为什么∆G = ∆H -T∆S是生物化学中最重要的方程式

生物化学是对生物学相关的化学反应的研究,主要是涉及有机(含有碳)化合物的化学反应。生物化学的主要主题之一是了解哪个che

生物化学是对生物学相关的化学反应的研究,主要是涉及有机(含有碳)化合物的化学反应。生物化学的主要主题之一是了解生物中哪些化学反应以及原因。描述这一点的主要方程式是:∆G = ∆H – t∆s。

用英语说:“自由能(g)的变化等于焓(h)减去温度(t)的变化倍于熵的变化。”这清除了吗?可能不是。

∆G = ∆H – T ∆S

要了解这个极其抽象的方程式,让我们将其分解。每当有一个三角洲(∆)时,意味着“变化”。例如,如果我们从七个cookie开始,现在只剩下两个cookie,则(∆)cookie的更改为-5。我们测量变化的原因(∆)是因为即使不是不可能测量的,基本值可能很难。除温度(t)外,其他任何术语都不能直接测量。我们只能衡量更改。

自由能(G)是指可用于做有用工作的能量。运行笔记本电脑或智能手机时,电池将无法使用所有存储的能源进行有用的工作。我们怎么知道?因为那些电子设备变热了。这不应该在理想的世界中发生。这是浪费的能量。但是,我们无能为力,因为我们不生活在理想的世界中。 (稍后更多。)结果,自由能(∆G)的变化始终小于可以提取的用于有用工作的总能量。

焓(H)是一个略微奇怪的概念,化学家发明了来帮助他们了解化学反应期间能量变化。焓(∆H)的变化本质上是热的变化。 (它比这还要复杂得多,因为它还包括压力量的工作。幸运的是,这种情况通常可以忽略并且可以忽略。)化学反应要么吸收热量(并变得更冷)或释放热量(并变得更温暖触摸),焓(∆H)的变化测量了这一点。t∆s,最后一项表示温度(t)的乘积和熵的变化(∆S)。还记得我们不居住的理想世界的理想世界吗?热力学的第二定律告诉我们,熵(可以被认为是“废物能量”,“混乱”或“混乱”)总是在宇宙中增加。您可以将熵视为宇宙为每次能源转移收取的一种“税”。必须从∆H中减去代表该“税”数量的TΔS。

让我们再次尝试以简单的英语重述方程∆G = ∆H – tΔS:可用的能量的变化有用的工作(∆G)等于热的变化(一种能量传递形式)化学反应(∆H)减去宇宙收集的一些荒谬的“税”(TΔS)。

∆G确定是否会发生化学反应

伟大的。这与生活有什么关系?很高兴你问!

生命很复杂,需要许多“自发性”的化学反应。没有干预发生自发反应。如果留给自己的设备(也就是说,没有能量输入),那么化学反应本身就会发生。请注意,这与速度无关。自发反应可能非常快或令人难以置信的慢。由于锈的形成引起的腐蚀是自发的,但需要很长时间。要使身体的细胞生存,它们需要同时进行自发反应和非自发反应。 (非自发反应的一个例子是构建蛋白质。)细胞可以执行非自发反应的方式是“耦合”自发反应(能量良好,并释放出自由能)向非自发反应(在能量上不利,需要自由能的输入)。只要总体过程导致自由能的净释放(按照惯例,我们认为这是负∆G值),反应可以进行。

图片来源:Muessig / Wikimedia Commons通过CC BY-SA 3.0。由Big Think修改为包括蓝色盒子。

上图显示了细胞中非常典型的化学反应。细胞可以从葡萄糖(-代)中提取自由能,以产生驱动蛋白质合成的中间体和高能分子(称为ATP),该分子需要自由能的输入(+∆G)。由于整个过程具有自由能的净释放(-ΔG),因此可以进行反应。

如果我们的细胞无法使用自发的,能量有利的化学反应(–ΔG)驱动非自发,能量不利的化学反应(+∆G)的能力,则不可能存在生命。这就是为什么∆G = ∆H – tΔS是生物化学中最重要的方程式。注意:这是文章的末尾。但是铁杆生物化学爱好者可以随意继续阅读!

奖励材料:∆G = ∆G°’ + rt ln([c] [d] / [a] [b])

通常,科学实际上比这要复杂得多。考虑形式的通用化学反应:a + b c + d,其中a和b是反应物,c和d是产物。生物化学中最重要的方程式是自由能变化(∆G)的替代定义:

∆G = ∆G°’ + rt ln([c] [d] / [a] [b])

该方程式不易于简单简单的解释,但总要旨是自由能的变化(∆G)取决于化学反应物和产物(∆G°’)的固有性质加上常数(r)倍的温度(t)C和D浓度(即[C] times [D])乘积的天然对数(Ln)除以A和B的浓度的乘积(即,[A]时间[b])。

∆G°’,称为pH 7处的标准自由能变化,是当所有产品(C和D)和反应物(A和B)最初以1M的浓度(1摩尔)出现时计算出的值/升)在25°C处的1个压力大气处。在这些“标准条件”下 – 仅在实验室的试管内发现的人造条件 – 反应物([a]和[b])的浓度([a]和[b])和产物([c]和[d])始终以非常具体的值稳定,取决于化学反应的性质。值k’eq是每个化学反应是独有的常数,它是通过乘以产物的最终浓度([c]次[d])来计算的,然后除以反应物浓度的乘积( [a]次[b])。k’eq = [c] [d] / [a] [b]

因为k’eq是常数,所以r是常数,温度(t)在标准条件下定义为25°C(这也意味着它也是常数),所以值∆g°’本身就是一个常数每个化学反应都独有。

∆G°’= -RT LN(K’EQ)

但是它变得更加复杂。反应是自发的还是非自发的,取决于∆G,而不是∆G°’。单元内的条件不是标准条件。反应物和产物的浓度绝不为1m(1摩尔/升),温度不是25°C。因此,计算∆G需要考虑这些考虑因素,这就是我们到达上面显示的公式的方式:

∆G = ∆G°’ + rt ln([c] [d] / [a] [b])

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