当前课程知识点：现代生物学导论 > 第四讲 能量和代谢 > 4.1 热动力学和代谢 > 4.1 热动力学和代谢
当我们在进行锻炼的时候
我们身体的很多部位都在进行运动
我们的心脏通过不停地跳动，把血液源源不断地输入到这些部位
实际上，我们如何从食物中获得能量和使用能量
是由一系列复杂而精密的过程组成的
那么这些过程都是在细胞当中发生的
活细胞是一个小型的化学工厂，里面有成千上万的化学反应在进行着
当需要的时候呢，氨基酸被合成蛋白质
那么反之呢，当食物被消化时，蛋白质被分解成氨基酸
所以每时每刻，在生物体中都有合成反应和分解反应发生着
它们形成了一个动态的平衡
在这一章的学习当中呢，我们首先来复习热动力学的知识
因为生物体内能量和物质的转化，都是遵循热力学定律的
然后，我们会用自由能的概念来解释
为什么有的反应是自发的，而有的反应是非自发的
进而定义吸能反应和放能反应
在生物体中
很多生物学过程都是把吸能反应和放能反应耦合起来的
ATP就是耦合中的关键分子
我们会阐述ATP的工作原理
那么进一步解释ATP是如何帮助细胞完成一系列的工作的
虽然有的反应是可以自发进行的，但是反应的速率非常缓慢
而大的生物分子：酶，可以加速化学反应的进行
理解酶的工作原理和影响酶的工作的条件
可以帮助我们理解很多生物学过程
那么在这一章的最后，我们将介绍两个著名的代谢的例子
细胞呼吸和光合作用
在这一小节中呢，我们讨论热动力学和代谢的关系
一个生物体内化学反应的总称就是代谢
细胞内的代谢反应都是由一个个代谢途径组成的
那么代谢途径呢，是一连串在细胞内发生的化学反应
并且由酶所催化，形成使用的代谢物，或引发另一个代谢途径
那么代谢途径呢，一般是由一个分子开始
经过一系列的步骤，被转化成产物
每一步都是由酶催化的
代谢过程可分为两类：合成代谢和分解代谢
合成代谢呢，是需要能量的，从简单的分子来组建复杂的分子
比如从简单的小分子合成氨基酸，再由氨基酸合成蛋白质
分解代谢则相反
把复杂的分子分解成简单的小分子，同时释放能量
比如细胞呼吸中
葡萄糖被分解成水和CO2，释放能量
因为能量对于所有的代谢反应来说是基础
为了弄清楚活细胞是如何工作的
我们首先呢复习一下能量的相关知识
能量就是能够产生变化的能力
能量有多种类型：比如说光能、热能、动能、势能、化学能等等
势能一般是由物质所在的位置或是结构所决定的
比如说水坝后面的水是具有势能
那么大分子具有能量是因为原子中的电子的分配方式所决定的
生物学上的化学能指的是化学反应中可以释放的势能
比如葡萄糖就有很高的化学能
在分解反应中，葡萄糖分子中的化学键断裂，释放能量
那么能量间呢是如何转化的？
就像图上展示的，向上攀登的女性把肌肉中的动能转化为势能
跳水的人呢把势能转化为动能
当然，这些运动的人的动能都是从食物中的化学能而来
生物体都是能量的转化者
研究物质间能量的转化叫做热动力学
科学家们用系统来代表所研究的物质
而宇宙中除去系统外的叫做周围环境
在一个孤立的系统中，是没有任何物质和能量的交换的
而在一个开放的系统中
物质和能量能够持续在系统和周围环境中交换
所有的生物都是开放系统
下面我们来复习一下热力学第一定律
能量在转换中是不会消失或产生的
比如植物把光能转化成化学能
植物并没有产生能量
动物则把食物中的化学能转化为动能用来奔跑
那么，就有一个问题
动物做完这个动作以后，能量去哪了呢？
既然能量它无法消失
那么为什么生物体不能一次又一次地回收和利用这些能量呢？
事实上，在每一次能量转化后
总有一部分能量变得不能够再做功
大多数能量转化后，其实只有少部分可以转化成可用的能量
其他大多数呢，则以热的形式释放到周围环境中
我们身体内进行着代谢反应，释放出热
比如呢，在一个人很多的、非常拥挤的房间内，我们会觉得非常热
就是因为每个人在代谢过程中释放出的热
大量的热释放到环境中，这个结果
就是会造成宇宙的混乱度或者是无序的程度增加
科学家们用熵来表示无序的程度
所以无序的程度越高，熵值呢也就越高
热力学第二定律说的是每次能量的转换都会导致系统的熵增加
比如冰化成水的过程，就是熵值增加的过程
如果一个过程发生导致熵值增加
那么这个过程就不需要能量的输入，被称为自发过程
相反，一个过程如果导致系统的熵值减少
这个过程就不是自发的，需要能量的支持
活着的系统增加周围环境的熵值
自然界的很多物质都是从不那么规律的物质来的
比如简单的物质合成氨基酸
然后氨基酸又进一步合成蛋白质
是从无序到有序的过程
在个体的水平上也是
很多有序而复杂的结构它们都是从简单而无序的结构而来的
那么这个呢又是怎么一回事呢？
事实上，一个生物从周围环境中获得有序的结构
然后会还给周围环境一个更加无序的结构
比如，动物从食物中获得淀粉、蛋白或其他复杂的分子
在分解这些食物的过程中，动物释放出CO2和水
这两者的化学能比食物中的化学能要小多了
大部分能量都在代谢中以热的形式释放到环境中
所以呢增加了环境中的无序性
从大的尺度上讲，能量以光的形式进入生态系统
以热的形式从生态系统释放出去
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
