生物化學/熱力學

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為什麼物質會發生反應？

化學（以及生物化學）反應只有在能量上有利的情況下才會發生到顯著的程度。如果產物比反應物更穩定，那麼一般來說，反應會隨著時間的推移而進行。灰燼比木材更穩定，因此一旦提供了活化能（例如，用火柴點燃），木材就會燃燒。當然，這條規則也有很多例外，但是作為一個經驗法則，可以相當安全地說，如果反應的產物代表一個更穩定的狀態，那麼該反應就會朝著正方向進行。

有兩個因素決定了將反應物轉化為產物的反應是否被認為是有利的：這兩個因素被稱為焓和熵。

焓

簡而言之，焓是指物質的熱含量（H）。大多數人對熱有一個直觀的理解……我們從小就學習不要觸碰發光的爐子上的燃燒器。焓不同於那種熱。焓是物質的所有內能與其壓力乘以其體積的總和。因此，焓由以下公式定義：

$H=U+PV\,$

其中（所有單位均以 SI 表示）

• H 是焓
• U 是內能，（焦耳）
• P 是系統的壓力，（帕斯卡）
• 而 V 是體積，（立方米）

如果反應物轉化為產物時的焓最終降低（ΔH < 0），則意味著產物的焓低於反應物，並且能量被釋放到環境中。這種型別的反應被稱為放熱反應。在大多數生物化學過程中，壓力或體積幾乎沒有變化，因此伴隨反應而產生的焓變化通常反映了系統內能的變化。因此，生物化學中的放熱反應是指產物的能量低於起始物質的過程。

例如，考慮葡萄糖與氧氣反應生成二氧化碳和水的反應。產物中形成了牢固的鍵，相對於反應物降低了系統的內能。這是一個高度放熱反應，每摩爾燃燒的葡萄糖會釋放 2805 千焦耳的能量（ΔH = -2805 千焦耳/摩爾）。該能量以熱量的形式釋放出來。

ΔH	反應物/產物	環境	有利
< 0	釋放熱量	升溫	是
> 0	獲得熱量	降溫	否

熵

熵（符號 S）是衡量事物隨機性的指標。它代表了系統中最可能的統計可能性，因此這個概念具有極其廣泛的應用。在所有型別的化學中，熵通常被認為在決定反應是否發生時至關重要，其原理是，無序的系統比有序的系統在統計上更可能出現。

這到底意味著什麼？嗯，如果維蘇威火山在羅馬帝國時代的某個地中海城市附近爆發，火山更有可能摧毀該城市，還是在那裡建造幾座摩天大樓？很明顯會發生什麼（或者更確切地說，已經發生了什麼），因為我們認為自然事件有利於隨機性（破壞）而不是秩序（建造，或者在這種情況下，摩天大樓）。熵只是用數學方法表達這些基本差異。

在化學中，有三個主要的概念基於熵的概念

1. 分子內狀態（自由度）
   • 分子具有的自由度（分子在空間中運動的程度）越多，隨機程度就越大，因此熵就越大。
   • 分子在空間中運動有三種方式，每種方式都有一個名稱：旋轉 = 繞軸運動，振動 = 兩個鍵合原子相對於彼此的分子內運動，平移 = 分子從一個地方移動到另一個地方。
2. 分子間結構
   • 當分子可以透過形成非共價鍵相互作用時，通常會形成結構。
   • 這往往會降低隨機性（從而降低熵），因為分子之間的任何這種結合都會穩定兩者的運動，並減少隨機分佈的可能性。
3. 可能性數量
   • 存在的分子越多，在空間中分配這些分子的方式就越多——由於統計機率，這意味著隨機性的潛力更大。
   • 此外，如果在空間中有更多空間可用於分配這些分子，那麼由於完全相同的原因，隨機性會增加。
   • 固體物質（熵最低） << 液體 << 氣體（熵最高）

