如，某事件可能有種結(jié)果，出現(xiàn)每種結(jié)果的概率為。

香農(nóng)把這類事件的信息量定義為對(duì)于等概率事件按照信息量的概念，如果得到信息量后，可供選擇的等概率事件的不確定度從N1減為N2，這時(shí)信息量從I1減為I2，所以獲取的信息量信息熵熵是系統(tǒng)混亂度或無(wú)序度的度量，而信息量的獲取使系統(tǒng)的不確定度減少，即減少系統(tǒng)的熵，因此信息與系統(tǒng)的熵之間存在聯(lián)系。比較香農(nóng)對(duì)信息量的定義式和熵的微觀表達(dá)式——玻爾茲曼關(guān)系也十分相似，因此，香農(nóng)把熵的概念引入信息論，定義信息熵為香農(nóng)定義的信息熵實(shí)質(zhì)上就是平均信息量對(duì)于等概率事件

不確定度為N1的系統(tǒng)利用了信息后不確定度減少為N2，過(guò)程的熵變?yōu)榭梢?jiàn)，信息的利用〔信息量的減少，即信息量的欠缺〕等于信息熵的減少——負(fù)熵比較信息熵與熱力學(xué)熵之間的關(guān)系布里淵〔Brillouin〕利用玻爾茲曼關(guān)系建立了信息與能量間的內(nèi)在聯(lián)系在有N個(gè)等概率狀態(tài)的物理系統(tǒng)中，假設(shè)輸入能量Q，那么所對(duì)應(yīng)的信息熵的變化為玻爾茲曼常量

絕對(duì)溫度假設(shè)該系統(tǒng)N=2，那么該系統(tǒng)相應(yīng)的信息熵變化據(jù)信息熵單位bit的概念，它等于1bit，所以信息熵與熱力學(xué)熵之間的換算關(guān)系。綜合：系統(tǒng)獲取利用信息〔信息量增加〕，信息熵減少，意味著其熱力學(xué)熵相應(yīng)減少。以電子計(jì)算機(jī)〔有兩種等概率狀態(tài)〕為例，計(jì)算機(jī)每增加1bit的信息量，其熱力學(xué)熵減少kTln2J/K，因而，計(jì)算機(jī)最少需向