第四章生物热力学要点课件

第四章第四章 生物热力学生物热力学热力学中的研究对象称为热力学系统，热力学中的研究对象称为热力学系统，本章教学内容：本章教学内容：第一节第一节 人体代谢人体代谢(重点重点)第二节第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数生命现象研究的几个重要热力学函数(了解了解)第三节第三节 体温与体温的控制体温与体温的控制(重点重点)第四节第四节 热和冷的生物效应及医学应用热和冷的生物效应及医学应用(阅读阅读)第五节第五节 分子迁移现象与跨膜输运分子迁移现象与跨膜输运(了解了解)开放系统、封闭系统、孤立系统。开放系统、封闭系统、孤立系统。生生物物体体是是一一个个开开放放热热力力学学系系统统，生生命命现现象象是是一一种种广广义义的的热热力学过程。力学过程。热热力力学学是是研研究究热热现现象象中中物物质质系系统统在在平平衡衡态态的的性性质质和和建建立立能能量量的的平平衡衡关关系系，以以及及状状态态发发生生变变化化时时系系统统与与外外界界相相互互作用（包括能量传递和转换）的学科。作用（包括能量传递和转换）的学科。第四章 生物热力学热力学中的研究对象称为热力学系统，本章教第一节第一节 人体代谢人体代谢 1.人体代谢人体代谢热力学第一定律，热力学第一定律，Q=E+WEt：分解代谢率：分解代谢率Qt：生热率：生热率Wt：动物体传递给其他系统的机械功率。：动物体传递给其他系统的机械功率。分分解解代代谢谢率率可可通通过过观观察察人人把把食食物物转转换换成成能能量量和和废废物物时时利利用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。用氧的速率，即氧消耗率来精确测量。人人体体为为维维持持生生命命活活动动而而消消耗耗体体内内储储存存的的能能量量和和物物质质的的过过程叫人体代谢。程叫人体代谢。E=Q-WE :内能变化量内能变化量Q:产生热量产生热量W:对外做功对外做功 第一节 人体代谢 1.人体代谢热力学第一定律，Q=2.氧消耗率和氧热当量氧消耗率和氧热当量氧氧热热当当量量:氧氧消消耗耗和和人人体体内内能能的的减减少少之之间间的的关关系系,即即消消耗耗单位体积的氧所产生的能量。单位体积的氧所产生的能量。表表41 典型食物的氧热当量典型食物的氧热当量食食物物的的氧氧热热当当量量取取决决于于碳碳水水化化合合物物、蛋蛋白白、脂脂肪肪等等在在食食物中所占的比例。物中所占的比例。各各种种食食物物平平均均来来说说，消消耗耗 一一 升升 氧氧 约约 能能 产产 生生2.02104J的能量。的能量。氧消耗率氧消耗率:单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。单位时间内生物体摄取并消耗外界氧的量。食物食物氧氧热当量当量/(107Jm-3)醣蛋白蛋白质脂肪脂肪乙醇乙醇标准平均准平均值2.1131.8661.9832.0332.022.氧消耗率和氧热当量氧热当量:氧消耗和人体内能的减3.健康状况与最大耗氧率的关系健康状况与最大耗氧率的关系表表42 人体健康水平和耗氧率人体健康水平和耗氧率 人人的的健健康康状状况况以以及及他他所所能能进进行行各各类类体体力力活活动动的的剧剧烈烈程程度度，也也取取决决于于其其耗耗氧氧能能力力，即即做做功功能能力力的的大大小小为为耗耗氧氧能力所制约。能力所制约。健康水平健康水平最大耗氧率最大耗氧率(mLmin-1kg-1)很差很差差差尚好尚好好好最好最好28344252703.健康状况与最大耗氧率的关系表42 人体健康水平和耗4.各类活动水平的耗氧率和分解代谢率各类活动水平的耗氧率和分解代谢率表表4-3 各类活动水平的耗氧率和分解代谢率各类活动水平的耗氧率和分解代谢率 基础代谢率基础代谢率(BMR):当人处于完全静息状态下的代谢率。当人处于完全静息状态下的代谢率。