其实所有的生物过程都可以被认为是化学和物理过程。有很多东西非常巧妙,所谓的提供能量,其实是提供给化学反应了,而化学反应的结果又往往伴随物理变化。
体内通行的能量货币是高能磷酸类化合物,其中最主要的是三磷酸腺苷,俗称ATP。它拥有三个高能磷酸键(A是腺苷的缩写,P是磷酸的缩写,T代表三个),之所以成为高能磷酸键是因为其键能含量非常大,在生化反应中,ATP直接断裂一个高能磷酸键,脱去一个磷酸,形成一个二磷酸腺苷(ADP,D代表两个),而释放的能量直接被反应物吸收,生成新的化合物。类似就是ATP+反应物==ADP + 生成物。能量并不一定直接释放,而是直接又变成了化学能。但是其中包含着各种复杂的物理化学变化,比如电的变化等等,我下面我举一个例子,简单讲讲,就比如光合磷酸化合成ATP(如下图)。
水的光解:
首先在一个半透膜(其实就是叶绿体里面的基粒上,物质不能随意跨越)中,分布着各种蛋白和色素等等,比如图中的PS就是光系统的简称,主要是一些叶绿素和酶,包括两个途径,以PS II为例子,通过吸收光的能量分解水,俗称水的光解(其实过程很复杂,这个研究获得了诺贝尔奖,想知道可以去找大学的生物化学有关资料看,其实可以深究到光子活化色素上的基团,通过电的作用,形成非常活泼的光电子e-,然后强行把水分解)。光解产生了H+离子和氧气,氧气被排出。而ATP合成的能量来源在于H+离子。
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H+离子的富集:
H+离子通过如下两种方式在膜的一侧(图中的下方)富集:
一是水的光解产生H+,上文已经提到;
二是通过图中的PQ→PQH2途径;即你可以看到,那个Cytb6f中,有两个反应
靠近膜上侧: PQ+ 2H+ + 2e- === PQH2
靠近膜下册: PQH2 === PC + 2H+ +e-
从而,通过这两个途径,途中膜的下方一侧会不断地积累H+离子。
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关于ATP的合成:
图中细胞膜上的CF6就是ATP合成酶,你可以看到它的特殊结构,由两部分组成,一个是圆柱形,另一个是有六个叶片状,这六个叶片其实是它的辅助基团,分别有不同的功能,相当于是一个车间的六个流水线工人,分别在其上面发生不同的化学反应(催化),共同组装ADP和P(磷酸),形成ATP。
要值得注意的是,这整个CF6是中空的,而且允许H+离子通过!
于是,H+离子由于浓度差的原因,会源源不断地从膜的一侧通过CF6进入膜的另一侧,由于H+本身带电,于是就和e-的运动形成了一个完整的回路,即所谓的生物电流。正是由于这个H+离子流,推动了CF6上六个辅助基团,为其提供能量并使其不断地转动,源源不断地合成ATP,就类似水流推动涡轮发电机!
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而ATP再进一步通过“ATP +底物==== ADP +产物”等方式去合成各类糖,脂肪,蛋白质,核酸等物质,进而再去构筑一个完整的生命体。其中的很多过程还有不清楚的地方。
而你所说的有力量,其实是肌肉的收缩,肌肉的收缩也是通过化学→生物电→机械运动的过程。包括神经传导也是,神经信号(专业词叫神经冲动)也是一种电信号,是通过化学反应释放出某种带电的物质,然后形成电流,被神经传导,被神经中枢接受。这也是为什么人被电击以后会浑身抽搐,痉挛,其实就是外来电流直接刺激了神经和肌肉,使之响应。
化学反应速率慢是相对的,其实生物体内多是路易斯酸碱中和,这个反应是非常快的,神经传导其实就是信号物质和受体的结合。而肌肉发力其实是之前就储存好的,就像水库蓄水,然后接到信号就放水,产生电,使肌肉收缩。
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因为你从上面就大概有体会了吧?生物体太复杂,太奇妙,太伟大,已经超越了人类历史上任何一个被成为奇思妙想的发明物,如果真的存在造物主的话,那是一个何等智慧的存在。你也应该明白为什么有这么多科学家孜孜不倦。
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在回答你的问题之余,我也不禁又一次由衷地感谢各位前辈们,诺贝尔奖已经就光合作用,ATP合成等,我上面讲的内容主要是1988年和1997年诺贝尔化学奖的成果的一部分。
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为了让你更好地理解问题,我再放一张图,这两张图都是本科生化课课件里的。
在这个图里,你可以更具体地看到,水裂解酶的活性中心其实是一个锰离子。而H在这里我补充一下,NADP+和NADPH也是生物体内一个非常重要的东西,它本身那个P可以断裂提供能量,但是更重要的是储存、运输和提供H+离子。特别是植物的光合作用系统I里,就是图中的photosystem,即上文的PS。
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我是北京某高校化学专业的毕业生,答案绝对原创手打,希望能给后人解惑,理解不够到位或有偏差的地方,希望后来人帮忙改正。最后,希望我的回答对你有帮助,也在此感谢我本科的生化老师。