生物化学/热力学

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为什么物质会发生反应？

化学（以及生物化学）反应只有在能量上有利的情况下才会发生到显著的程度。如果产物比反应物更稳定，那么一般来说，反应会随着时间的推移而进行。灰烬比木材更稳定，因此一旦提供了活化能（例如，用火柴点燃），木材就会燃烧。当然，这条规则也有很多例外，但是作为一个经验法则，可以相当安全地说，如果反应的产物代表一个更稳定的状态，那么该反应就会朝着正方向进行。

有两个因素决定了将反应物转化为产物的反应是否被认为是有利的：这两个因素被称为焓和熵。

焓

简而言之，焓是指物质的热含量（H）。大多数人对热有一个直观的理解……我们从小就学习不要触碰发光的炉子上的燃烧器。焓不同于那种热。焓是物质的所有内能与其压力乘以其体积的总和。因此，焓由以下公式定义：

$H=U+PV\,$

其中（所有单位均以 SI 表示）

• H 是焓
• U 是内能，（焦耳）
• P 是系统的压力，（帕斯卡）
• 而 V 是体积，（立方米）

如果反应物转化为产物时的焓最终降低（ΔH < 0），则意味着产物的焓低于反应物，并且能量被释放到环境中。这种类型的反应被称为放热反应。在大多数生物化学过程中，压力或体积几乎没有变化，因此伴随反应而产生的焓变化通常反映了系统内能的变化。因此，生物化学中的放热反应是指产物的能量低于起始物质的过程。

例如，考虑葡萄糖与氧气反应生成二氧化碳和水的反应。产物中形成了牢固的键，相对于反应物降低了系统的内能。这是一个高度放热反应，每摩尔燃烧的葡萄糖会释放 2805 千焦耳的能量（ΔH = -2805 千焦耳/摩尔）。该能量以热量的形式释放出来。

ΔH	反应物/产物	环境	有利
< 0	释放热量	升温	是
> 0	获得热量	降温	否

熵

熵（符号 S）是衡量事物随机性的指标。它代表了系统中最可能的统计可能性，因此这个概念具有极其广泛的应用。在所有类型的化学中，熵通常被认为在决定反应是否发生时至关重要，其原理是，无序的系统比有序的系统在统计上更可能出现。

这到底意味着什么？嗯，如果维苏威火山在罗马帝国时代的某个地中海城市附近爆发，火山更有可能摧毁该城市，还是在那里建造几座摩天大楼？很明显会发生什么（或者更确切地说，已经发生了什么），因为我们认为自然事件有利于随机性（破坏）而不是秩序（建造，或者在这种情况下，摩天大楼）。熵只是用数学方法表达这些基本差异。

在化学中，有三个主要的概念基于熵的概念

1. 分子内状态（自由度）
   • 分子具有的自由度（分子在空间中运动的程度）越多，随机程度就越大，因此熵就越大。
   • 分子在空间中运动有三种方式，每种方式都有一个名称：旋转 = 绕轴运动，振动 = 两个键合原子相对于彼此的分子内运动，平移 = 分子从一个地方移动到另一个地方。
2. 分子间结构
   • 当分子可以通过形成非共价键相互作用时，通常会形成结构。
   • 这往往会降低随机性（从而降低熵），因为分子之间的任何这种结合都会稳定两者的运动，并减少随机分布的可能性。
3. 可能性数量
   • 存在的分子越多，在空间中分配这些分子的方式就越多——由于统计概率，这意味着随机性的潜力更大。
   • 此外，如果在空间中有更多空间可用于分配这些分子，那么由于完全相同的原因，随机性会增加。
   • 固体物质（熵最低） << 液体 << 气体（熵最高）

熵的变化表示为 ΔS。由于上述原因（在火山情况下），熵的增加（ΔS > 0）被认为是整个宇宙有利的。熵的减少通常不被认为是有利的，除非反应系统中的能量成分可以弥补熵的减少（见下文自由能）。

ΔS	熵	有利
> 0	增加	是
< 0	减少	否

吉布斯自由能

焓（ΔH）和熵（ΔS）的变化相结合，决定了反应是有利还是不利。例如，燃烧一块木头会释放能量（放热，有利）并产生结构较少的物质（CO₂ 和 H₂O 气体，两者都比固体木材“有序”程度更低）。因此，可以预测，一旦一块木头被点燃，它就会一直燃烧，直到它消失。它之所以会这样做，是因为其吉布斯自由能的变化。

反应的总体有利性首先由著名化学家约西亚·威拉德·吉布斯描述，他将反应的自由能定义为

ΔG = ΔH - T ΔS

其中 T 是开尔文温标上的温度。上面的公式假设在反应过程中压力和温度是恒定的，这几乎总是适用于生物化学反应，因此本书在整个过程中都做出了相同的假设。

ΔG（Gibbs）的单位在 SI 系统中是“焦耳”，但“卡路里”单位也经常使用，因为它与水的性质密切相关。本书将在方便的情况下使用这两个术语，但实际上应该优先使用 SI 符号。

ΔG 到底代表什么？

如果 ΔG < 0，则反应物应该转化为产物（表示正向反应）……最终。 （吉布斯自由能没有说明反应的速率，只有其概率。）同样，对于给定的反应，如果 ΔG > 0，则已知逆反应有利于发生。ΔG = 0 的状态称为平衡，在这种状态下，正向和逆向反应以相同的速率发生，因此对系统的净影响没有改变。

