生物學(xué)中的化學(xué)課件

1、生物學(xué)中的化學(xué)主講人：朱修援 副教授辦公室：學(xué)?？蒲刑帲S金校區(qū)行政樓311室）電 話13979794515E- mail： 化學(xué)是一門承上啟下的中心科學(xué)?？茖W(xué)可按照它的研究對象由簡單到復(fù)雜的程度分為上游、中游和下游。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是上游,化學(xué)是中游,生命、材料、環(huán)境等朝陽科學(xué)是下游。上游科學(xué)研究的對象比較簡單,但研究的深度很深。下游科學(xué)的研究對象比較復(fù)雜,除了用本門科學(xué)的方法以外,如果借用上游科學(xué)的理論和方法,往往可收事半功倍之效?；瘜W(xué)是中心科學(xué),是從上游到下游的必經(jīng)之地,永遠(yuǎn)不會像有些人估計(jì)的那樣將要在物理學(xué)與生物學(xué)的夾縫中逐漸消亡。 報(bào)刊上常說20世紀(jì)發(fā)明了六大

2、技術(shù): 包括無線電、半導(dǎo)體、芯片、集成電路、計(jì)算機(jī)、通訊和網(wǎng)絡(luò)等的信息技術(shù); 基因重組、克隆和生物芯片等生物技術(shù); 核科學(xué)和核武器技術(shù); 航空航天和導(dǎo)彈技術(shù); 激光技術(shù); 納米技術(shù)。還有一個(gè)重要的技術(shù)：化學(xué)合成(包括分離技術(shù) 化學(xué)與八大朝陽科學(xué)之間產(chǎn)生了許多重要的交叉學(xué)科,但化學(xué)家非常謙虛,在交叉學(xué)科中放棄冠名權(quán)。例如“生物化學(xué)”被稱為“分子生物學(xué)”,“生物大分子的結(jié)構(gòu)化學(xué)”被稱為“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”,“生物大分子的物理化學(xué)”被稱為“生物物理學(xué)”,“固體化學(xué)”被稱為“凝聚態(tài)物理學(xué)”,溶液理論、膠體化學(xué)被稱為“軟物質(zhì)物理學(xué)”,量子化學(xué)被稱為“原子分子物理學(xué)”等。 人類基因計(jì)劃的主要內(nèi)容之一實(shí)際上是基因

3、測序的分析化學(xué)和凝膠色層等分離化學(xué),但社會上只知道基因?qū)W,看不到化學(xué)家在其中有什么作用。再如分子晶體管、分子芯片、分子馬達(dá)、分子導(dǎo)線、分子計(jì)算機(jī)等都是化學(xué)家開始研究的,但開創(chuàng)這方面研究的化學(xué)家卻不提出“化學(xué)器件學(xué)”這一新名詞,而微電子學(xué)專家馬上看出這些研究的發(fā)展遠(yuǎn)景,并稱之為“分子電子學(xué)”。 21世紀(jì)生物學(xué)的重大難題和奮斗目標(biāo)： 后基因組學(xué)和人類疾病的消除。 蛋白質(zhì)組學(xué)。 腦科學(xué)。 生物如何進(jìn)化？生命如何起源等。這一切的發(fā)展離不開化學(xué)科學(xué)的發(fā)展與同行。生命現(xiàn)象的化學(xué)機(jī)理 充分認(rèn)識和徹底了解人類和生物的生命運(yùn)動的化學(xué)機(jī)理，是21世紀(jì)化學(xué)亟待解決的重大難題。 (1)研究配體小分子和受體生物大分子相

4、互作用的機(jī)理，這是藥物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。(2)化學(xué)遺傳學(xué)為哈佛大學(xué)化學(xué)教授Schreiber所創(chuàng)建。他的小組合成某些小分子，使之與蛋白質(zhì)結(jié)合，并改變蛋白質(zhì)的功能，例如使某些蛋白酶的功能關(guān)閉。這些方法使得研究者們不通過改變產(chǎn)生某一蛋白質(zhì)的基因密碼就可以研究它們的功能，為開創(chuàng)化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)，化學(xué)基因組學(xué)(與生物學(xué)家以改變基因密碼來研究的方法不同)奠定基礎(chǔ)。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草動物胃內(nèi)酶分子如何把植物纖維分解為小分子的反應(yīng)機(jī)理，為充分利用自然界豐富的植物纖維資源打下基礎(chǔ)。課程考察醫(yī)學(xué)論文寫作要求方法和體裁1醫(yī)學(xué)論文的基本要求11創(chuàng)新性醫(yī)學(xué)論文的創(chuàng)新性是指文章要有新意，論文有

5、無創(chuàng)新，選題是關(guān)鍵。 理論創(chuàng)新：理論方面的選題應(yīng)有創(chuàng)新見解； 應(yīng)用創(chuàng)新：如李斯特運(yùn)用了巴斯德關(guān)于微生物的發(fā)現(xiàn)提出了手術(shù)中的消毒措施，挽救了許多病人的生命。 方法創(chuàng)新：還包括研究方法方面的改進(jìn)或突破；12科學(xué)性醫(yī)學(xué)論文是臨床和醫(yī)學(xué)科學(xué)研究工作的客觀反映，其寫作的具體內(nèi)容應(yīng)該是取材客觀真實(shí)、主題揭示本質(zhì)、科研設(shè)計(jì)合理、論證科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、表達(dá)邏輯性強(qiáng)、經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。所以，嚴(yán)格遵守選題的科學(xué)性原則，是醫(yī)學(xué)論文寫作的生命。1.3可行性所謂選題的可行性，是指能夠充分發(fā)揮作者的綜合條件和可以勝任及如期完成醫(yī)學(xué)論文寫作的把握程度。選題切忌好高鶩遠(yuǎn)，脫離實(shí)際，但也不應(yīng)過低，影響主客觀的正常發(fā)揮，降低了醫(yī)學(xué)論文的水平

6、。 1.4實(shí)用性撰寫醫(yī)學(xué)論文的目的是為了交流及應(yīng)用。要從實(shí)際出發(fā)，選擇夠指導(dǎo)科研、指導(dǎo)臨床、造福人類的主題，因此，選題的實(shí)用性尤為重要。創(chuàng)新性原則是靈魂，科學(xué)性原則是基礎(chǔ)，可行性原則是保證。 2 科研如何創(chuàng)新知識創(chuàng)新都有前因后果，來龍去脈。故而勤奮學(xué)習(xí)，建立知識框架，積累深厚基礎(chǔ)；加上追根到底，萬事逼問為什么的好奇心，就是創(chuàng)新的源泉。前者是學(xué)，后者是問。學(xué)而不問則殆，問而不學(xué)則茫。學(xué)而問，問而思，思而行，行而果，這就是創(chuàng)新。如果你夢想要做一個(gè)科學(xué)家，那么勤奮學(xué)習(xí)就是實(shí)現(xiàn)你的夢想之“舟”。但舟有快如宇航飛機(jī)，慢如蝸牛。所以勤奮必須是高效率的勤奮，不要去做“磨擦生熱”的“無用功”，更不要做“負(fù)功”

7、。在科學(xué)研究中常常會遇到“山窮水盡疑無路”時(shí)，粗心大意的人很容易放過這種機(jī)遇。只有具有敏銳眼光和扎實(shí)基礎(chǔ)的科學(xué)家才能抓住它，取得重大的突破。實(shí)際的學(xué)科基礎(chǔ)是金字塔，有比較廣的知識，但是又要有塔尖，有高度，也就是你的專業(yè)知識高度。但是一條竹竿是站不直的，所以你除了“高”，還要有一些“寬”。 作業(yè)一、主題：在生物學(xué)與化學(xué)結(jié)合的領(lǐng)域，選取一個(gè)明確的主題，進(jìn)行文獻(xiàn)綜述。二、正文：最少2000字，增加一名作者，增加1000字，最多5000字，即4人合作。需要言之有理，自成體系。三、參考資料：最少3篇，增加一名作者，增加一篇參考資料。四、可使用百度、Google等搜索引擎進(jìn)行主題搜索，進(jìn)行綜合。五、使用w

