
【化】 biochemical thermodynamics
【化】 biochemistry
energetics; thermodynamics
【化】 thermodynamics
生化熱力學(Biochemical Thermodynamics) 是熱力學與生物化學的交叉學科,主要研究生物系統内能量轉換、物質代謝及相關熱力學規律。其核心在于運用熱力學定律(如能量守恒、熵增原理)定量分析生物分子(如酶、蛋白質、核酸)的結構穩定性、反應方向性及能量效率。
能量轉換與代謝
生物體通過代謝途徑(如糖酵解、氧化磷酸化)将化學能(如ATP)轉化為機械能、熱能等,遵循熱力學第一定律(能量守恒)。例如,ATP水解反應:
$$ce{ATP + H2O <=> ADP + Pi}$$
其标準吉布斯自由能變化($Delta G^{circ}$)約為 -30.5 kJ/mol,表明反應可自發進行并釋放能量 。
生物分子穩定性
蛋白質折疊、DNA雙螺旋形成等過程受熵變($Delta S$)和焓變($Delta H$)共同影響。疏水效應是蛋白質折疊的主要驅動力,其本質是熵增過程 。
反應方向性與平衡
通過吉布斯自由能($Delta G = Delta H - TDelta S$)判斷生化反應的自發性。若 $Delta G < 0$,反應正向進行;$Delta G = 0$ 時達平衡(如酶促反應平衡)。
非平衡态熱力學
活細胞處于遠離平衡的穩态,需持續輸入能量維持有序性(如離子梯度、代謝通量),符合熱力學第二定律的耗散結構理論 。
生化熱力學為理解生命活動的能量基礎提供定量框架,應用于藥物設計(如抑制劑結合能計算)、生物工程(代謝途徑優化)及疾病機制研究(如線粒體功能障礙分析)。
參考文獻來源(基于權威教材與綜述):
生化熱力學是熱力學原理在生物化學系統中的交叉應用學科,主要研究生物體内能量轉化、化學反應平衡及生命過程中的熱力學規律。以下是詳細解析:
學科定位
結合生物學與化學熱力學(),通過熱力學定律定量分析生物大分子(如酶、蛋白質)的相互作用、代謝反應的能量變化,以及細胞内的物質輸運過程。
核心定律
生物系統多為開放體系,需考慮物質/能量交換(如細胞膜運輸),而傳統熱力學多針對孤立/封閉系統()。
可通過《生物物理化學》《系統生物學》等教材深入了解熱力學參數在活體系統中的測量方法。
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