臨床醫(yī)學論文-化學熱力學與生命科學

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1、臨床醫(yī)學論文■化學熱力學與生命科學作者：劉毅敏趙先英王祥智趙華文楊旭【關鍵詞】爛；，，自由能；，，生命科學摘要：綜述了熱力學中爛和自由能這兩個重要狀態(tài)函數(shù)在生命現(xiàn)象、腫瘤形成、抗癌藥物研究、生物大分子結構研究、藥物設計、蛋白質工程和基因優(yōu)化表達等中的應用。關鍵詞：爛；自由能；生命科學熱力學是研究各種形式的能量轉換規(guī)律的科學。熱力學的基礎是熱力學第一定律和熱力學第二定律，這兩個定律都是人類長期實踐和大量科學研究經(jīng)驗的總結。因為熱力學研究的能量轉換規(guī)律是自然界的一個基本規(guī)律，在其應用范圍內(nèi)具有指導意義。化學熱力學是熱力

2、學原理在化學中的應用，它主要研究和解決化淫變化過程屮能量轉化的規(guī)律、化學反應的方向和限度。人體是一個巨大的化學反應庫，生命過程是建立在化學反應基礎之上的一個非常復雜的體系。近半個世紀以來，生物學研究從整體開始，自上而下進入分子層次，而化學研究則自下而上地逐漸接觸生物體，化學與生命科學在細胞以下、分子以上的區(qū)域相遇，在這個區(qū)域不斷生長出了許多新的生長點，成為生命科學和化學的前沿領域。基于熱力淫原理的生命科學研究也是一個新生長點，本研究就此綜述如下。1爛與生命科學11炳與生命在化學熱力學中炳（S）是一個重要的函數(shù)。炳是

3、系統(tǒng)混亂度的量度，系統(tǒng)的混亂度越大，爛值越大。爛是狀態(tài)函數(shù)，爛變（AS）只取決于體系的始態(tài)與終態(tài)，與過程無關。在孤立系統(tǒng)的任何自發(fā)過程中，系統(tǒng)的爛總是増加的，這是熱力學第二定律的一種表達，也稱為爛增加原理。從宏觀來看生命過程是一個爛增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結束，這個過程是一個自發(fā)的、單向的不可逆過程。衰老是生命系統(tǒng)的爛的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度增大，當爛值達極大值時即死亡，這是一個不可抗拒的自然規(guī)律。但是，一個無序的世界是不可能產(chǎn)生生命的，有生命的世界必然是有序

4、的。生物進化是由單細胞向多細胞、從簡單到復雜、從低級向高級進化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進化，這是一個嬌減的方向，與孤立系統(tǒng)向爛增大的方向恰好相反。但是生命體是“耗散結構”，耗散結構認為一個遠離平衡態(tài)的開放體系，通過與外界交換物質和能量，在一定條件下，可能從原來的無序狀態(tài)傳變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上冇序的狀態(tài)，這個新的有序結構是靠不斷耗散物質和能量來維持的。生命體通過不斷與外界交換物質、能量、信息和負爛，可使生命系統(tǒng)的總炳值減小，從而冇序度不斷提高，生命體系才得以動態(tài)地發(fā)展。12爛與腫瘤爛增加原理也可

5、以解釋腫瘤在人體內(nèi)的發(fā)生、擴散。細胞基因癌變,造成人體正?；蚪M的異?；罨?，細胞無節(jié)制地擴增，使有序向無序轉化，加速生命的耗散，爛值異常增大,在短期內(nèi)炳值就增到極大值，人的生命便終止To現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因組內(nèi)，沒被激活時，不會形成腫瘤。原癌基因是一個活化能位點，在外界環(huán)境的誘導下，細胞可能發(fā)生癌變，即腫瘤的形成是非自發(fā)的。非自發(fā)的過程是一個爛減的過程,也就是說腫瘤細胞的炳小于止常細胞的炳［1］。然而腫瘤細胞是在體內(nèi)發(fā)生物質、能量交換的，人體這個體系就相當于腫瘤細胞的外部環(huán)境，

6、正是由于腫瘤細胞的爛減小，導致了人體這個總體系怖增大。越惡性的腫瘤，炳值越小，與體系分化越明顯，使人體的炳增也相對越大，對生命的威脅越大。13爛與抗癌藥物的研究爛増原理對人們研究抗癌藥物也有啟發(fā)。例如利用體細胞雜交法可獲得分泌抗體的雜交細胞系，當導入的抗體素抑制癌細胞的惡變、削弱它的增殖時，細胞本身的混亂程度將會減小，趨向于穩(wěn)定的低爛狀態(tài)，這就相當于給體系內(nèi)部輸送了負爛，使體系趨于有序狀態(tài)。又如DNA是許多抗腫瘤藥物的靶分子，這些藥物通過嵌入、溝槽等方式與癌細胞的DNA結合，抑制腫瘤細胞的分裂增牛，最終使腫瘤細胞增

7、生停滯，或使其向正常細胞分化，或誘導腫瘤細胞發(fā)生程序性死亡，從而產(chǎn)生抗癌作用。阿霉索（ADM）這個抗腫瘤抗生素就是以典型的嵌入方式與DNA相互結合的［2］,破壞DNA的模塊功能，阻止轉錄過程，在抑制DNA、RNA蛋白質合成的同時，也改變癌基因的結構或影響癌基因的表達。由于ADMDNA復合物比獨立的DNA和ADM分子更有序，因此導致一定程度的爛減，冇序度增加。2自由能與生命科學在化學熱力學屮，自由能是一個很重要的狀態(tài)函數(shù)，它是在等溫等壓及不作非體積功條件下化學反應自發(fā)進行的判據(jù)。如果△GvO,反應正向自發(fā)進行；△（上

8、0,反應達平衡狀態(tài)，△（；〉（），正向反應不能自發(fā)進行，而逆向反應能自發(fā)進行。21t由能與生物大分子結構研究211一種基于口由能的RNA二級結構的預測RNA在生命活動中有著重要作用，RNA的功能與其結構密切相關，因此研究RNA結構對理解RNA功能、原核基因工程和與RNA有關的生命現(xiàn)象有著重要意義。但RNA分子降解快、晶休難于獲得，目前Ft?丁?實驗條件的限制