为什么“∆G=∆H-T∆S”是生物化学中最重要的方程

为什么“∆G=∆H-T∆S”是生物化学中最重要的方程

∆G=∆H-T∆S是科学中最抽象的公式之一，但也是最重要的公式之一。没有它，生命就不能存在。

生物化学是研究与生物学相关的化学反应的学科，主要是那些涉及含碳分子的化学反应。“∆G=∆H-T∆S”是生物化学中最重要的方程式，因为它揭示了自发的化学反应——不受外界干预而自发发生的反应——必须释放自由能(∆G)。细胞利用自发化学反应释放的自由能来驱动非自发化学反应，而非自发化学反应需要输入自由能。如果细胞不能以这种方式“耦合”反应，生命本身就不可能存在。

生物化学是研究与生物学相关的化学反应的学科，主要涉及有机(含碳)化合物。生物化学的主要主题之一是了解哪些化学反应会在生物体内发生以及为什么会发生。描述这个的主要方程是:∆G=∆H-T∆S。它的意思是"自由能的变化量(G)等于焓的变化量(H)减去温度的变化量(T)乘以熵的变化量(S)。

∆G=∆H-T∆S

为了理解这个极其抽象的等式，让我们把它分解一下。当出现∆时，表示“变化”。例如，如果我们开始有7块饼干，现在只剩下2块，(∆)饼干的变化量是-5。我们测量变化(∆)的原因是，潜在的值可能很难测量。除温度(T)外，其他项均不能直接测定。我们只能测量变化。

自由能(G)是指可以做有用的功的能量。当你运行笔记本电脑或智能手机时，电池无法利用所有存储的能量进行有用的工作。我们是怎么知道的?因为这些电子设备会发热。这在理想世界中是不可能发生的;这是浪费能源。但我们对此无能为力，因为我们生活在一个不理想的世界。(稍后再详细介绍。)因此，自由能的变化(∆G)总是小于可以用于有用功的总能量。

焓(H)是一个有点奇怪的概念，化学家发明这个概念是为了帮助他们理解化学反应中能量的变化。焓的变化(∆H)本质上就是热量的变化。(实际情况要稍微复杂一些，因为它还包括压力-体积功,这通常是可以忽略的)。化学反应要么吸收热量，要么释放热量，而焓的变化(∆H)就能测量出这一点。

T∆S表示温度(T)与熵变(S)的乘积。还记得我们生活的那个完美电池的理想世界吗?热力学第二定律告诉我们，熵(S)在宇宙中总是增加的。你可以把熵看作是一种“税”，宇宙对每一次能量转移都收取费用。T∆S，代表这个“税”的数量，必须从∆H中减去。

说白了∆G=∆H-T∆S就是:可用的能量的变化做有用的工作(∆G)=热量的变化(能量传递的一种形式)的化学反应(∆H)-一些荒谬的“税”(T∆S)。

∆G决定是否会发生化学反应

生命是复杂的，它需要许多不能“自发”发生的化学反应。自发反应在没有干预的情况下发生。如果让化学反应自行进行，化学反应就会自行发生。自发反应可以非常快，也可以非常慢。由于生锈形成的腐蚀是自发的，但需要很长的时间。

身体的细胞为了生存，它们需要进行自发和非自发的反应(非自发反应的一个例子是合成蛋白质)。细胞进行非自发反应的方式是通过“耦合”自发反应(在能量上有利并释放自由能)和非自发反应(在能量上不利并需要输入自由能)。只要整个过程的结果是自由能的净释放(根据惯例，我们认为这是一个负值的∆G值)，反应就可以进行。

身体的细胞为了生存，它们需要进行自发和非自发的反应(非自发反应的一个例子是合成蛋白质。细胞进行非自发反应的方式是将自发反应与非自发反应“耦合”起来。只要整个过程的结果是自由能的净释放(根据惯例，我们认为这是一个负值的∆G值)，反应就可以进行。

上图显示了细胞中一系列非常典型的化学反应。细胞可以从葡萄糖中提取自由能(-∆G)来产生中高能量分子(称为ATP)，从而驱动蛋白质合成，这需要输入自由能(+∆G)。由于整个过程有一个净释放的自由能(-∆G)，反应可以继续进行。

如果我们的细胞没有能力利用自发的、能量有利的化学反应(-∆G)来驱动非自发的、能量不利的化学反应(+∆G)，生命就不可能存在。这就是为什么∆G=∆H-T∆S是生物化学中最重要的方程。

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