dE/dt=2.929105J/h80W哺乳类动物基础代谢率与质量关系：哺乳类动物基础代谢率与质量关系：dE/dt=cM3/4 c3.766105J/(kg3/4h)活活动水平水平耗氧率耗氧率/(mLmin-1kg-1)以以质量量65kg人人为准准分解代分解代谢率率/(Jh-1)睡眠睡眠轻微活微活动(演演讲、散步、家、散步、家务)中等活中等活动(骑自行自行车16km/h,赛马)剧烈活烈活动(踢足球、踢足球、锯木木)甚甚剧烈活烈活动(篮球球赛、快速游泳、快速游泳)极极剧烈活烈活动(自行自行车竞赛43km/h)3.510202530702.929 1058.368 1051.674 1062.092 1062.510 1065.858 1064.各类活动水平的耗氧率和分解代谢率表4-3 各类活动水第二节第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数生命现象研究的几个重要热力学函数4.2.1 焓焓(enthalpy)等压过程，引入态函数焓，等压过程，引入态函数焓，H=E+pVH=E+pV=E+W根据热力学第一定律，根据热力学第一定律，Q=E+W故故 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。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 吉布斯自由能吉布斯自由能(Gibbs free energy)等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能等温等压过程，引用态函数吉布斯自由能,G=E+pV-TS根据热力学第一定律根据热力学第一定律 Q=E+W 及第二定律及第二定律 dSdQ/T，最大功原理：最大功原理：dGpdV-dW意义：等温等压过程，系统对外做功意义：等温等压过程，系统对外做功吉布斯自由能减少吉布斯自由能减少若若dV 0，dW -dG（dW为非膨胀功为非膨胀功）第二节 生命现象研究的几个重要热力学函数4.2.1 焓(4.2.3 生物生长过程中的熵生物生长过程中的熵熵熵(entropy):dS=dQ/T熵是系统状态有序性的量度。熵是系统状态有序性的量度。热力学第二定律：热力学第二定律：dSdQ/T。生生物物体体的的群群体体进进化化及及个个体体发发育育过过程程是是一一个个从从简简单单到到有有序序的的过过程程。1969年年比比利利时时学学派派提提出出了了“耗耗散散结结构构”的的概概念念与与理理论论，为为自自然然界界存存在在的的大大量量的的(特特别别是是在在生生物物系系统统)远远离离平平衡衡的的有有序序现现象象的的解解释释提提供供了了理理论论基基础础，发发现现其其与与趋趋向向平平衡衡现现象象一一样样，非非但但不不违违反反热热力力学学第第二二定定律律，而而是是同同样样受受热热力力学学第第二二定定律律的的支支配配，因因而而人人们们除除了了看看到到通通常常热热力力学学给给出出的的趋趋向向平平衡衡的的情情景景外外，尚尚可可以以看看到到“达达尔尔文文”式式的的生生动动活活泼的物质进化的情景。泼的物质进化的情景。孤立系统熵增大孤立系统熵增大生命系统熵减小生命系统熵减小4.2.3 生物生长过程中的熵熵(entropy):d熵在生物信息学中的应用熵在生物信息学中的应用人人体体蛋蛋白白质质有有10多多万万种种，由由20种种氨氨基基酸酸按按一一定定的的编编码码组组成成，每每一一种种氨氨基基酸酸由由4种种碱碱基基按按照照一一定定排排列列组组成成，问问题题是是，如如果果用用4种种编编码码20种种氨氨基基酸酸，每每1种种氨氨基基酸酸至至少少需需要要几几个个碱基进行编码？碱基进行编码？碱基位数碱基位数可可编码氨基酸数目氨基酸数目信息量信息量(bit)141=4Log241=2242=16Log242=4343=64Log243=61950s,物物理理学学家家伽伽莫莫夫夫（George Gamov）根根据据信信息息论论提提出三联核苷酸密码编码出三联核苷酸密码编码20种氨基酸的推测。