熵的變化表示為 ΔS。由於上述原因（在火山情況下），熵的增加（ΔS > 0）被認為是整個宇宙有利的。熵的減少通常不被認為是有利的，除非反應系統中的能量成分可以彌補熵的減少（見下文自由能）。

ΔS	熵	有利
> 0	增加	是
< 0	減少	否

吉布斯自由能

焓（ΔH）和熵（ΔS）的變化相結合，決定了反應是有利還是不利。例如，燃燒一塊木頭會釋放能量（放熱，有利）併產生結構較少的物質（CO₂ 和 H₂O 氣體，兩者都比固體木材“有序”程度更低）。因此，可以預測，一旦一塊木頭被點燃，它就會一直燃燒，直到它消失。它之所以會這樣做，是因為其吉布斯自由能的變化。

反應的總體有利性首先由著名化學家約西亞·威拉德·吉布斯描述，他將反應的自由能定義為

ΔG = ΔH - T ΔS

其中 T 是開爾文溫標上的溫度。上面的公式假設在反應過程中壓力和溫度是恆定的，這幾乎總是適用於生物化學反應，因此本書在整個過程中都做出了相同的假設。

ΔG（Gibbs）的單位在 SI 系統中是“焦耳”，但“卡路里”單位也經常使用，因為它與水的性質密切相關。本書將在方便的情況下使用這兩個術語，但實際上應該優先使用 SI 符號。

ΔG 到底代表什麼？

如果 ΔG < 0，則反應物應該轉化為產物（表示正向反應）……最終。 （吉布斯自由能沒有說明反應的速率，只有其機率。）同樣，對於給定的反應，如果 ΔG > 0，則已知逆反應有利於發生。ΔG = 0 的狀態稱為平衡，在這種狀態下，正向和逆向反應以相同的速率發生，因此對系統的淨影響沒有改變。

如何最好地解釋平衡？好吧，舉個例子，你坐在客廳的地毯上，旁邊是你最容易上當受騙的小侄子或侄女（一個小侄子、侄女或堂兄弟姐妹都可以）。拿出一個大富翁遊戲，你拿一張十美元的鈔票，把剩下的給你的小親戚。現在，你們倆都互相給對方5%的錢。重複這個動作，一次又一次，直到最後……你們倆的錢一樣多。這正是化學反應平衡的含義，儘管平衡很少會導致產物和反應物各佔50%的均勻分配。

ΔG自然隨反應物和產物的濃度而變化。當ΔG達到0時，正向反應速率和逆向反應速率相同，反應物和產物的濃度不再發生變化；這種狀態稱為化學平衡點。你和容易上當受騙的小親戚都停止了分別獲得和損失大富翁遊戲中的錢；你們倆每回合都保持著相同的交換量。再次注意，平衡是動態的。化學反應在平衡時並沒有停止，而是產物轉化為反應物，反應物轉化為產物的速度完全相同。

小的ΔG（即接近0的ΔG值）表示反應是可逆的；反應實際上可以逆向進行，將產物轉化回反應物。非常大的ΔG（即ΔG>>0或ΔG<<0）正好相反，因為它表明給定的反應是不可逆的，即一旦反應物變成產物，很少有分子會回到反應物。

代謝途徑

我們食用的食物被加工成我們細胞的一部分；DNA、蛋白質等。如果這個過程中的生化反應是可逆的，那麼即使我們短時間不吃東西，我們也會把自己的DNA轉化回食物分子。為了防止這種情況發生，我們的代謝被組織成代謝途徑。這些途徑是一系列生化反應，總體上是不可逆的。途徑中的反應按順序發生，第一個反應的產物是第二個反應的反應物，依此類推。