如何最好地解释平衡？好吧，举个例子，你坐在客厅的地毯上，旁边是你最容易上当受骗的小侄子或侄女（一个小侄子、侄女或堂兄弟姐妹都可以）。拿出一个大富翁游戏，你拿一张十美元的钞票，把剩下的给你的小亲戚。现在，你们俩都互相给对方5%的钱。重复这个动作，一次又一次，直到最后……你们俩的钱一样多。这正是化学反应平衡的含义，尽管平衡很少会导致产物和反应物各占50%的均匀分配。

ΔG自然随反应物和产物的浓度而变化。当ΔG达到0时，正向反应速率和逆向反应速率相同，反应物和产物的浓度不再发生变化；这种状态称为化学平衡点。你和容易上当受骗的小亲戚都停止了分别获得和损失大富翁游戏中的钱；你们俩每回合都保持着相同的交换量。再次注意，平衡是动态的。化学反应在平衡时并没有停止，而是产物转化为反应物，反应物转化为产物的速度完全相同。

小的ΔG（即接近0的ΔG值）表示反应是可逆的；反应实际上可以逆向进行，将产物转化回反应物。非常大的ΔG（即ΔG>>0或ΔG<<0）正好相反，因为它表明给定的反应是不可逆的，即一旦反应物变成产物，很少有分子会回到反应物。

代谢途径

我们食用的食物被加工成我们细胞的一部分；DNA、蛋白质等。如果这个过程中的生化反应是可逆的，那么即使我们短时间不吃东西，我们也会把自己的DNA转化回食物分子。为了防止这种情况发生，我们的代谢被组织成代谢途径。这些途径是一系列生化反应，总体上是不可逆的。途径中的反应按顺序发生，第一个反应的产物是第二个反应的反应物，依此类推。

A ⇌ B ⇌ C ⇌ D ⇌ E

这些反应中至少有一个必须是不可逆的，例如：

A ⇀ B ⇌ C ⇌ D ⇀ E

不可逆步骤（例如 A → B）的控制使细胞能够控制整个途径，从而控制所用反应物的数量以及所生成产物的数量。

有些代谢途径确实有“返程”，但不是同一条途径的反向。相反，在利用现有途径的可逆步骤的同时，至少有一个不可逆反应在返程中被另一个（不可逆）反应所绕过，从 E 到 A。

E ⇀ X ⇌ C ⇌ B ⇀ A

这个反应本身是受控制的，使细胞能够选择途径运行的方向。

自由能和平衡

对于 ΔG（反应的自由能），定义了标准条件

• 反应物和产物的浓度为 1Mol/dm³
• 温度为 25°C
• 酸度为 pH 7.0

在这些标准条件下，ΔG^0'定义为标准自由能变化。

对于一个反应

A + B ⇌ C + D

产物与反应物的比率由k_eq'给出（=pH 7.0 时的 k_eq）

$k_{eq}^{\prime }={{\text{products}} \over {\text{reactants}}}={[C][D] \over [A][B]}$

ΔG^0' 和 k_eq' 的关系是

ΔG^0' = - R T ln k_eq' = - R T 2.30 log₁₀ k_eq'

其中

R = 8.315 [J mol^-1 K^-1] (摩尔气体常数)

T = 温度 [K]

In = log_e (“e” 等于 2.71828…)

理论上，我们现在可以确定一个反应是否是有利的（ΔG^0' < 0）。然而，反应可能需要一个催化剂才能在合理的时间内发生。在生物化学中，这种催化剂被称为酶。

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DNA熔解或DNA变性的目的是强调和证明所有生物的生命周期以及复制起源。复制起源的具体结构因物种而异。此外，复制起源的特定序列位于基因组中，即人类基因。然而，DNA复制也是复制起源的一部分，在原核生物和真核生物等生物体内进行研究。

从热力学角度看，DNA变性有两个重要的贡献。其中一个是断裂双螺旋中碱基之间的所有氢键；另一个是克服碱基堆叠的稳定性/能量。有多种方法可以使DNA变性；热量被称为实验室中最常用的方法。我们只需要将样品加热到超过其熔点，就可以监测DNA的解堆叠能力。DNA的熔点和变性取决于几个因素：DNA的长度、DNA的碱基组成、DNA的条件以及缓冲液的组成。例如，较长的DNA将含有更多的氢键和更多的分子间作用力，而较短的DNA则较少；因此，较长DNA的变性需要更多的时间和更多的热量。DNA的碱基组成也可以作为一个关键因素，因为A:T需要两个氢键，而G:C相互作用需要三个氢键。含有更多A:T的DNA区域将比G:C更快地熔化/变性。我们还可以看到DNA的条件是如何重要的，因为DNA的条件与DNA是松弛的、超螺旋的、线性的还是高度缺口的有关。这很重要，因为它可以让我们检查双螺旋中存在多少分子间作用力。最后，缓冲液的条件也对研究DNA变性起着至关重要的作用，因为它可以让我们在整个过程中控制溶液中存在的离子数量。

从生物学角度看，DNA变性可以在细胞内发生，在DNA复制或翻译过程中。在这两种情况下，DNA变性都是一个必不可少的步骤，也是每个过程的开始。大多数情况下，变性是由于蛋白质或酶与DNA的特定区域结合而发生的，这种结合很可能导致螺旋的打开或变性。然而，DNA熔化的真正含义是DNA的变性，它使DNA的结构从双链变为单链。DNA变性的过程是解开双链脱氧核糖核酸并通过断裂碱基之间的氢键将其分解成两条单链。DNA变性也称为DNA退火，因为它可以逆转。DNA退火的主要步骤是双螺旋将经历变性，成为部分变性的DNA，然后将链分离成两条随机卷曲的单链DNA。