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。三联核苷酸编码得到证实，并逐一被破译。Log220=4.322bit熵在生物信息学中的应用人体蛋白质有10多万种，由20种氨基酸第三节第三节 体温与体温的控制体温与体温的控制 人体中央体温人体中央体温:372。人类生存环境温度人类生存环境温度:-30 +40。恒恒温温性性：是是指指机机体体得得热热和和失失热热各各因因素素千千变变万万化化情情况况下下，机机体体维维持持深深部部温温度度或或体体核核温温度度(即即内内环环境境温温度度)在在一一较较窄窄范围内的能力。范围内的能力。保保持持体体温温恒恒定定的的意意义义在在于于：恒恒温温是是高高级级生生命命形形式式的的重重要要特征，恒温对维持哺乳动物机体生存是关键性的。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。也是生物体从低级形式向高级形式演化的重要保证。第三节 体温与体温的控制 人体中央体温:372。人类(1)体体温温越越高高，和和生生命命有有关关的的重重要要化化学学过过程程和和物物理理过过程程就就进行得越快，进行得越快，(a)酶酶的的最最适适宜宜温温度度在在3637，过过高高导导致致酶酶变变性性，催催化作用丧失。化作用丧失。(2)体体温温下下降降，有有可可能能完完全全阻阻止止酶酶的的活活性性。体体温温下下降降至至33以以下下，神神经经功功能能便便会会受受到到抑抑制制且且知知觉觉会会消消失失。30以以下下则则会会引引起起调调温温系系统统失失灵灵，若若降降至至28，更更会会引起心室纤颤甚至死亡。引起心室纤颤甚至死亡。(b)体温提高到体温提高到41,中枢神经系统功能开始衰退且会中枢神经系统功能开始衰退且会出现惊厥，出现惊厥，(c)温度进一步提高到温度进一步提高到45便会造成蛋白变性及死亡。便会造成蛋白变性及死亡。(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4.3.1 体温体温1.体核温度体核温度(core temperature):人体躯干核心的温度。人体躯干核心的温度。测测量量体体核核温温度度的的部部位位通通常常为为直直肠肠、口口腔腔、食食管管、耳耳膜膜以以及及尿尿流流，但但所所得得的的值值却却各各不不相相同同，因因而而没没有有一一处处温温度度可可认为是真正的体核温度。认为是真正的体核温度。食管温度食管温度:能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。能间接量度从心脏泵出的动脉血血温。肛温肛温:直肠热惯性大直肠热惯性大,不适于进行变化较快的温度量度。不适于进行变化较快的温度量度。耳膜温度耳膜温度:耳膜热惯性小，耳膜热惯性小，能反映温度变化最快。能反映温度变化最快。环环境境温温度度为为530时时，人人体体活活动动时时的的体体核核温温度度只只是是代代谢谢率的函数，率的函数，环境温度高于环境温度高于30，因出现热应激，体核温度上升。，因出现热应激，体核温度上升。4.3.1 体温1.体核温度(core tempera2.皮肤温度皮肤温度(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：的皮肤温度加权平均。如：10,8,6,4,3点法点法,如四点法：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：如三点法：T皮 0.5T胸+0.36T小腿+0.14T上臂3.体温体温(body temperature)Tb=T肛+(1-)T皮寒冷环境寒冷环境：=0.64温度适中环境温度适中环境：=0.67炎热环境炎热环境：=0.80.9一般情况：一般情况：=0.65平均体温：36.537.0 2.