8、ord文檔編輯。六、時(shí)間：截止2009年12月30日第一講 元素、生物學(xué)中重要的小分子第二講 生物體內(nèi)的一些金屬第三講 化學(xué)熱力學(xué)與動力學(xué)第四講 生物分離技術(shù)與分子鑒定第五講 生物分子的化學(xué)合成第六講 譜學(xué)1. 元素1.1 元素周期律原子結(jié)構(gòu)：原子由含質(zhì)子和中子的原子核以及包圍在原子核外的電子組成。原子軌道：圍繞原子核運(yùn)動的電子所占據(jù)的空間區(qū)域，如：1s、2s、2p、3p、4d、5f；字母表明軌道的形狀，數(shù)字表示電子層。周期性：元素的性質(zhì)如價(jià)態(tài)和電負(fù)性隨原子序數(shù)的變化呈現(xiàn)規(guī)則性的變化。1.2 電子排布能量最低原理：電子在原子或分子軌道上的排列叫做電子排布。應(yīng)最先排滿最低能量的軌道。保里不相容原

9、理：每個(gè)軌道最多排布兩個(gè)電子，且自旋相反。洪特規(guī)則：當(dāng)電子層具有兩個(gè)及以上簡并軌道時(shí)，電子將分別占據(jù)軌道直到半充滿軌道。1.3 同位素1.3.1 定義：具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子互稱同位素。1.3.2 摩爾：一摩爾任何元素或者化合物含有的基本單位數(shù)與12.0000克碳-12所含有的原子數(shù)目相等。1.3.3 穩(wěn)定同位素：在通常條件下不轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的元素類型。1.3.4 放射性同位素：是易分解的原子，共有一千幾百種，絕大多數(shù)為人工合成。1.3.5 放射性 (radioactivity)：不穩(wěn)定原子核自發(fā)發(fā)射出、 和射線的現(xiàn)象?？煞譃椤疤烊环派湫浴焙汀叭斯し派湫浴?。放射性在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療方面的

10、應(yīng)用具有極重要的價(jià)值和廣闊的前途。1896年法國物理學(xué)家H貝可勒爾發(fā)現(xiàn)鈾的放射性，以及1898年M居里和P居里發(fā)現(xiàn)釙和鐳。1.3.6 放射系 (radioactive series)：自然界存在的放射性核素大多具有多代母子體衰變過程，它們經(jīng)過多代子體放射性核素最后衰變生成穩(wěn)定核素，這一過程中發(fā)生的一系列核反應(yīng)被稱之為放射系。自然界存在鈾系、釷系和錒系三大天然放射系。1.3.7 衰變的位移定則：衰變中，子核在元素周期表中的位置左移2 格的反應(yīng)。1.3.8 衰變的位移定則：衰變中，子核在元素周期表中的位置右移1 格的反應(yīng)。 1.3.9 衰變的位移定則：射線經(jīng)常伴隨與天然放射性同位素衰變放射粒子、粒

11、子的同時(shí)產(chǎn)生。射線沒有質(zhì)量和電荷，因此，具有高穿透性和危害性，子核在元素周期表中的位置不變。1.3.10 單位與測量：放射性活度的SI單位是貝可（Bq），即每秒鐘的衰變數(shù)（dps）。舊的放射性活度單位是居里（Ci），1 Ci=3.71010 Bq，1 Ci活度的樣品非常強(qiáng)。一般用毫居里（mCi 或10-3Ci）。該單位仍用于醫(yī)療服務(wù)和研究實(shí)驗(yàn)中。輻射吸收劑量的SI單位是戈瑞（Gy）。1Gy被定義為每kg組織吸收1焦耳能量。舊的單位是拉德（rad），100rad=1Gy。劑量計(jì)：膠片劑量計(jì)、蓋革計(jì)數(shù)器、閃爍計(jì)數(shù)器等都可以用于測定放射性。蓋革計(jì)數(shù)器：含有一個(gè)裝有兩個(gè)電極的真空玻璃管，玻璃管內(nèi)導(dǎo)入低

12、壓氣體，進(jìn)入管中的和有足夠的能量使氣體電離，然后測定形成的離子數(shù)。閃爍計(jì)數(shù)器：特定的物質(zhì)如磷被離子化射線轟擊時(shí)發(fā)出閃光，由閃光可得知接收的射線量，即放射性的計(jì)數(shù)。1.3.11 射線危害和疾?。荷渚€是有害的，它可以在生命體系中產(chǎn)生離子或自由基。它通過撞擊原子中的電子而產(chǎn)生離子來實(shí)現(xiàn)這一過程，產(chǎn)生的離子和自由基能夠和別的分子反應(yīng)，如果這一反應(yīng)是在細(xì)胞中，將導(dǎo)致基因突變以及隨后的病變腫瘤生長。高能量的射線能夠?qū)е录?xì)胞死亡。羥基的自由基二、生命科學(xué)中的分析工具，原子示蹤法的應(yīng)用是顯微鏡發(fā)明以來醫(yī)學(xué)史上最突出的成就，在醫(yī)學(xué)科學(xué)中引起了劃時(shí)代的變化，在現(xiàn)代臨床診斷、治療和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中發(fā)揮重要作用32P：

13、用于DNA和RNA分子序列的常規(guī)分析。通過使用磷酸轉(zhuǎn)移催化酶把32P從原料分子轉(zhuǎn)移到寡核苷酸鏈的3 或5端，DNA或RNA在另一種酶的作用下在特殊的位置被切割，所得的混合物通過聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行分析，利用自動凝膠發(fā)射檢測裝置對32P標(biāo)記的片段進(jìn)行監(jiān)測。照相底片對射線的高敏感性意味只需要少量樣品。14C：半衰期是5730年，一般用于探測新陳代謝的途徑和古化石的“年齡”。三、放射性同位素在醫(yī)學(xué)診斷上的用途1、射線：射線在醫(yī)學(xué)診斷已有100多年。X射線可用于檢查骨頭和硬組織。另外一些放射性同位素也可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。锝-99是在醫(yī)學(xué)上最常用的核素。2、鈷-60：在20世紀(jì)50年代以前一直用作治療癌

14、癥的放射源。它的半衰期是5.3年，放射出射線和射線。3、碘-123：用于檢查甲狀腺的功能，這也是碘在人體內(nèi)的唯一應(yīng)用。病人只要喝下含碘-123離子的水，在靠近甲狀腺的皮膚上安裝一個(gè)合適原監(jiān)測器，就能測定到放射性核素所放射出的射線，碘-123的半衰期為8天。目前它已被一種锝鹽代替，锝鹽的半衰期為6小時(shí)，使用起來更安全。4、碘-131：與碘-123相似，但在發(fā)射射線的同時(shí)還放射出非常危險(xiǎn)的射線，因此只用于治療甲狀腺癌。5、鎵-67：半衰期78小時(shí)，作為射線源可用于診斷霍奇金病。2.1 水水是地球上數(shù)量最多的化合物之一，達(dá)1.41018m3，水和人們的生活、動植物的生長以及工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)關(guān)系極為密切，

15、人們對水的結(jié)構(gòu)極為關(guān)注，進(jìn)行了大量的研究。當(dāng)溫度升高冰融化為水時(shí)，冰的空曠的氫鍵體系瓦解，變?yōu)槎逊e密度較大的水，另一方面，熱膨脹又使水的密度下降，所以在熔點(diǎn)附近溫度改變時(shí)，兩種相反的因素使密度發(fā)生變化，導(dǎo)致水在4時(shí)具有最大密度。2. 生物學(xué)中重要的小分子冰氫鍵結(jié)構(gòu)圖冰的升華熱較高（51kJ.mol-1），約五分之一是由于一般范德華力，其余部分體現(xiàn)氫鍵的破裂。冰的熔化熱較低（6kJ.mol-1），氫鍵破裂少。水的比熱高，為4.184J.mol.g-1.K-1。水的蒸發(fā)熱較高（40.63kJ.mol-1 ）。H+、OH-的淌度為離子中最大，其可由H2O的替換接力方式進(jìn)行遷移。使之非常適合于維持生命

