结构生物化学/熵

熵 (S) 是热力学中衡量系统随机性的指标（也可以简化为“无序”）。熵也可以被描述为无法做功的热能，因为随着系统变得更加无序，能量变得更加均匀分布。熵在描述能量在系统中的使用和传递方式时尤为重要。熵的精确值无法测量；但是，通过 Josiah Willard Gibbs 和 James Clerk Maxwell 推导出的关系，可以根据可测量函数（如温度和压力）来计算一个状态到另一个状态之间的能量变化。这个值反过来可以洞悉化学反应的偏好，最重要的是，可以计算吉布斯自由能 (ΔG = ΔH-TΔS)。

使用气相的统计力学，可以通过玻尔兹曼公式估计熵。根据该公式，S = k ln W，其中 k，玻尔兹曼常数，等于 1.381 x 10⁻²³（以 J/K 为单位）。玻尔兹曼常数是通过与气体常数 R = kNA 相联系而计算出来的。W 代表样品中原子或分子可以排列的次数，同时保持相同的总能量。

需要注意的是，熵的变化，就像温度和体积一样，是一个状态函数：该值与从初始状态到最终状态所使用的路径无关。此外，宇宙的总熵变是正的，这意味着宇宙正在不断地向更高无序的状态移动。

一个简单的熵增加的例子是冰融化成水。冰的结构是一个有序的晶体系统。当以热量的形式将能量输入系统时，分子开始更快地移动，不再具有冰的整齐有序结构。因此，它们在空间中的分布更加“随机”。另一个熵增加的例子是，当一个反应产生的产物摩尔数比反应物在相同相中的摩尔数多时。

分子内反应比分子间反应更有利，这是由熵解释的。在分子间偶联中，两个分子结合形成一个，从而增加了系统的有序性并降低了熵。在分子内反应中，开始和结束时只有一个分子，这不会以不利的方式改变系统的熵，如分子间反应中所见。

熵可以进一步细分为热无序，其中熵随着热量添加到系统中而增加，以及位置无序，它与随着系统体积增加而增加的熵有关。

熵在生物化学中也特别重要，因为生命的非正式定义之一是分子聚合体，它们努力降低特定局部区域或体积中的熵。此外，它有助于描述在生物化学系统中发现的许多现象，这些现象将在下面介绍。

生物化学相互作用中的熵

熵是衡量封闭热力学系统中不可用能量的指标，通常也被认为是系统无序性的指标，即系统状态的一个属性。它随着系统中任何可逆热量变化而直接变化，并随着系统温度的降低而反向变化。

熵可能是自然界中一种强大的驱动力。例如，它在水中的疏水性物质的行为中起着非常重要的作用。一个非常常见的熵起作用的例子是溶液中的脂类。较长烃链的非极性倾向于“迫使”水分子在饱和分子部分周围排列成有序模式。这种有序模式降低了熵，因为它阻止了水分子通过氢键与其他水分子自由地结合。熵的增加将导致更负的吉布斯自由能，以及自发的反应。降低熵变化的饱和效应是脂类相互结合而不是与水结合的驱动力。脂类结合在一起以减少其分子周围的水量，从而增加熵。这种现象导致生命基本进化成分的形成，例如脂双层结构，例如真核细胞的脂双层膜。

另一个可以找到疏水性分子与水分离的熵有利的地方是酶的活性位点。许多酶在其活性位点具有高浓度的疏水残基。酶与其底物的结合通过将水分子从活性位点中驱逐出来来缓解熵的缺乏。

了解熵在化学中的作用的价值可以在实验室中得到利用。例如，可以在含有至少一种或多种蛋白质的水溶液中添加高浓度的硫酸铵。蛋白质比硫酸铵离子大得多。因此，新溶解的盐的浓缩电荷吸引溶液中的水分子，在它们周围形成水合壳。为了在硫酸铵周围形成这些壳，必须使用来自蛋白质周围水合壳的水分子。蛋白质的水合壳通常更具序，因为并非所有蛋白质表面都带电，也不是所有电荷都像浓缩一样。因此，蛋白质周围水分子减少的程度会达到一个极限，蛋白质在水中变得不溶并沉淀出来，以便进一步分离和研究。。

然而，熵也可能在生物化学中发挥负面作用。
例如，蛋白质在加热时变性是一个熵在变性中发挥作用的例子。在折叠的蛋白质中，由于其紧密结构，熵很高。当蛋白质展开（变性）时，蛋白质中的疏水区域被水包围。总体上熵没有变化，但蛋白质会变性。

海上漏油也遵循相同的论点。

相变过程中的熵

水的相变的熵图

如前所述，熵是衡量无序性的指标，在相变时也是如此。

这可以被认为是一种更简化的方式。例如，在 H₂O 的固态形式中，它们处于非常坚固且有序的晶体结构中。随着温度升高，坚固的晶体结构开始从它们彼此紧密结合（通过氢键）中松开，最终发生熔化。冰变成液体。该系统的无序程度增加了，它从坚固的晶体结构变为一堆自由移动的分子。这种发生这种相变的无序程度是熵，具体而言，在熔化的情况下，是熔化熵。