皮肤温度(skin temperature)皮肤温度是4.3.2 温度梯度温度梯度体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温度梯度。体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温度梯度。体内的温度梯度取决于如下诸因素：局部生热、得热率和体内的温度梯度取决于如下诸因素：局部生热、得热率和失热率，以及局部血流率和组织的热导。失热率，以及局部血流率和组织的热导。4.3.3 热盈和热亏热盈和热亏热盈热盈(heat storage)和和 热亏热亏(heat debt)指的是体温升降时所指的是体温升降时所吸收或放出的热量。吸收或放出的热量。Q=mcTb=mc(Tb-37)m:人体质量人体质量(kg)，c:人体比热人体比热,c=0.83 kcal/(kg)=3.5kJ/(kgK)人人对对严严寒寒比比对对酷酷热热具具有有较较大大的的耐耐受受力力。体体温温恒恒定定对对人人体体是非常重要的。是非常重要的。体温升高体温升高,Q为正为正,热盈热盈:最高最高42，m=70kg，Q=360kcal体温下降体温下降,Q为负为负,热亏热亏:最低最低25，m=70kg，Q=700kcal4.3.2 温度梯度体核温度高于皮肤温度，二者间便存在着温4.3.4 人体的热性质人体的热性质1.比热：使比热：使1 kg生物组织材料升高生物组织材料升高1度所吸收的热量。度所吸收的热量。生物组织比热：生物组织比热：c=(1.0 H2O(f）+(0.4Sf)H2O(f)为组织中水所占分量，为组织中水所占分量，Sf为干性物所占分量。为干性物所占分量。瘦肉动物瘦肉动物(蛋白蛋白25%,水水75)比热：比热：0.85kcal/(kg)脂肪性动物脂肪性动物(脂肪脂肪30%,蛋白蛋白20%,水水50%)比热比热:0.70kcal/(kg)一般动物的均值常取一般动物的均值常取0.83kcal/(kg)故人体的比热一般取故人体的比热一般取0.83kcal/(kg)=3.5kJ/(kg)热容量热容量 C=mc，m=70kg，C=2.4105J/K4.3.4 人体的热性质1.比热：使1 kg生物组织材料表表4-4 正常与患有肿瘤的人体组织的比热正常与患有肿瘤的人体组织的比热组织正常正常组织比比热cp/(kJkg-1K-1)肿瘤瘤组织比比热cp/(kJkg-1K-1)肝肝肺肺前列腺前列腺肌肉肌肉皮皮层网状骨网状骨血液血液眼角膜眼角膜晶状体晶状体水状液水状液3.6283.6903.5203.7153.5431.2851.4093.7671.0501.0501.0003.83.83.8正正常常组组织织与与肿肿瘤瘤组组织织的的比比热热是是不不同同的的。对对肿肿瘤瘤的的致致热热或或间间质质透透热热疗疗法法也也正正是是基基于于这这一一情情况况进进行行的的。不不同同组组织织的的比热有所不同，对于其他有关疗法有较大的参考价值。比热有所不同，对于其他有关疗法有较大的参考价值。表4-4 正常与患有肿瘤的人体组织的比热组织正常组织比2.热传导方程热传导方程由于存在温度梯度由于存在温度梯度,生物组织内部的温度分布由生物组织内部的温度分布由Pennes方方程描述：程描述：为密度，为密度，c为比热，为比热，称为热传导系数称为热传导系数。cb为血液比热，为血液比热，Wb为血灌注率，为血灌注率，Ta是供血动脉血温，是供血动脉血温，Qm与与Qr分别是容积分别是容积代谢热与外部立体供热。代谢热与外部立体供热。其解为：其解为：T(x,y,z,t)2.