化学热力学与生命科学

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1、化学热力学与生命科学作者：刘毅敏赵先英王祥智赵华文杨旭【关键词】熵；,,自由能；,,生命科学　　摘要：综述了热力学中熵和自由能这两个重要状态函数在生命现象、肿瘤形成、抗癌药物研究、生物大分子结构研究、药物设计、蛋白质工程和基因优化表达等中的应用。　　关键词：熵；自由能；生命科学12　　热力学是研究各种形式的能量转换规律的科学。热力学的基础是热力学第一定律和热力学第二定律，这两个定律都是人类长期实践和大量科学研究经验的总结。因为热力学研究的能量转换规律是自然界的一个基本规律，在其应用范围内具有指导意义。化学热力学是热力学原理在化学中的应用，它主要研究和解决化学

2、变化过程中能量转化的规律、化学反应的方向和限度。人体是一个巨大的化学反应库，生命过程是建立在化学反应基础之上的一个非常复杂的体系。近半个世纪以来，生物学研究从整体开始，自上而下进入分子层次，而化学研究则自下而上地逐渐接触生物体，化学与生命科学在细胞以下、分子以上的区域相遇，在这个区域不断生长出了许多新的生长点，成为生命科学和化学的前沿领域。基于热力学原理的生命科学研究也是一个新生长点，本研究就此综述如下。　　1熵与生命科学　　11熵与生命在化学热力学中熵（S）是一个重要的函数。熵是系统混乱度的量度，系统的混乱度越大，熵值越大。熵是状态函数，熵变（ΔS）只取决

3、于体系的始态与终态，与过程无关。在孤立系统的任何自发过程中，系统的熵总是增加的，这是热力学第二定律的一种表达，也称为熵增加原理。从宏观来看生命过程是一个熵增的过程，始态是生命的产生，终态是生命的结束，这个过程是一个自发的、单向的不可逆过程。衰老是生命系统的熵的一种长期的缓慢的增加，也就是说随着生命的衰老，生命系统的混乱度增大，当熵值达极大值时即死亡，这是一个不可抗拒的自然规律。但是，一个无序的世界是不可能产生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物进化是由单细胞向多细胞、从简单到复杂、从低级向高级进化，也就是说向着更为有序、更为精确的方向进化，这是一个熵减的方

4、向，与孤立系统向熵增大的方向恰好相反。但是生命体是“耗散结构”，耗散结构认为一个远离平衡态的开放体系，通过与外界交换物质和能量，在一定条件下，可能从原来的无序状态转变为一种在时间、空间或功能上有序的状态，这个新的有序结构是靠不断耗散物质和能量来维持的。生命体通过不断与外界交换物质、能量、信息和负熵，可使生命系统的总熵值减小,从而有序度不断提高,生命体系才得以动态地发展。12　　12熵与肿瘤熵增加原理也可以解释肿瘤在人体内的发生、扩散。细胞基因癌变,造成人体正常基因组的异常活化,细胞无节制地扩增,使有序向无序转化,加速生命的耗散,熵值异常增大,在短期内熵值就增

5、到极大值,人的生命便终止了。现代医学研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因组内，没被激活时，不会形成肿瘤。原癌基因是一个活化能位点，在外界环境的诱导下，细胞可能发生癌变，即肿瘤的形成是非自发的。非自发的过程是一个熵减的过程，也就是说肿瘤细胞的熵小于正常细胞的熵［1］。然而肿瘤细胞是在体内发生物质、能量交换的，人体这个体系就相当于肿瘤细胞的外部环境，正是由于肿瘤细胞的熵减小，导致了人体这个总体系熵增大。越恶性的肿瘤，熵值越小，与体系分化越明显，使人体的熵增也相对越大，对生命的威胁越大。　　1312熵与抗癌药物的研究熵增原理对人们研究抗癌药物也有启发

6、。例如利用体细胞杂交法可获得分泌抗体的杂交细胞系，当导入的抗体素抑制癌细胞的恶变、削弱它的增殖时，细胞本身的混乱程度将会减小，趋向于稳定的低熵状态，这就相当于给体系内部输送了负熵，使体系趋于有序状态。又如DNA是许多抗肿瘤药物的靶分子，这些药物通过嵌入、沟槽等方式与癌细胞的DNA结合，抑制肿瘤细胞的分裂增生，最终使肿瘤细胞增生停滞，或使其向正常细胞分化，或诱导肿瘤细胞发生程序性死亡，从而产生抗癌作用。阿霉素（ADM）这个抗肿瘤抗生素就是以典型的嵌入方式与DNA相互结合的［2］，破坏DNA的模块功能，阻止转录过程，在抑制DNA、RNA蛋白质合成的同时，也改变癌

7、基因的结构或影响癌基因的表达。由于ADMDNA复合物比独立的DNA和ADM分子更有序，因此导致一定程度的熵减，有序度增加。　　2自由能与生命科学　　在化学热力学中，自由能是一个很重要的状态函数，它是在等温等压及不作非体积功条件下化学反应自发进行的判据。如果ΔG<0，反应正向自发进行；ΔG=0，反应达平衡状态，ΔG>0，正向反应不能自发进行，而逆向反应能自发进行。　　21自由能与生物大分子结构研究　　211一种基于自由能的RNA二级结构的预测RNA在生命活动中有着重要作用，12RNA的功能与其结构密切相关，因此研究RNA结构对理解RNA功能、原核基

8、因工程和与RNA有关的生命现象有着重要意义。但RNA