結構生物化學/物理學

<< 結構生物化學基礎 | 物理基礎 | 化學基礎 >>

---

簡介

物理學是研究物理現象以及物質和能量之間相互作用的科學。一般來說，它是對自然行為的考察和探索。作為最古老的學術分支之一，物理學與其他學科交織在一起，幫助解釋有生命和無生命宇宙的基本性質。

熱力學

第一定律

熱力學“第一定律”簡單來說就是能量是守恆的（即能量既不會被創造也不會被消滅，而是從一種形式轉化為另一種形式）。儘管對第一定律有很多不同的等價陳述，但最基本的是

$dU=dQ+dW$

dU = 內能的微小變化，

dQ = 熱流的微小變化，

dW = 做功的微小變化。

換句話說，第一定律指出

提供的熱量等於系統內能的增加量加上系統做的功。如果考慮到熱量，能量是守恆的。

熵

熱力學使我們能夠預測系統的初始狀態和最終狀態。換句話說，它是預測化學系統中平衡位置的極有用工具。熱力學第一定律指出，初始狀態和最終狀態之間的能量始終是守恆的。然而，第一定律並沒有提供關於化學反應程度或平衡濃度的資訊。^[1] 熱力學第二定律引入了熵 S的概念，它是一個系統的狀態函式。熵有助於預測平衡，因為系統的平衡濃度對應於系統的最大熵；^[1] 熵可以充當反應的驅動力。因此，熱力學第二定律指出

“孤立系統中的熱力學平衡是在系統的熵最大化時實現的”^[1]

在數學上，熵表示為

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

對於封閉系統中的可逆過程，其中 dq 是熱能，T 是溫度。可逆過程是指系統始終非常接近平衡的過程。對系統的擾動必須足夠小，以使系統及其周圍環境能夠恢復到初始狀態。熵的變化（一個更有用的值）定義為

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

在觀察封閉容器中冰在 25 ^oC 時融化的過程可以看到熵增加的例子。由於溫度恆定，可以看出液體水中的分子總熱能大於冰中的分子熱能。因此，ΔS 為正值，這意味著熵已增加以達到平衡。

熵在概念上比溫度或能量等其他狀態函式更難理解。此外，熵是一個宏觀屬性；一個分子不表現出熵。考慮一個封閉的容器，容器中心有一個隔板，隔板的一側由氣體 A 組成，另一側是空的。如果移除隔板，氣體 A 停留在容器的一側的機率非常小。A 分子的最可能分佈是氣體 A 將均勻分佈在整個容器中。這種分佈可以被視為平衡熱力學狀態，它恰好是最可能的狀態，也是最無序的狀態。

焓

焓是衡量恆壓下熱傳遞的指標，通常表示為$H$。在數學上，焓表示為

$H=E+PV$

其中 E 是系統的內能，P 是內壓，V 是體積。PV 考慮了膨脹功所消耗的能量。

焓的變化則表示為

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

其中壓強保持恆定。 $\Delta H$ 本質上是經過功修正後的內能。

反應焓被分配給化學反應，以表示在與周圍環境交換能量時轉移到系統中或從系統中轉移出的能量量。釋放熱量的反應被稱為放熱反應，其中 $\Delta H$ 為負。需要輸入熱量的反應被稱為吸熱反應，其中 $\Delta H$ 為正。

吉布斯自由能

自由能 是對過程自發發生的趨勢的測量。它取決於三個不同的量：熵變、焓變和溫度。吉布斯自由能是系統的焓減去溫度和系統的熵，G = H - TS。自由能的正變化（例如吸能反應）在熱力學上是不利的，而自由能的負變化（例如放能反應）在熱力學上是有利的。 在生物系統中，許多具有正自由能的反應同時與具有負自由能的反應偶聯。例如，谷氨醯胺的合成是透過消耗 ATP 水解來實現的。

吸能反應

吸能反應 是具有正吉布斯自由能的反應。這些反應在熱力學上是不利的，底物不容易形成產物。必須將能量輸入系統以驅動這些反應。

放能反應

放能反應 是熱力學上有利的。這些型別的反應具有負的吉布斯自由能，並且能夠容易地形成產物。然而，儘管這些反應在能量上是有利的，但這並不意味著反應會以合理的速度發生。這是由於高的活化能壘。為了降低這些障礙，需要引入催化劑。

電荷：斯特恩-格拉赫實驗

這個量子力學領域的標誌性實驗描述了原子可以具有的電荷性質。這個概念與生物化學有關，因為單體、二聚體等如何與金屬中心結合（例如，鐵是血紅蛋白用作配位中心的金屬中心）。這些蛋白質結構透過與金屬離子氧化態相對應的配位絡合物與金屬中心結合。金屬離子的氧化態受金屬離子的自旋電荷的影響，正是由於斯特恩-格拉赫實驗才解釋了原子中電荷的性質。斯特恩-格拉赫實驗是一個標誌性的量子力學實驗，它物理地展示了銀原子的自旋電荷。銀原子的電子在兩個垂直方向的磁體之間發射。這些磁體提供了磁場，根據電子錶觀的自旋將它們分離。該實驗的結果是兩個自旋，一個向上，一個向下，分別表示為 + 1/2 和 -1/2。然後，這兩束方向性自旋的電子透過第二組水平方向的磁體。新增的結果再次是兩束方向性不同的自旋電子，只不過是在水平方向上。該實驗的最後一部分是將來自水平方向自旋電子的一束電子傳送到另一組磁體中，這些磁體與第一組磁體的方向相同。從最後一組磁體中產生的電子束是最重要的發現。使用第三個磁體實施的主要思想是出現兩束電子束，就像在第一組磁體中經歷的那樣。由於顯示的電子束具有相同自旋性質，這反過來表明來自兩個磁體的兩束電子在以不同方式定向後，彼此是特徵值，這意味著它們屬於同一個算符。整個實驗展示了電荷的重要性，以及如何利用它來描述量子行為的本質以及配位配體結合的本質。

生物化學的基礎

物理學是生物化學的基礎之一；它涉及不同型別的能量和力。力的型別

1. 離子力——電荷-電荷相互作用
2. 偶極相互作用——涉及電負性（從增加順序排列：P、H、S、C、Br、Cl、N、O、F）幷包含疏水相互作用。
3. 範德華力——分子排斥
4. 氫鍵

進一步閱讀

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). 物理化學 (第 5 版)。McGraw-Hill。 ISBN 0-07-231808. {{cite book}}: |edition= has extra text (help); Check |isbn= value: length (help)