16、體系。如高熱容可為恒溫器，許多生理過程易受溫度的影響。高介電常數(shù)，可溶解許多鹽、酸、堿，導(dǎo)致生命體內(nèi)物質(zhì)繁多。2.2 磷酸和磷酸鹽磷酸是三元酸，同時(shí)三個(gè)羥基可以成酯反應(yīng)，如三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP），ATP失去一個(gè)磷酸得到ADP，同時(shí)釋放出能量。在生命體內(nèi)，磷酸根以磷酸鈣的形式存在于骨頭和牙齒中，使它們堅(jiān)固。糖原代謝：ATP的合成與分解存在于核酸之中，能夠?qū)⒑颂黔h(huán)連接在另一個(gè)核苷上第二講生物體內(nèi)的一些金屬 在距今約40億年前的海洋中出現(xiàn)了地球生物的祖先單細(xì)胞，這就是生命的起源。究其原因，我們不難發(fā)現(xiàn)構(gòu)成單細(xì)胞的物質(zhì)并不稀有罕見。最近，對于宇宙外層空間物質(zhì)的研究結(jié)果表明，其特性與

17、構(gòu)成生命的物質(zhì)有著很多共同點(diǎn)。但是，并不是說在宇宙的任何地方都可能出現(xiàn)生命，條件是要有水的存在，而且水中必須溶有多種金屬元素如鐵、銅、鋅、鎂、錳、鋁、鈉等等。它們在生命的起源及發(fā)展中發(fā)揮著不可忽視的作用。海水中的鈉、鈣等元素是構(gòu)成生物體的重要成分，同時(shí)含量豐富的鐵元素更是生命活動的催化劑，而汞、砷等有害物質(zhì)則隨著代謝排出體外。 日本學(xué)者曾做過一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，他按照海水中各種金屬元素濃度比例的100倍制成人工海水，以加速反應(yīng)速度。結(jié)果雖然沒有得到真正意義上的生命體，卻在人工海水中發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成生物體的DNA、蛋白質(zhì)以及脂肪等基本物質(zhì), 而且觀察到了含有生命物質(zhì)、附有外膜的微粒。但是，至于微粒如何象細(xì)

18、胞一樣分裂增殖則尚未有定論。 生物是離不開金屬的，金屬與生物究競有著什么樣的千絲萬縷的關(guān)系，很多人都難以敘說清楚?？梢赃@樣說，生物對金屬有著依賴作用，整個(gè)生命的新陳代謝作用是離不開金屬參與的。生物通過含有金屬的酶、激素、維生素進(jìn)行系統(tǒng)的或部分的光合作用。 生物中所含金屬，以陸地生物計(jì)，每年的金屬周轉(zhuǎn)量有70008000 萬噸，其中包括3000 多萬噸鐵，30004000 噸錳，800 萬噸鋅，170 萬噸銅，5000 噸鉛，還有幾萬噸的鉻、鎳、鈷、鉬等金屬元素。 人和其他生物都是離不開金屬的，人身體內(nèi)一旦金屬供給過量或不足，都會造成很大的危害。比如人體中鉛的含量過低，就會引起冠心病，硒的含量過

19、低會使肝功能失調(diào)，小孩不愿吃食那一定是含鋅過低的緣故。鎘元素增多了會出現(xiàn)高血壓，缺鉬和硒會產(chǎn)生克山病等等，真是五花八門。而土壤也是一樣，缺銅能引起農(nóng)作物收成減少；飼料中缺鈷會使家禽發(fā)病率上升，如此等等，不勝枚舉?？傊饘倥c生物的關(guān)系是如膠似漆，互相依存，又是互相制約的，經(jīng)常要調(diào)節(jié)金屬在生物中間的平衡，倘若一旦失調(diào)就會引起麻煩。 金屬元素在整個(gè)生命體系中起著重要的作用，已知25種元素為生命體所必需。金屬離子與核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的作用以及對神經(jīng)系統(tǒng)不正常的影響可以直接或間接地?fù)p傷DNA，從而引起細(xì)胞的變異；同樣金屬配合物又可以用于治療和診斷疾病。這無疑引起了眾多化學(xué)家、生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家的廣

20、泛興趣。正因?yàn)槿绱?，世界各國投入大量人力、物力來研究金屬在生命過程、醫(yī)學(xué)甚至環(huán)境中的作用。必需元素：O、C、H、N、Ca、P、S、K、Na、Cl、Mg、Fe、Zn、F、I、Mn、Ni、Cr、Sr、Mo、Co、V、Se、Cu、Sn；有益元素：Rb、Si、B、As*；沾染元素：Ba、Ti、Nb、Zr、La、Ru、Cs；有害元素：Bi、Sb、Cd、Ti、Pb*、Hg*、U。 1、2001年美國NIH 特別設(shè)立一個(gè)“金屬在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用(metal in medicine)”的大課題，其宗旨是鼓勵無機(jī)化學(xué)家和分子生物學(xué)家的密切合作，也糾正在這方面的投資不足。 2、而歐共體更是聯(lián)合歐洲的科學(xué)家在1996年

21、即開始這一類綜合性課題的研究，例如，金屬在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用(D8)；鑭系元素用于醫(yī)療診斷和治療(D18)；金屬化合物用于治療癌癥和病毒感染(D20)；金屬酶和生物模擬(D21)。 3、日本政府也投入大量資金組織200余名科學(xué)家從事這方面的研究，其部分研究成果在生物無機(jī)化學(xué)雜志(Journal of Inorganic Biochemistry)上以特刊登載 。金屬在生命活動中的作用 金屬最大的特征就是失去電子成為帶正電荷的離子。因此存在于生物體液中的是各種形式的金屬離子，它們能與生物分子產(chǎn)生各種鍵合作用，從而在生物體內(nèi)承擔(dān)各種各樣的功能，如電子轉(zhuǎn)移、載氧、酶的活性中心等。體內(nèi)金屬離子過多或過少都將

22、導(dǎo)致人體正常生理功能的紊亂，從而引起各種各樣的疾病。大量實(shí)驗(yàn)資料表明，鐵、銅、錳、鋅等過渡金屬離子是重要的神經(jīng)化學(xué)因子，它們不正常的代謝與神經(jīng)系統(tǒng)的疾病緊密相關(guān)，如早期老年癡呆癥，家族肌萎性脊髓側(cè)索硬化癥和瘋牛病或克雅氏癥。 無機(jī)化學(xué)和神經(jīng)科學(xué)已密不可分。Ashley Bush(阿什利布什) 所說，大腦是一個(gè)聚集了大量金屬離子的器官，其中最為重要的就是鐵、銅、鋅和錳。他還指出，現(xiàn)在進(jìn)入了一個(gè)奇妙的時(shí)代，神經(jīng)科學(xué)家們要先學(xué)好基本的無機(jī)化學(xué)和氧化學(xué)知識，再結(jié)合分子生物學(xué)和蛋白質(zhì)化學(xué)的知識去研究那些不正常的金屬與蛋白質(zhì)的相互作用，最終找到神經(jīng)性疾病的起源。1. 輕過渡金屬1.1 化學(xué)與物理性質(zhì)生命科

23、學(xué)上具有重要意義在于其具有各種可變的氧化態(tài)和催化活性。生成絡(luò)合物：以六配體，圍繞中心離子呈八面體。多種氧化態(tài)：在電離中僅需要少量的電離能。1.2 必需元素的相對豐度必需金屬有鐵、鈷、鋅、銅、釩、鉻、錳、鎳和鉬。只有四種含量豐富但是與生命活動聯(lián)系不太密切的元素：硅、鋁、鈦和鋯。鉬豐度較低外，均為相對豐度較高的金屬，說明地球上的生物已進(jìn)化到利用相對豐富的元素。例如：溫泉水出口處，生命體能在含被過熱水從周圍巖石溶解下來的濃度極高的鐵、銅和鋅的環(huán)境中生存。1.3 卟啉絡(luò)合物卟啉環(huán)是一個(gè)含四個(gè)吡咯環(huán)的大環(huán)體系，吡咯環(huán)彼此間由一個(gè)碳原子相連。芳香性四個(gè)氮原子參與金屬的絡(luò)合能夠接受兩個(gè)氫原子形成二酸失去兩個(gè)