热传导方程由于存在温度梯度,生物组织内部的温度分布由表表45某些生物组织与材料的热传导系数某些生物组织与材料的热传导系数组织或材料或材料热传导系数系数(Wm-1-1)水水(37下下)脂肪脂肪(人人)肌肉肌肉(人人)人皮人皮皮皮层(人人)网状骨网状骨(人人)皮皮质骨骨(人人)眼角膜眼角膜(人人)晶状体晶状体(人人)水状液水状液(人人)视网膜网膜(人人)肿瘤瘤(人人)皮革皮革猪油猪油空气空气(干干)0.56520.20.5450.25130.40.50.50.580.400.580.6280.5450.17590.20110.0209表45某些生物组织与材料的热传导系数组织或材料热传导系数4.3.5 人体的加热率人体的加热率一、总加热率一、总加热率m=70kgC=mc=2.4105J/K二、人体生热及生热率二、人体生热及生热率p0=2.929105J/h 基础代谢率基础代谢率H=120化学生热：变温动物对气温变化的响应类似于简单的化化学生热：变温动物对气温变化的响应类似于简单的化学反应。学反应。物理生热：物理生热：1颤抖；颤抖；2运动运动人体热平衡方程人体热平衡方程4.3.5 人体的加热率一、总加热率m=70kg二、人体生三、人体温度控制系统所导致的生热三、人体温度控制系统所导致的生热(或或 去热去热)人体的控温中心为下丘脑，下丘脑会根据比较人的体核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温度与标准温度(37.1)的结果去触动有关的效应器作的结果去触动有关的效应器作自动调温响应。自动调温响应。四、因传导、对流、辐射等从皮肤散发的失热率四、因传导、对流、辐射等从皮肤散发的失热率 人体和环境之间不断地进行着各种物理形式的热交换。人体和环境之间不断地进行着各种物理形式的热交换。方式：方式：1.对流对流,2.辐射辐射,3.蒸发蒸发,4.组织传导组织传导,5.血液流动血液流动Ts:skin temperature Ta:air temperature 与周围环境有关，与周围环境有关，1.046105J h-1 K-1三、人体温度控制系统所导致的生热(或 去热)人体的控温4.3.6 体温的调节体温的调节两个控制系统进行两个控制系统进行:(1)自动控温系统自动控温系统,(2)主动控温系统。主动控温系统。一、自动控温系统一、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。由感温器，控温中心及效应器组成，又称生理控温系统。1.感温器感温器:皮肤感温器皮肤感温器/体核感温器，分冷热两种。体核感温器，分冷热两种。2.下丘脑下丘脑 :人体的主要控温中心，负责对输入的温度信号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。加工，并给效应器发出控制信号。3.效应器效应器 :负负责责实实施施在在天天冷冷时时为为减减少少失失热热而而进进行行血血管管收收缩缩和和颤颤抖抖，和和在在天天热热时时进进行行血血管管舒舒张张、出汗和喘气。出汗和喘气。R-R0=R(T实际-T规定)4.3.6 体温的调节两个控制系统进行:(1)自动控温4.自动控温系统原理自动控温系统原理体核感温器体核感温器皮肤感温器皮肤感温器 下丘脑下丘脑(T体核体核与与T规定规定比较比较)触动自动调温响应触动自动调温响应(1)温升效应：增加代谢活动及运动元的活动温升效应：增加代谢活动及运动元的活动(如天寒时的如天寒时的颤抖寒战等颤抖寒战等)，从而使热进入体核及肌肉；借助血管的，从而使热进入体核及肌肉；借助血管的舒缩增加中心体核到外周间的热传导，舒缩增加中心体核到外周间的热传导，并减少表面血并减少表面血流量而减少体表失热。流量而减少体表失热。(2)温降效应：温降效应：出汗、通过出汗、通过汗的蒸发而散热，血管汗的蒸发而散热，血管的舒张可通过增加表面的舒张可通过增加表面血流而有利于散热。血流而有利于散热。：(1)温升效应，温升效应，(2)温降效应。温降效应。k 3.15106 J h-1 K-14.自动控温系统原理体核感温器下丘脑触动自动调温响应(5.自动控温下的人体热平衡方程自动控温下的人体热平衡方程如如TsT体核体核，k/=G,C/=t0，Hp0=(T规定规定Ta)5.