结构生物化学/物理学

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简介

物理学是研究物理现象以及物质和能量之间相互作用的科学。一般来说，它是对自然行为的考察和探索。作为最古老的学术分支之一，物理学与其他学科交织在一起，帮助解释有生命和无生命宇宙的基本性质。

热力学

第一定律

热力学“第一定律”简单来说就是能量是守恒的（即能量既不会被创造也不会被消灭，而是从一种形式转化为另一种形式）。尽管对第一定律有很多不同的等价陈述，但最基本的是

$dU=dQ+dW$

dU = 内能的微小变化，

dQ = 热流的微小变化，

dW = 做功的微小变化。

换句话说，第一定律指出

提供的热量等于系统内能的增加量加上系统做的功。如果考虑到热量，能量是守恒的。

熵

热力学使我们能够预测系统的初始状态和最终状态。换句话说，它是预测化学系统中平衡位置的极有用工具。热力学第一定律指出，初始状态和最终状态之间的能量始终是守恒的。然而，第一定律并没有提供关于化学反应程度或平衡浓度的信息。^[1] 热力学第二定律引入了熵 S的概念，它是一个系统的状态函数。熵有助于预测平衡，因为系统的平衡浓度对应于系统的最大熵；^[1] 熵可以充当反应的驱动力。因此，热力学第二定律指出

“孤立系统中的热力学平衡是在系统的熵最大化时实现的”^[1]

在数学上，熵表示为

$dS\equiv {\frac {dq}{T}}$^[1]

对于封闭系统中的可逆过程，其中 dq 是热能，T 是温度。可逆过程是指系统始终非常接近平衡的过程。对系统的扰动必须足够小，以使系统及其周围环境能够恢复到初始状态。熵的变化（一个更有用的值）定义为

$\Delta S=S_{2}-S_{1}=\int _{1}^{2}{\frac {\mathrm {d} q_{rev}}{T}}$^[1]

在观察封闭容器中冰在 25 ^oC 时融化的过程可以看到熵增加的例子。由于温度恒定，可以看出液体水中的分子总热能大于冰中的分子热能。因此，ΔS 为正值，这意味着熵已增加以达到平衡。

熵在概念上比温度或能量等其他状态函数更难理解。此外，熵是一个宏观属性；一个分子不表现出熵。考虑一个封闭的容器，容器中心有一个隔板，隔板的一侧由气体 A 组成，另一侧是空的。如果移除隔板，气体 A 停留在容器的一侧的概率非常小。A 分子的最可能分布是气体 A 将均匀分布在整个容器中。这种分布可以被视为平衡热力学状态，它恰好是最可能的状态，也是最无序的状态。

焓

焓是衡量恒压下热传递的指标，通常表示为$H$。在数学上，焓表示为

$H=E+PV$

其中 E 是系统的内能，P 是内压，V 是体积。PV 考虑了膨胀功所消耗的能量。

焓的变化则表示为

$\Delta H=\Delta E+P\Delta V$

其中压强保持恒定。 $\Delta H$ 本质上是经过功修正后的内能。

反应焓被分配给化学反应，以表示在与周围环境交换能量时转移到系统中或从系统中转移出的能量量。释放热量的反应被称为放热反应，其中 $\Delta H$ 为负。需要输入热量的反应被称为吸热反应，其中 $\Delta H$ 为正。

吉布斯自由能

自由能 是对过程自发发生的趋势的测量。它取决于三个不同的量：熵变、焓变和温度。吉布斯自由能是系统的焓减去温度和系统的熵，G = H - TS。自由能的正变化（例如吸能反应）在热力学上是不利的，而自由能的负变化（例如放能反应）在热力学上是有利的。 在生物系统中，许多具有正自由能的反应同时与具有负自由能的反应偶联。例如，谷氨酰胺的合成是通过消耗 ATP 水解来实现的。

吸能反应

吸能反应 是具有正吉布斯自由能的反应。这些反应在热力学上是不利的，底物不容易形成产物。必须将能量输入系统以驱动这些反应。

放能反应

放能反应 是热力学上有利的。这些类型的反应具有负的吉布斯自由能，并且能够容易地形成产物。然而，尽管这些反应在能量上是有利的，但这并不意味着反应会以合理的速度发生。这是由于高的活化能垒。为了降低这些障碍，需要引入催化剂。

电荷：斯特恩-格拉赫实验

这个量子力学领域的标志性实验描述了原子可以具有的电荷性质。这个概念与生物化学有关，因为单体、二聚体等如何与金属中心结合（例如，铁是血红蛋白用作配位中心的金属中心）。这些蛋白质结构通过与金属离子氧化态相对应的配位络合物与金属中心结合。金属离子的氧化态受金属离子的自旋电荷的影响，正是由于斯特恩-格拉赫实验才解释了原子中电荷的性质。斯特恩-格拉赫实验是一个标志性的量子力学实验，它物理地展示了银原子的自旋电荷。银原子的电子在两个垂直方向的磁体之间发射。这些磁体提供了磁场，根据电子表观的自旋将它们分离。该实验的结果是两个自旋，一个向上，一个向下，分别表示为 + 1/2 和 -1/2。然后，这两束方向性自旋的电子通过第二组水平方向的磁体。添加的结果再次是两束方向性不同的自旋电子，只不过是在水平方向上。该实验的最后一部分是将来自水平方向自旋电子的一束电子发送到另一组磁体中，这些磁体与第一组磁体的方向相同。从最后一组磁体中产生的电子束是最重要的发现。使用第三个磁体实施的主要思想是出现两束电子束，就像在第一组磁体中经历的那样。由于显示的电子束具有相同自旋性质，这反过来表明来自两个磁体的两束电子在以不同方式定向后，彼此是特征值，这意味着它们属于同一个算符。整个实验展示了电荷的重要性，以及如何利用它来描述量子行为的本质以及配位配体结合的本质。

生物化学的基础

物理学是生物化学的基础之一；它涉及不同类型的能量和力。力的类型

1. 离子力——电荷-电荷相互作用
2. 偶极相互作用——涉及电负性（从增加顺序排列：P、H、S、C、Br、Cl、N、O、F）并包含疏水相互作用。
3. 范德华力——分子排斥
4. 氢键

进一步阅读

1. Nelson, David (2005). Principles of Biochemistry (第 4 版)。Sara Tenney。 ISBN 0-7167-4339-6. {{cite book}}: |edition= has extra text (help)
2. Levine, Ira N. (2002). 物理化学 (第 5 版)。McGraw-Hill。 ISBN 0-07-231808. {{cite book}}: |edition= has extra text (help); Check |isbn= value: length (help)