24、氫原子形成二元陰離子，特別重要，因?yàn)樗枰慕饘匐x子一般帶兩個(gè)正電荷。卟啉環(huán)中間的空穴恰好能夠容納所有的第一過渡系元素，鎳原子太小，會使平面型的大環(huán)變形。如金屬原子太大，它將位于環(huán)平面的上方，一般過渡元素生成六配體絡(luò)合物，因此在卟啉環(huán)的上面和下面分別在一個(gè)配體。2. 鐵 人體正常含鐵量為3-4g，60%以血紅蛋白的形式存在，其余一般儲存在細(xì)胞中。鐵是血紅蛋白、肌紅蛋白和細(xì)胞色素的組成部分。鐵在人體新陳代謝過程中起著非常重要的作用，它直接參與氧的運(yùn)輸與儲存。缺鐵將導(dǎo)致免疫功能下降，人體吸收的鐵過量或鐵平衡紊亂將使其沉積在肝臟、胰腺、心臟和皮膚從而引起血色病(血色素沉積)、肝功能異常、心肌損傷和糖

25、尿病。 目前，鐵在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用也引起人們的關(guān)注。如早期老年癡呆癥(AD)就是由于淀粉樣蛋白的蛋白質(zhì)聚合與具有氧化活性的鐵離子(Fe3+)(也可為銅離子)發(fā)生不正常的反應(yīng)，產(chǎn)生一些具有更高氧化活性的物質(zhì)，造成蛋白質(zhì)的氧化變性和沉淀，從而引起病變，盡管其機(jī)制仍是個(gè)謎。2.1 鐵蛋白鐵在三種氧化態(tài)，最穩(wěn)定的是+3價(jià)。在生物體內(nèi)以一種稱之為鐵蛋白的氫氧化鐵顆粒形成儲存。這些顆粒被一層蛋白質(zhì)外殼包圍，只有在需要時(shí)才被利用。在高等動物體內(nèi)由一種叫轉(zhuǎn)鐵蛋白的蛋白質(zhì)通過血液運(yùn)輸。在微生物中，鐵的溶解和運(yùn)輸是由一種叫鐵載體的低分子蛋白質(zhì)來執(zhí)行。2.2 血紅素蛋白細(xì)胞色素a、b、c：血紅素基團(tuán)與一條多肽鏈相連

26、并包裹，鐵位于卟啉環(huán)中，第五、六個(gè)絡(luò)合位點(diǎn)則被組氨酸的氮及半胱氨酸上的硫（來自多肽鏈）占據(jù)。不同的細(xì)胞色素，分布在一個(gè)范圍里，形成一個(gè)在光合作用和呼吸作用所需的特殊電子傳遞系統(tǒng)，由于電勢不同，電子從b到c再到a，而后釋放氧分子。血紅蛋白和肌紅蛋白：鐵的價(jià)態(tài)為+2價(jià)六個(gè)絡(luò)合位點(diǎn)中卟啉環(huán)4個(gè)，蛋白鏈中組氨酸的氮1個(gè)，余下的可與氧、水、CO、NO結(jié)合卟啉的吡咯環(huán)不與蛋白質(zhì)相連血紅蛋白是四聚體，四個(gè)球蛋白的多肽鏈各有血紅素基團(tuán)，與氧的結(jié)合與釋放協(xié)同進(jìn)行鐵硫白：并非所有的含鐵蛋白均為金屬卟啉類，紅氧還蛋白和鐵氧還蛋白是存在于植物和光合細(xì)菌中的鐵硫蛋白，其鐵硫簇包括鐵和半胱氨酸殘基（a）細(xì)菌紅氧還蛋白；（

27、b）光合作用鐵氧還蛋白；（c）立方型鐵氧還蛋白（S，無機(jī)硫） 空氣中的氧氣和水分遇到鐵，就會進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，使鐵生銹。人體里也有氧和水，為什么身體中的鐵不會生銹呢？ 人體內(nèi)的鐵原子受到血紅蛋白的保護(hù)，不會與氧發(fā)生反應(yīng)而生銹。 但是，當(dāng)人體里的紅血球細(xì)胞死亡后，鐵原子失去了保護(hù)，也有生銹的機(jī)會。 人體里有一種抗銹蝕的蛋白質(zhì)鐵朊。它們成束地聚集在一起，形成一只只空心的蛋白球，猶如一個(gè)小倉庫，里面貯存著四五十個(gè)鐵原子，不讓這些鐵原子與氧在一起。等到需要鐵原子的進(jìn)修，才讓它出來，同其他成分一起，重新組成新的紅血球細(xì)胞。 鐵朊蛋白在人體里的“防銹”作用很重要。一旦鐵朊有了故障，腎臟有可能被鐵銹阻塞，危

28、及生命安全?？茖W(xué)家正研究“防銹”蛋白鐵朊，如果研究成功，就能幫助解決海水中的鋼材腐蝕問題。 4. 鎂和錳4.1 葉綠素a、b一個(gè)修飾的卟啉環(huán)，空穴較小，容納鎂離子，吸收電磁波中可見光區(qū)域附近的光線。光合作用有兩個(gè)主要部分：光系統(tǒng)和光系統(tǒng)，葉綠素吸收光后，能量傳遞到光系統(tǒng)，產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的還原劑和一個(gè)比較強(qiáng)的氧化劑。在光系統(tǒng)中，能量傳遞產(chǎn)生一種更強(qiáng)的氧化劑（負(fù)責(zé)分子氧的生成）和一種較弱的還原劑4.2 鎂的生理作用1、鎂是200多種酶的激活劑，主要存在于線粒體中。糖酵解是生物體內(nèi)廣泛發(fā)生的一個(gè)生化反應(yīng)，它包括葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸鹽的一系列反應(yīng)，同時(shí)伴隨ATP的生成。糖酵解的第一步是葡萄糖的磷酸化，在作

29、為磷源的ATP和己糖激酶作用下，磷酸化得以進(jìn)行，另一個(gè)必需條件是二價(jià)金屬離子的存在，通常需要鎂離子與三磷酸鏈上的氧作用，消弱磷氧鍵。2、鎂對心血管的影響鎂具有興奮心肌線粒體氧化磷酸化作用，并對心肌細(xì)胞中ATP酶具有激活作用，如在心肌纖維舒張過程中細(xì)胞膜對鉀的主動攝入靠ATP釋放的能量來維持，而促進(jìn)能量釋放的ATP酶靠鎂來激活，故缺鎂時(shí)由于ATP酶活性降低，影響鉀的主動運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)缺鉀，結(jié)果鈉鉀泵作用明顯減弱或鈉鉀交換中斷，心肌或傳導(dǎo)系統(tǒng)的膜靜止電位升高，激動的差異傳導(dǎo)成折返激動引起心律失常。4.3 光全作用的錳光系統(tǒng)中包含更強(qiáng)的氧化劑為P680+，其中P代表Pigment（色素），68

30、0是吸收光的波長（紅光區(qū)，故植物為綠色），+為正電荷。 P680+與水裂解酶（Z）作用，從水分子中獲取電子，產(chǎn)生氧氣。水裂解酶含錳，錳體系起電荷收集器的作用，產(chǎn)生氧并避免生成有害的還原產(chǎn)物。 錳多以二價(jià)形式存在于各種金屬蛋白和金屬酶中，人體肝臟、骨骼和垂體中錳含量較高。錳與人體生化代謝有著密切的關(guān)系，人體缺錳主要表現(xiàn)為生長發(fā)育遲緩，體重減輕和低膽固醇癥，并且可引起骨骼畸形。人體大量攝取錳后則表現(xiàn)為動作遲緩、食欲減退、平衡失調(diào)、運(yùn)動障礙等癥狀。5. 鈷和鉬5.1 維生素B12惡性貧血是因?yàn)槟c壁不能吸收維生素B12導(dǎo)致的疾病。能夠發(fā)生一個(gè)或兩個(gè)電子的還原反應(yīng)，生成Co（）和Co（）。煙酰胺腺嘌呤二