A ⇌ B ⇌ C ⇌ D ⇌ E

這些反應中至少有一個必須是不可逆的，例如：

A ⇀ B ⇌ C ⇌ D ⇀ E

不可逆步驟（例如 A → B）的控制使細胞能夠控制整個途徑，從而控制所用反應物的數量以及所生成產物的數量。

有些代謝途徑確實有“返程”，但不是同一條途徑的反向。相反，在利用現有途徑的可逆步驟的同時，至少有一個不可逆反應在返程中被另一個（不可逆）反應所繞過，從 E 到 A。

E ⇀ X ⇌ C ⇌ B ⇀ A

這個反應本身是受控制的，使細胞能夠選擇途徑執行的方向。

自由能和平衡

對於 ΔG（反應的自由能），定義了標準條件

• 反應物和產物的濃度為 1Mol/dm³
• 溫度為 25°C
• 酸度為 pH 7.0

在這些標準條件下，ΔG^0'定義為標準自由能變化。

對於一個反應

A + B ⇌ C + D

產物與反應物的比率由k_eq'給出（=pH 7.0 時的 k_eq）

$k_{eq}^{\prime }={{\text{products}} \over {\text{reactants}}}={[C][D] \over [A][B]}$

ΔG^0' 和 k_eq' 的關係是

ΔG^0' = - R T ln k_eq' = - R T 2.30 log₁₀ k_eq'

其中

R = 8.315 [J mol^-1 K^-1] (摩爾氣體常數)

T = 溫度 [K]

In = log_e (“e” 等於 2.71828…)

理論上，我們現在可以確定一個反應是否是有利的（ΔG^0' < 0）。然而，反應可能需要一個催化劑才能在合理的時間內發生。在生物化學中，這種催化劑被稱為酶。

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DNA熔解或DNA變性的目的是強調和證明所有生物的生命週期以及複製起源。複製起源的具體結構因物種而異。此外，複製起源的特定序列位於基因組中，即人類基因。然而，DNA複製也是複製起源的一部分，在原核生物和真核生物等生物體內進行研究。

從熱力學角度看，DNA變性有兩個重要的貢獻。其中一個是斷裂雙螺旋中鹼基之間的所有氫鍵；另一個是克服鹼基堆疊的穩定性/能量。有多種方法可以使DNA變性；熱量被稱為實驗室中最常用的方法。我們只需要將樣品加熱到超過其熔點，就可以監測DNA的解堆疊能力。DNA的熔點和變性取決於幾個因素：DNA的長度、DNA的鹼基組成、DNA的條件以及緩衝液的組成。例如，較長的DNA將含有更多的氫鍵和更多的分子間作用力，而較短的DNA則較少；因此，較長DNA的變性需要更多的時間和更多的熱量。DNA的鹼基組成也可以作為一個關鍵因素，因為A:T需要兩個氫鍵，而G:C相互作用需要三個氫鍵。含有更多A:T的DNA區域將比G:C更快地熔化/變性。我們還可以看到DNA的條件是如何重要的，因為DNA的條件與DNA是鬆弛的、超螺旋的、線性的還是高度缺口的有關。這很重要，因為它可以讓我們檢查雙螺旋中存在多少分子間作用力。最後，緩衝液的條件也對研究DNA變性起著至關重要的作用，因為它可以讓我們在整個過程中控制溶液中存在的離子數量。

從生物學角度看，DNA變性可以在細胞內發生，在DNA複製或翻譯過程中。在這兩種情況下，DNA變性都是一個必不可少的步驟，也是每個過程的開始。大多數情況下，變性是由於蛋白質或酶與DNA的特定區域結合而發生的，這種結合很可能導致螺旋的開啟或變性。然而，DNA熔化的真正含義是DNA的變性，它使DNA的結構從雙鏈變為單鏈。DNA變性的過程是解開雙鏈脫氧核糖核酸並透過斷裂鹼基之間的氫鍵將其分解成兩條單鏈。DNA變性也稱為DNA退火，因為它可以逆轉。DNA退火的主要步驟是雙螺旋將經歷變性，成為部分變性的DNA，然後將鏈分離成兩條隨機捲曲的單鏈DNA。