自动控温下的人体热平衡方程如TsT体核，k/=G,6.人体患病下的温度变化人体患病下的温度变化细菌性毒素感染细菌性毒素感染 T规定规定 下丘脑下丘脑 温升效应温升效应体温升高体温升高 服用退烧药，阻断热原体感染，使服用退烧药，阻断热原体感染，使T规定规定回复正常。回复正常。二、主动控温系统二、主动控温系统主动控温系统又叫知觉主动控温系统又叫知觉行为控温系统，与自动控温系统行为控温系统，与自动控温系统由下丘脑作为控温中心不同的是，此系统由大脑皮层进行由下丘脑作为控温中心不同的是，此系统由大脑皮层进行主动控温操作。主动控温操作。t0:无自动控温时无自动控温时的的热响应时间热响应时间，t0=C/2.3h，t1:有有自动控温自动控温时时的热响应时间的热响应时间,G=k/30,t1t0/314.5min6.人体患病下的温度变化细菌性毒素感染 T规定 下第五节第五节 分子迁移现象与跨膜输运分子迁移现象与跨膜输运4.5.1 粘滞现象粘滞现象粘滞力：层流的气体或液体内部各层间的内摩擦力。粘滞力：层流的气体或液体内部各层间的内摩擦力。粘滞系数粘滞系数4.5.2 热传导热传导导热系数导热系数斯托克斯定律斯托克斯定律f=6 r v物体内部热量从温度较高处传递物体内部热量从温度较高处传递到温度较低处的现象。到温度较低处的现象。第五节 分子迁移现象与跨膜输运4.5.1 粘滞现象粘滞力4.5.3 扩散扩散1.气体的扩散气体的扩散扩散系数扩散系数2.溶液中溶质的扩散溶液中溶质的扩散扩散通量扩散通量 j:单位时间通过垂直于扩散方向的单位面积的单位时间通过垂直于扩散方向的单位面积的 溶质数。溶质数。爱因斯坦斯托克斯方程：爱因斯坦斯托克斯方程：当某种气体分子分布不均匀时当某种气体分子分布不均匀时,热运动会使分子从密度高热运动会使分子从密度高的地方向密度低的地方输送的地方向密度低的地方输送,使各部分气体密度趋于一致使各部分气体密度趋于一致.4.5.3 扩散1.气体的扩散扩散系数2.溶液中溶质的4.5.4 跨膜迁移过程跨膜迁移过程1.理想气体的渗透压理想气体的渗透压p1V=N1kTp1 V=N1 k Tp1=C1kTp1=C1 k TC=N/V将气体将气体2引入引入V 区区,其总压强其总压强p=p1+p2=C1kT+C2kT=(C1+C2)kT 给容积给容积V 引入气体引入气体1使其总压强使其总压强 p=p p1p=p p1=p-p1=C2kT渗透压渗透压 =C2kT=(C2/A0)A0k T=c2 RT渗透压的大小等于所有不能透过半透膜的组分的总分压。渗透压的大小等于所有不能透过半透膜的组分的总分压。气体气体1可通过半透膜可通过半透膜4.5.4 跨膜迁移过程1.理想气体的渗透压p1V=N2溶液中的渗透压溶液中的渗透压一些半透膜只能让水分子自由通过，而不能让溶质分子一些半透膜只能让水分子自由通过，而不能让溶质分子通过，于是在半透膜两侧形成纯水与溶液间的压强差，通过，于是在半透膜两侧形成纯水与溶液间的压强差，此压强差驱动水作跨膜流动，这一压强差便是渗透压。此压强差驱动水作跨膜流动，这一压强差便是渗透压。渗透压渗透压 =c RT渗透作用对于了解各种各样的生物过程极其重要。渗透作用对于了解各种各样的生物过程极其重要。细胞水胀或失水细胞水胀或失水人体水的排泄人体水的排泄静脉输液时，渗透压的调节，静脉输液时，渗透压的调节，等渗溶液。等渗溶液。2溶液中的渗透压一些半透膜只能让水分子自由通过，而不能让溶1.概概念念：人人体体代代谢谢，氧氧热热当当量量，基基础础代代谢谢率率，体体核核温温度度，皮皮肤肤温温度度，体体温温，热热盈盈，热热亏亏，自动控温系统，主动控温系统自动控温系统，主动控温系统2.健康状况与最大耗氧率的关系。健康状况与最大耗氧率的关系。3.人体体温调节系统的机制。人体体温调节系统的机制。（1）自动控温系统，（）自动控温系统，（2）主动控温系统。）主动控温系统。第四章第四章 作作 业业1.概念：人体代谢，氧热当量，基础代谢率，体核温度，皮肤温