31、核苷酸（NADH）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）可以完成這些還原反應(yīng)。5.2 鉬與黃嘌呤氧化在嘌呤代謝中，腺嘌呤與鳥嘌呤經(jīng)黃嘌呤降解為尿酸，在黃嘌呤氧化酶的催化下完成，該酶很大，分子量約為300k，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有兩個(gè)鉬原子，四個(gè)Fe2S2簇和兩個(gè)黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD），在氧化過程中，鉬從+6價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)?4價(jià)，電子傳遞從黃嘌呤到鉬，再到Fe2S2，到FAD，然后傳給分子氧。5.3 鉬與固氮固氮酶是細(xì)菌固氮過程中的一種酶。由兩條蛋白鏈組成，低分子量的蛋白包含一個(gè)Fe4S4簇，另一個(gè)較大的蛋白本身是一個(gè)四聚體，它含有兩個(gè)鉬原子及大量的鐵原子和硫離子。這兩個(gè)蛋白都是必需的。盡管鐵硫簇被認(rèn)為是氧化還

32、原中心，鉬卻是極其重要的，在氧化鎢（）存在下生長的細(xì)菌，由于攝入了鎢而沒有固氮能力。6. 銅 人體中銅的含量約為80 mg，主要以銅一蛋白質(zhì)復(fù)合物形式存在。銅可以影響鐵的代謝及造血功能，影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并對骨骼及結(jié)締組織代謝、能量代謝、心血管系統(tǒng)、毛發(fā)、皮膚和內(nèi)分泌產(chǎn)生影響。銅缺乏可嚴(yán)重影響兒童大腦發(fā)育而導(dǎo)致門凱氏病(Menkes disease)，又名卷發(fā)綜合癥，其原因就是腸和腎上皮細(xì)胞對銅的吸收受到損害導(dǎo)致銅代謝紊亂而缺銅。而由銅積累引起的威爾遜病(Wilson disease)則是由于銅在轉(zhuǎn)運(yùn)中銅中毒所致。大量的銅積累在肝臟和腦中，而膽汁排泄銅失調(diào)，使得銅最終積累在腦、腎、角膜等器官。

33、患者表現(xiàn)出動作失調(diào)、進(jìn)行性精神障礙和肝腎損害等癥狀。 近幾年來風(fēng)靡英國的瘋牛病(Prion disease)則是由于銅離子導(dǎo)致的神經(jīng)毒性而引起的。Prion蛋白(朊病毒、朊蛋白、朊毒體、鋸蛋白、朊粒等 )中重復(fù)出現(xiàn)的每一段序列(PHGGGWGQ)是螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)它與銅離子結(jié)合后引起二級結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，成為折疊片，因而聚集成PrPsc。 PrPsc蛋白聚集引起病變并帶有傳染性。在機(jī)體中沉積至一定程度,即可引起人和動物的傳染性海綿狀腦病(transmissible spongiform encephalopathy，TSE). 其主要的病理特點(diǎn)是：神經(jīng)元變性、消解，形成腦實(shí)質(zhì)多孔性泡化；星形膠質(zhì)長纖維

34、細(xì)胞增生，形成淀粉樣斑塊等。其發(fā)病機(jī)制至今尚未完全闡明。目前認(rèn)為：銅離子在瘋牛病的發(fā)病機(jī)理中扮演著至關(guān)重要的角色。銅離子及其它金屬離子在蛋白質(zhì)折疊中所起的作用以及某些情況下如何誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性(淀粉樣)和聚合是未來應(yīng)予重視的研究領(lǐng)域。7. 鋅 鋅參與細(xì)胞的所有代謝過程，它與300多種酶的活性有關(guān)。鋅離子為鋅指蛋白(zinc finger)提供分子結(jié)構(gòu)框架，在細(xì)胞核內(nèi)起調(diào)節(jié)基因的功能。鋅有助于促進(jìn)生長發(fā)育，還起著維持味覺和嗅覺、維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能、提高免疫功能、促進(jìn)傷口和潰瘍愈合等作用。鋅缺乏可導(dǎo)致生長發(fā)育停滯，引起侏儒癥、小兒厭食癥、腦血管疾病、偏頭痛、胃及十二指腸潰瘍等一系列疾病，也是糖尿病

35、的病因之一。當(dāng)人體內(nèi)鋅過量則可引起頭暈、嘔吐、腹瀉等癥狀。8. 金屬用于治療各種疾病 由于金屬離子起著維持人體正常生理功能的作用，是各種蛋白或酶的活性中心，過多或過少的金屬離子都將打亂正常的生理平衡。因此，藥物化學(xué)家們將精力主要集中在兩個(gè)方面：一方面如何將偶然進(jìn)入體內(nèi)多余的有毒金屬離子排出體外；另一方面又如何有效地把有益的金屬離子(盡管這些離子可能是非必需的)引入體內(nèi)，從而達(dá)到治療和診斷疾病的目的 。近幾十年來，已有多種含金屬離子的無機(jī)藥物問世，對治療各種疾病起到了良好的作用。8.1 鉑配合物抗癌藥物 1965年Rosenberg偶然發(fā)現(xiàn)順二氯二氨合鉑(cisDDP，又稱順鉑)對大腸桿菌的分裂

36、有抑制作用，并于1969年首次報(bào)道了順鉑具有很強(qiáng)的抗癌活性。目前，順鉑以及第二代藥物碳鉑(carboplatin)已成為重要的抗癌藥物，廣泛應(yīng)用于各種癌癥的治療。研究表明，順鉑具有抗癌活性主要是由于它能夠使癌細(xì)胞DNA復(fù)制發(fā)生障礙而抑制癌細(xì)胞的分裂。 鉑類配合物抗癌藥物的成功用于臨床治療，也為非鉑類抗癌藥物的研究和發(fā)展提供了廣闊前景，有效彌補(bǔ)了對抗鉑腫瘤的治療不足。其中最引人關(guān)注的就是含鈦化合物氯化鈦茂(Cl2Cp2Ti，Cp為環(huán)戊二烯) 和釕的化合物(trans-Ru()Cl4(DMSO)Im )。順鉑在臨床上的成功應(yīng)用也大大促進(jìn)了生物無機(jī)化學(xué)的迅猛發(fā)展。自1999年以來還有專門的書籍和幾種

37、著名刊物以特刊的形式來強(qiáng)調(diào)無機(jī)藥物化學(xué)的重要性。8.2 鋰與抗抑郁藥物 鋰元素早在1817年就被人類發(fā)現(xiàn)，但作為藥物為人類利用卻是近50年的事情。鋰對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用是很明顯的，鋰鹽對于改善和穩(wěn)定情緒及防止精神分裂癥是有效的，它還能改善幻覺和妄想等分裂癥的陽性癥狀。鋰不僅可以在腦細(xì)胞中活動，消除不良情緒，而且它可在病毒復(fù)制、細(xì)胞信號、細(xì)胞調(diào)節(jié)和免疫應(yīng)答中起重要作用。目前，鋰的碳酸鹽(Li2CO3)和檸檬酸鹽已廣泛應(yīng)用于精神失常的預(yù)防和治療。還有報(bào)道稱鋰對治療病毒性疾病、梅毒、愛滋病等亦有效果。鋰的作用機(jī)制的研究有賴于更靈敏的分析方法，從而可以測定鋰在腦組織中的分布。8.3 銀用作嚴(yán)重?zé)齻?/p>

