生物力能学

生物力能学

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[拼音]:shengwu linengxue

[英文]:bioenergetics

生物物理学的分支学科。它是研究生命过程中的能量在不同形式间的转变及其在数量间的变化。又称生物能力学或生物能学。

自然界所发生的一切运动,都伴随著能量的变化,生命过程也不例外。有机体生活在一定的环境之中,它必须不断地从外界获得能量(例如,进行光合作用所必需的光能、储存在食物中的化学能等),才能维持生命和进行必要的生命过程;这是能量的吸收。把从外界所吸收的能量转变成为适于在体内储存的能量形式(例如,通过氧化磷酸化、光合磷酸化作用生成高能磷酸键),这是能量的储存。在合适的条件下,被吸收的能量将在体内转移到需要能量来启动某种反应的部位,例如,蛋白质所吸收的光能往往可以在整个蛋白质中转移,使其最终效应常表现为某一个(或几个)化学键的断裂。这种过程是能量的转移。被吸收或被转移的能量在生命过程中经常发生能量形式的变换,例如,肌肉收缩时,高能磷酸键的化学能转变为机械能而做功;光合作用中光能转变为化学能;视觉过程中光能转变为电能而产生视觉,这些都是能量的转化和利用。机体在其长期进化过程中所形成的组织与器官对外界能量有一定的适应范围,在受到超出这一范围的能量作用时往往使机体受到损伤。例如强烈日晒或大剂量高能辐射的作用可能引起各种疾病。这是能量对机体的损伤作用。简言之,有机体以及具有生物学活性的大分子,对于能量的吸收、储存、转移、转化、利用及其损伤作用基本规律的研究,就组成为生物力能学的基本内容。

应用生物力能学的基本规律所研究的课题,几乎遍及生物学的各个领域。当前比较受重视和研究比较深入的主要有下列几个问题,即氧化磷酸化作用、光合磷酸化作用、肌肉收缩、视觉过程、生物发光、离子的跨膜输运、光的生物学作用、高能辐射对机体与生物大分子的原初作用等等。生物力能学的研究可以从两个不同的角度进行,即巨集观的角度和微观的角度。巨集观的生物力能学从整个体系的能量形式和变化进行研究,而不追究体系本身结构的变化细节。所谓体系既可以指群体和个体,也可以指参与反应的一组分子。巨集观生物力能学广泛应用了物理学中的热力学理论,首先是经典热力学的基本定律,并用热力学引数来表达数量关系。例如,从葡萄糖和果糖合成蔗糖是一个 ATP(腺苷三磷酸)的水解过程。这一过程与合成反应相偶联。热力学计算表明这一需能反应的自由能为+5.5千卡每克分子。通过首先使葡糖磷酸化为葡糖-1-磷酸,然后再与果糖反应形成蔗糖和无机磷酸盐,ATP提供了这一反应所需的能量。所以ATP/ADP偶联起著能量和磷酸根“传递者”的作用。至于偶联反应的具体分子机制,则不予深究。经典热力学定律只适用于孤立体系,而生命体系是一个开放体系,生命过程是一个和外界环境不断进行物质与能量交换的不可逆过程。近年来不可逆过程热力学研究不断发展,热力学在生物学中的应用大大扩充套件。例如,经典热力学难以解释的“主动转运”过程(离子在细胞膜内外对抗浓度梯度的运动),用不可逆过程热力学就能作出较好的说明。最近提出的“耗散结构”理论进一步推动了这方面的进展。这一理论认为:远离平衡态的系统,同样可以是稳定的。这种状态的维持,需要不断有物质与能量的供应,这种状态可以有一定的空间结构,在时间上有一定的运动秩序。而这些正是生命现象的重要特征。巨集观生物力能学也称为生物热力学(见耗散结构和生物有序)。微观的生物力能学把能量状态及变化和分子的结构与运动结合在一起,具体研究能量从吸收到利用的全过程。这就使微观生物力能学实际上成为分子生物物理学的一个组成部分。它在研究中广泛应用量子论和量子力学的方法,又使其和量子生物学紧密联络。微观生物力能学是当前生物力能学的主要发展方向,其主要内容可归纳为:

(1)生物分子的电子结构研究,在生命过程中,在吸收与传递能量过程中起主要作用的基团,几乎都是π电子活动性较大的所谓共轭体系。例如,蛋白质中的芳香氨基酸、 核酸中的碱基与肽键、ATP中的高能磷酸、各种辅酶、特别是与氧化还原过程有关的DPN、TPN、FAD、FMN、细胞色素的血辅基、 苯醌以及卟啉、类胡萝卜素、视黄醛、黑色素等等。

(2)能量转移理论的研究,除通常通过碰撞和重吸收现象以外,不相连的基团之间最常见的转移方式是能量的共振转移。例如带CO的肌红蛋白在光照时吸收能量的芳香氨基酸广泛分布在整个分子的各个部位,但其最终效应总是使和卟啉的铁原子结合的CO脱落。这种能量传递主要通过共振转移进行。但在生物聚集体中,还可能发生电子传递,激子转移等其他方式。在相互接触的分子结构之间,也可以通过形成电荷迁移络合物而转移能量。这类研究对于弄清一个具体体系中的能量传递过程具有重要意义。

(3)瞬时活性物质的研究,在生命过程中所产生的瞬时活性物质的研究,是随著快速、灵敏技术的发展才开展起来的一类课题。例如,电离辐射作尹a href=’http://www.baiven.com/baike/224/271348.html’ target=’_blank’ >孟禄蛱迥谏浠讨胁淖杂苫褪且桓鲋匾印Ⅻa href=’http://www.baiven.com/baike/220/250861.html’ target=’_blank’ >电子自旋共振 (ESR)技术和脉冲光解技术的出现,为研究这类基团的作用创造了条件。近年来,对单线态氧的研究也引起了重视。

(4)结构与能量关系的研究,与生物膜相联的能量转换作用是当前生物物理研究中最受注意的一个问题。它和氧化磷酸化及光合磷酸化密切相关。为此,提出了几种假说,如化学渗透假说、构象假说、化学假说等。

(5)损伤与修复机制的研究,在紫外线与高能辐射作用下,机体的损伤首先发生在大分子水平。例如,α粒子照射血清蛋白使二硫键断裂,紫外线作用下 DNA中胸腺嘧啶二聚体的形成及其修复。为了提高辐射治疗效果,常在放射治疗中应用敏化剂;其作用之一是使敏化剂所吸收的能量较多地转移到需要杀伤的病变部位。另外在短波紫外线作用后,再用较长波的光作用产生所谓光复活作用,以减轻不必要的损伤。

参考书目

A.Szent-Gyorgyi,Bioenergetics,Academic Press,New York,1957.

E. Racker,A New Look atMechanismsin Bioenergetics, AcademicPress, NewYork, 1976.

C. Sybesma, An Introduction to Biophysics,Academic Press,New York,1977.

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