
【化】 biochemical thermodynamics
【化】 biochemistry
energetics; thermodynamics
【化】 thermodynamics
生化热力学(Biochemical Thermodynamics) 是热力学与生物化学的交叉学科,主要研究生物系统内能量转换、物质代谢及相关热力学规律。其核心在于运用热力学定律(如能量守恒、熵增原理)定量分析生物分子(如酶、蛋白质、核酸)的结构稳定性、反应方向性及能量效率。
能量转换与代谢
生物体通过代谢途径(如糖酵解、氧化磷酸化)将化学能(如ATP)转化为机械能、热能等,遵循热力学第一定律(能量守恒)。例如,ATP水解反应:
$$ce{ATP + H2O <=> ADP + Pi}$$
其标准吉布斯自由能变化($Delta G^{circ}$)约为 -30.5 kJ/mol,表明反应可自发进行并释放能量 。
生物分子稳定性
蛋白质折叠、DNA双螺旋形成等过程受熵变($Delta S$)和焓变($Delta H$)共同影响。疏水效应是蛋白质折叠的主要驱动力,其本质是熵增过程 。
反应方向性与平衡
通过吉布斯自由能($Delta G = Delta H - TDelta S$)判断生化反应的自发性。若 $Delta G < 0$,反应正向进行;$Delta G = 0$ 时达平衡(如酶促反应平衡)。
非平衡态热力学
活细胞处于远离平衡的稳态,需持续输入能量维持有序性(如离子梯度、代谢通量),符合热力学第二定律的耗散结构理论 。
生化热力学为理解生命活动的能量基础提供定量框架,应用于药物设计(如抑制剂结合能计算)、生物工程(代谢途径优化)及疾病机制研究(如线粒体功能障碍分析)。
参考文献来源(基于权威教材与综述):
生化热力学是热力学原理在生物化学系统中的交叉应用学科,主要研究生物体内能量转化、化学反应平衡及生命过程中的热力学规律。以下是详细解析:
学科定位
结合生物学与化学热力学(),通过热力学定律定量分析生物大分子(如酶、蛋白质)的相互作用、代谢反应的能量变化,以及细胞内的物质输运过程。
核心定律
生物系统多为开放体系,需考虑物质/能量交换(如细胞膜运输),而传统热力学多针对孤立/封闭系统()。
可通过《生物物理化学》《系统生物学》等教材深入了解热力学参数在活体系统中的测量方法。
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