38、時(shí)抗菌劑 銀及其化合物作為抗菌劑已有很長的歷史。在低濃度下銀有很強(qiáng)的活性，并且具有低毒的性能。1965年，Moyer研究發(fā)現(xiàn)硝酸銀溶液(最低濃度可至0.5%)對葡萄狀球菌、鏈狀球菌、假單胞菌等有抗菌活性。而用途最為廣泛的當(dāng)數(shù)磺胺嘧啶銀，它作為一種抗菌劑被廣泛用于嚴(yán)重?zé)齻麜r(shí)的抗菌消毒以防止細(xì)菌感染。為了抑制覆蓋燒傷病人近50 %表面的陰性革蘭氏菌，有人曾經(jīng)嘗試用磺胺嘧啶銀和硝酸鈰聯(lián)合使用，但發(fā)現(xiàn)磺胺嘧啶銀的抗菌效果仍然是最佳。有人認(rèn)為磺胺嘧啶本身并不是一種有效的抗菌劑，而是協(xié)同銀一起顯示抗菌活性。磺胺嘧啶銀的有效性表現(xiàn)在它可以不斷地與血漿和其它含NaC1的體液反應(yīng)而不斷地在傷口緩慢釋放出銀離子。

39、8.4 砷化合物藥物 砷是兩性元素，它既是一種致癌物質(zhì)，同時(shí)也是一種很好的抗癌藥物。第一個(gè)真正的現(xiàn)代藥物就是砷的化合物胂凡鈉明(arsenical salvarsan)，俗稱606，用來治療梅毒和昏睡病(sleeping sickness)，Paul Ehrlish也因此獲1908年的諾貝爾化學(xué)獎。砷也是中藥中非常重要的礦物質(zhì)，共有8種形式，中醫(yī)臨床幾千年的歷史證明它能夠有效治療各種疾病。最新研究發(fā)現(xiàn)，三氧化二砷是一種有效治療白血病的藥物，這也是從中醫(yī)中的砷得到啟發(fā)偶然發(fā)現(xiàn)的 。臨床試驗(yàn)表明，該藥療效極佳，對正常細(xì)胞影響較小，同時(shí)得到分子生物學(xué)的證實(shí)。該藥已于2000年通過美國FDA 的批準(zhǔn)，

40、隨后也申請?jiān)跉W洲使用。 砷作為端粒酶(telomerase)的抑制劑可降低其活性從而染色體損傷，促使基因不穩(wěn)定和致癌物質(zhì)或細(xì)胞死亡。除砷以外，中藥礦物中有很多金屬離子，我們應(yīng)當(dāng)以此為鑒，有必要從分子和細(xì)胞水平上研究金屬離子在中藥及中藥礦物中所起的作用，開發(fā)出更有效的藥物。8.5 金的藥物 早在公元前2500年，我國就有以金作為各種藥物和營養(yǎng)品的記載。但真正應(yīng)用于臨床卻還是近7O年的事。目前，應(yīng)用最廣泛的是金的硫醇類化合物(如Myocrisin)和含磷的金的口服藥物用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，它還被用于治療牛皮癬和支氣管炎。最新研究結(jié)果表明金的化合物具有抗癌和抗愛滋病的活性：Au(damp)X2(X-

41、C1 ，OAc-，etc)顯示出抗癌活性 ，Au(CN)2-抑制HIV病毒的增殖等。同時(shí)也在開發(fā)治療痢疾的新藥(如Au(pph3)-CQ)。這些勢必成為今后最具有吸引力的領(lǐng)域。而對于金藥物的作用機(jī)理還不十分清楚，主要是金在體內(nèi)分布較分散，體內(nèi)缺乏與金親和力很強(qiáng)的作用靶點(diǎn)。8.6 鉍藥物的新發(fā)展 鉍的化合物被用作藥物已近200年。1786年0diet最早記載內(nèi)服鉍用于治療消化不良。1889年，Balzer發(fā)現(xiàn)鉍可能是有用的抗梅毒藥物，尤其是對付第三、四期梅毒特別有效。此外，它還可以用于治療鼻黏膜炎以及高血壓、皮膚病等。本世紀(jì)7O年代以后，鉍藥物在臨床的應(yīng)用得到迅猛發(fā)展。特別是發(fā)現(xiàn)了幽門螺桿菌(H

42、elicobacterpylori)以后，它是導(dǎo)致各種慢性胃炎、潰瘍甚至胃癌的病原體，幽門螺桿菌基因組的測定為新型含鉍藥物的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 次水楊酸鉍被用于治療腹瀉和消化不良。膠體次枸櫞酸鉍（麗珠得樂）被廣泛應(yīng)用于治療胃潰瘍和十二指腸潰瘍，而且最近不斷有新的鉍劑用于臨床。各種研究表明，鉍劑治療胃潰瘍有兩種機(jī)制：一是膠體次枸櫞酸鉍的高分子結(jié)構(gòu)在胃中選擇性地附著在潰瘍表面可以形成一種保護(hù)性薄膜來阻止胃酸的侵蝕；二是部分在胃液中的鉍可以進(jìn)入幽門螺桿菌內(nèi)抑制其生長，從而達(dá)到治療的目的。 鉍可以結(jié)合在蛋白質(zhì)如鐵傳遞蛋白和金屬硫蛋白中鐵或鋅的位置，這些結(jié)合和其傳輸有關(guān)。此外，鉍也可以用于放射性治療，鉍的

43、化合物也可有效抑制癌細(xì)胞的生長。第三講化學(xué)熱力學(xué)與生物能學(xué)3.1 新陳代謝的概念生物大分子分解為生物小分子新陳代謝 合成代謝（同化作用） 分解代謝（異化作用）生物小分子合成為生物大分子需要能量釋放能量能量代謝物質(zhì)代謝1. 由酶催化，反應(yīng)條件溫和。2. 諸多反應(yīng)有嚴(yán)格的順序，彼此協(xié)調(diào)。3. 對周圍環(huán)境高度適應(yīng)。 1. 活體內(nèi)(in vivo)與活體外實(shí)驗(yàn)(in vitro) 2. 同位素示蹤 3. 代謝途徑阻斷 新陳代謝的研究方法新陳代謝的共同特點(diǎn)：一、有關(guān)熱力學(xué)的一些基本概念（一）體系的概念、性質(zhì)和狀態(tài)體系指的是在研究中所涉及的全部物質(zhì)的總稱。環(huán)境是與體系直接相互作用的外界。 體系環(huán)境 環(huán)境+

44、體系=“宇宙”3.2 生物能學(xué)開放體系：與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量傳遞封閉體系：與環(huán)境有能量傳遞，無物質(zhì)交換隔離體系：與環(huán)境無能量傳遞，無物質(zhì)交換體系的性質(zhì)包括壓力、體積、溫度、組成、比熱、表面張力等。熱力學(xué)用體系的性質(zhì)描述一個(gè)體系所處的狀態(tài)。(二）能的兩種形式熱與功熱是由于溫差而產(chǎn)生的能量傳遞方式。熱的傳遞伴隨著質(zhì)點(diǎn)的 無序運(yùn)動。功是體系與環(huán)境間另一種能量交換方式。任何一種功都伴隨著體系質(zhì)點(diǎn)的定向移動。這是一種有序的運(yùn)動。熱和功微觀說明示意圖 圖（a）是某熱力學(xué)體系在平衡態(tài)時(shí)的正常分布。 縱坐標(biāo)表示能量，若干水平線表示能級。 橫坐標(biāo)表示粒子數(shù)，能級線段的長短表示粒子數(shù)的多少。熱和功微觀說明示意

45、圖 當(dāng)體系吸熱時(shí)，高能級上的粒子數(shù)增多，低能級上粒子數(shù)減少，但能級未變，最后分布如紅線所示。 體系放熱時(shí)，情形剛好相反，如蘭線所示。熱和功微觀說明示意圖 當(dāng)環(huán)境對體系作功時(shí)，體系能級升高，而各能級上的粒子數(shù)未變，如紅線所示，相當(dāng)于分布圖往上平移。 當(dāng)體系對外作功時(shí)，則分布圖將向下平移。（三）內(nèi)能和焓的概念內(nèi)能是體系內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)能量的總和，用U或E表示。內(nèi)能是體系狀態(tài)的函數(shù)。內(nèi)能無法測量，內(nèi)能的改變量可以測量。焓也是體系的狀態(tài)函數(shù)，用H表示。焓是一個(gè)體系的內(nèi)能與其全部分子的壓力和體積總變化之和。焓變和內(nèi)能變化之間的關(guān)系可用下式表示： H= U+ PV（四）熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律稱為能量守恒定律

46、。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：U=Q - W 體系內(nèi)能的微小變化表達(dá)為dU=dQ dW體系焓的微小變化可用下式表示：dH=dU+PdV+VdP生物化學(xué)過程近似地恒壓恒容H U(五）熱力學(xué)第二定律和熵的概念熱力學(xué)第二定律指出：熱的傳導(dǎo)只能由高溫物體傳至低溫物體。自發(fā)過程的共同特征就是這些過程都向能量分散程度增大的方向進(jìn)行。代表體系能量分散程度的狀態(tài)函數(shù)稱為熵，用 S表示。任何自發(fā)的過程總是增加整體的熵。（六）自由能的概念自由能是Josiah Gibbs在1878年提出。能夠用以做功的能量稱為自由能。自由能是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，與熱力學(xué)第一、第二定律相關(guān)。G= H - TSG0 過程吸能G=0 體系達(dá)

47、到平衡（七）標(biāo)準(zhǔn)自由能變化標(biāo)準(zhǔn)自由能變化是在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下的自由能的變化。用G0表示。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)被規(guī)定在25oC,1大氣壓，所有溶質(zhì)的濃度是1mol的反應(yīng)。一個(gè)反應(yīng)的自由能變化是與這反應(yīng)的平衡常數(shù)相關(guān)。一個(gè)反應(yīng)A+B=C+D 平衡常數(shù)Keq=CD/AB自由能變化G與標(biāo)準(zhǔn)自由能變化G0以下面的方程相關(guān)。 G= G0 +2.303RTlgCD/AB如果反應(yīng)達(dá)到平衡， G=0 G0 =-2.303RTlgCD/AB=-2.303RTlgKeq 因?yàn)榇蠖鄶?shù)生化反應(yīng)發(fā)生在或接近pH7,這pH值已被設(shè)計(jì)為生物能學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)pH。在pH7的標(biāo)準(zhǔn)自由能變化用G0 表示,以區(qū)別于G0 。然而一個(gè)反應(yīng)的自發(fā)性嚴(yán)格說

48、是G（0），不是G0 。 （八）偶聯(lián)反應(yīng)有機(jī)體內(nèi)許多化學(xué)反應(yīng)有正的G0 值，幸而，在任何反應(yīng)順序中自由能值是加和的。A+B C+D G0 反應(yīng)1 （1） G0 =+5kcal/mol C+E F+G G0 反應(yīng)2 （2） G0 = - 8kcal/mol A+B+E D+F+G G0 總反應(yīng)（3）= G0 反應(yīng)1 + G0 反應(yīng)2 這反應(yīng)（1）和反應(yīng)（2）有一個(gè)共同的中間體C, G0 總是負(fù)值，形成產(chǎn)物F和G是一個(gè)放能過程，容易進(jìn)行。 這樣一個(gè)熱力學(xué)上不能進(jìn)行的反應(yīng)，可以由與它偶聯(lián)的熱力學(xué)上容易進(jìn)行的反應(yīng)驅(qū)動，這種情況在生物化學(xué)反應(yīng)中是很多的。（九）能量學(xué)用于生物化學(xué)反應(yīng)中的一些規(guī)定1、在稀的

49、水溶液系統(tǒng)中，如果有水作為反應(yīng)物或產(chǎn)物時(shí)，水的濃度（近似的即活度）為1.0。2、生物體標(biāo)準(zhǔn)狀況的pH規(guī)定為7.0。3、 G是 pH為7.0時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的的標(biāo)準(zhǔn)自由能。4、根據(jù)國際單位制(Le Systeme international Unut ，簡稱SI單位)，熱和能量的單位用焦耳/摩爾(Joules/mol)。二、高能磷酸化合物1、高能磷酸化合物的概念：機(jī)體內(nèi)有許多磷酸化合物，當(dāng)其磷酰基水解時(shí)，釋放出大量的自由能。這類化合物稱為高能磷酸化合物。高能鍵：一般將水解時(shí)能放出5000cal(20.92kJ ) /mol以上自由能的鍵視為高能鍵。2、高能磷酸化合物及其他高能化合的類型（1）磷氧鍵

50、型（-o-p-） 腺嘌呤核苷三磷酸 1，3-二磷酸甘油酸 氨甲酰磷酸 焦磷酸 磷酸烯醇式丙酮酸（2） 氮磷鍵型 磷酸肌酸 肌酸激酶 磷酸肌酸+ ATP 肌酸+ADP 磷酸精氨酸3、ATP在能量轉(zhuǎn)運(yùn)的地位和作用ATP磷酸烯醇式丙酮酸1，3二磷酸甘油酸-磷酸肌酸葡萄糖-6-磷酸甘油-3-磷酸PPPPP磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢能4、ATP系統(tǒng)的動態(tài)平衡生活細(xì)胞的生命活動無時(shí)無刻不需要能量供應(yīng)。因此ATP必須不斷地產(chǎn)生。ATP的周轉(zhuǎn)是十分迅速的。細(xì)胞所處的能量狀態(tài)可用ATP 、ADP和AMP的關(guān)系來表示，稱為能荷。 ATP+1/2ADP能荷=- ATP+ADP+AMP 當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的ATP全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP時(shí)，能荷值

51、為“0”；當(dāng)AMP全部轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP時(shí)，能荷為“1”。大多數(shù)細(xì)胞的能荷在0.800.95之間。 三、生物體內(nèi)能量的載體ATPATP是主要的高能化合物生物體一切活動所需的能量，主要來自糖、脂肪的分解代謝。但物質(zhì)氧化產(chǎn)生的能量必須先轉(zhuǎn)變成ATP等含有的高能鍵形式才能利用。ATP是生物細(xì)胞最主要的直接能源，所以常把ATP比作細(xì)胞內(nèi)能量的“通用貨幣”。物質(zhì)代謝時(shí)必定伴有能量代謝，而能量的轉(zhuǎn)移通常都以產(chǎn)生或消耗ATP形式體現(xiàn)，通過ATP/ADP循環(huán)聯(lián)系能量的釋放，儲存和利用。有機(jī)物O2氧化CO2,H2O等ATPADP+Pi合成生物大分子代謝反應(yīng)物質(zhì)運(yùn)輸肌肉收縮信息傳遞能量能量ATP中的，磷酸基水解時(shí)放能3

52、0.5kJ/mol一般將水解時(shí)釋放的自由能在20.92kJ/mol以上的化學(xué)鍵稱為高能鍵，以表示。ATP經(jīng)受水解的趨向(稱為它的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢)不是最好的。多種生物分子能轉(zhuǎn)移磷酸基團(tuán)到其他化合物，具有高G0 水解值的磷酸鹽化合物比具有較低值的磷酸鹽化合物有較高的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢，因?yàn)锳TP有一個(gè)中間的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移勢，它能夠是一個(gè)從高能化合物到低能化合物的磷酸基團(tuán)的一個(gè)中間載體。磷酸烯醇丙酮酸+ADP丙酮酸+ATPG+ATPG-6-P +ADPATP是生命體系的能量貨幣。3.3 “熱寂說” “熱寂說”是熱力學(xué)第二定律的宇宙學(xué)推論，這一推論是否正確，引起了科學(xué)界和哲學(xué)界一百多年持續(xù)不斷的爭論。由于涉

53、及到宇宙未來、人類命運(yùn)等重大問題，因而它所波及和影響的范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了科學(xué)界和哲學(xué)界，成了近代史上一樁最令人懊惱的文化疑案。 1、“熱寂說”是誰提出來的？ “熱寂說”是熱力學(xué)第二定律的提出者提出的。熱力學(xué)第二定律的提出者有兩人，一位是英國的開爾文勛爵(Lord Kelvin)（即威廉湯姆遜，W.Thomson），另一位是德國的克勞修斯(R.Clausius)。 那么，誰是“熱寂說”的提出者呢？國內(nèi)學(xué)術(shù)界大多數(shù)人都認(rèn)為，“熱寂說”的提出者是克勞修斯。持此說的人一般都以恩格斯自然辯證法中反復(fù)提到的“克勞修斯的第二原理”的說法作為根據(jù)。另外一條根據(jù)則是，“熵”的概念是由克勞修斯提出來的，而“熱寂說

54、”是反映宇宙中熵不斷增大的一種極限狀態(tài)，所以“熱寂說”是由克勞修斯提出的。但不確切。 1852年4月19日，開爾文在愛丁堡皇家學(xué)會議事錄上發(fā)表的論自然界中機(jī)械能散逸的普遍趨勢一文指出從卡諾定理可以得出一個(gè)明顯的結(jié)果，即當(dāng)熱從熱的物體傳到比較冷的物體時(shí)，就存在著機(jī)械能不可能完全恢復(fù)的耗散現(xiàn)象。在自然界中普遍存在的這種不可逆轉(zhuǎn)的機(jī)械能的耗散趨向，必然造成宇宙中熱量的不斷增加。其直接后果是，地球必將“不適合人類像目前這樣居住下去”。顯然，開爾文在這里對宇宙熱寂的思想作了充分的暗示。 開爾文原文如下：“熱力學(xué)第二個(gè)偉大定律孕含著自然的某種不可逆作用原理，這個(gè)原理表明雖然機(jī)械能不可滅，卻會有一種普遍的耗

55、散趨向，這種耗散在物質(zhì)的宇宙中會造成熱量逐漸增加和擴(kuò)散，以及勢的枯竭。如果宇宙有限并服從現(xiàn)有的定律，那么結(jié)果將不可避免地出現(xiàn)宇宙靜止和死亡狀態(tài)。但是，對宇宙中的物質(zhì)廣延設(shè)想一個(gè)界限是不可能的”。在這里，開爾文十分明確地提出了宇宙“熱寂說”。但必須注意的是，從這段話可以清楚地看出，開爾文提出“熱寂說”時(shí)是十分謹(jǐn)慎的，他做了一個(gè)基本假設(shè)-宇宙是有限的，在這個(gè)有限的系統(tǒng)里，熱力學(xué)第二定律是正確的，宇宙才會不可避免地出現(xiàn)熱寂狀態(tài)。但是他又認(rèn)為，把物質(zhì)廣延的宇宙看成是一個(gè)有限的體系是不可能的。因此，在開爾文的心中，他實(shí)際上并不能肯定熱力學(xué)第二定律是否可以推廣到他并不真正了解的整個(gè)宇宙，并由此得出宇宙“熱

56、寂說”的推論。 第二個(gè)提出“熱寂說”的人才是克勞修斯。他于1865年4月24日在蘇黎世自然科學(xué)家聯(lián)合會上作了一篇題為關(guān)于熱動力理論主要方程各種應(yīng)用的方便形式的演講，該文同年發(fā)表于德國物理和化學(xué)年鑒?？藙谛匏乖谶@篇文章中第一次引進(jìn)了“熵”的概念，證明了熵在絕熱過程中的增加，并將熱力學(xué)定律表述為“宇宙的能量保持不變，宇宙的熵趨于極大值”這樣兩個(gè)宇宙的基本定律。他指出，當(dāng)宇宙中的一切狀態(tài)改變都向著一個(gè)方向時(shí)，全宇宙必然要不斷地趨近于一個(gè)極限狀態(tài)。實(shí)際上，這里所說的“極限”狀態(tài)就是指“宇宙熱寂狀態(tài)”?？藙谛匏拐教岢觥盁峒耪f”則是在1867年9月23日。當(dāng)時(shí)，他在法蘭克福舉行的第41次德國自然科學(xué)家和

57、醫(yī)生的集會上作了一篇題為“關(guān)于熱力學(xué)第二定律”的演說。 克勞修斯將熱力學(xué)第二定律不適當(dāng)?shù)赝馔铺岢隽酥臒峒耪?，這一悲觀的退化箭頭與達(dá)爾文進(jìn)化論所指明的樂觀進(jìn)化箭頭是尖銳矛盾的，這一矛盾困擾人類一個(gè)半世紀(jì)，正是由于這些困擾和學(xué)說間的交鋒，才誕生了普里高京提出的耗散結(jié)構(gòu)理論。耗散結(jié)構(gòu)理論統(tǒng)一了兩種世界圖象、兩種箭頭和兩種文化，擴(kuò)展了熱力學(xué)的領(lǐng)域，使平衡態(tài)化學(xué)熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和非平衡熱力學(xué)形成了完整的熱力學(xué)框架。 2、問題的反駁 首先對“熱寂說”提出詰難的是麥克斯韋(J.Maxwell)。1871年，他在熱理論一書的末章熱力學(xué)第二定律的限制中，設(shè)計(jì)了一個(gè)假想的存在物-“麥克斯韋妖”。 洛歇密(L

58、oschmid)提出的“可逆佯謬”和賽密羅(E.Zermelo)提出的“再出現(xiàn)佯謬”等都對單向不可逆性和熱力學(xué)第二定律提出了挑戰(zhàn)，實(shí)際上也是對“熱寂說”提出了挑戰(zhàn)。 波爾茲曼(L.Boltzmann)的“漲落說”。波爾茲曼在對氣體分子運(yùn)動的研究中，最先對熵增加進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)解釋。按照這種解釋，熱平衡態(tài)附近總存在著偶然的“漲落”現(xiàn)象，這種漲落現(xiàn)象并不遵從熱力學(xué)第二定律。 恩格斯就在1869年3月21日致馬克思的信中指出，“這種理論認(rèn)為，世界愈來愈冷卻，宇宙中的溫度愈來愈平均化，因此，最后將出現(xiàn)一個(gè)一切生命都不能生存的時(shí)刻，整個(gè)世界將由一個(gè)圍著一個(gè)轉(zhuǎn)的冰凍的球體所組成。我現(xiàn)在預(yù)料神父們將抓住這種理論，

59、把它當(dāng)作唯物主義的最新成就”，用來作為“必須設(shè)想有上帝存在”的論證，而這種論證實(shí)質(zhì)上是與辯證唯物論背道而馳的。 “克勞修斯的第二原理等等，無論以什么形式提出來，都不外乎是說：能消失了，如果不是在量上，那也是在質(zhì)上消失了。熵不可能用自然的方法消滅，但可以創(chuàng)造出來。宇宙鐘必須上緊發(fā)條，然后才走動起來，一直達(dá)到平衡狀態(tài)，而要使它從平衡狀態(tài)再走動起來，那只有奇跡才行。上緊發(fā)條時(shí)所耗費(fèi)的能消失了，至少是在質(zhì)上消失了，而且只有靠外來的推動才能恢復(fù)”。 在批評“熱寂說”的各種觀點(diǎn)中，有兩種觀點(diǎn)影響最大，也最普遍。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，熱力學(xué)第二定律是從有限世界得來的，因而不能應(yīng)用到無限的宇宙上。如丹皮爾(W.Dam

60、pier)在其科學(xué)史及其與哲學(xué)和宗教的關(guān)系一書中就認(rèn)為，“把熱力學(xué)原理應(yīng)用于宇宙理論，其有效性是可疑的。把從這樣有限的例證中推出來的結(jié)果，應(yīng)用到宇宙上去，是沒有道理的，即令過去利用這些結(jié)果去預(yù)言有限的獨(dú)立的或等溫體系的情況很有成效”.。 另一種觀點(diǎn)則直接否認(rèn)宇宙是一個(gè)“孤立系”。這兩種觀點(diǎn)本身是相互關(guān)聯(lián)的，都預(yù)先設(shè)定了宇宙是一個(gè)“無限的”“非孤立系”的前提。并且一再企圖證明，宇宙是漫無邊際的物質(zhì)，各個(gè)部分都是相互聯(lián)系的，宇宙之外還有宇宙，因而不存在孤立部分。 何祚庥認(rèn)為，這些論證都不能證明人們永遠(yuǎn)不能把無限宇宙當(dāng)作一個(gè)統(tǒng)一整體來把握。況且，今天的科學(xué)還不能證明宇宙是否無限。因此，這種說法并不能