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《化学热力学在生命科学中的应用研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、化学热力学在生命科学中的应用研究卢新生苟如虎张海玲刘伯渠王亚玲甘肃民族师范学院化学与生命科学系,甘肃合作747000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;熵增加原理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.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.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变化过程中能量转化的规律、化学反应
2、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是一个新生长点，本研究综述如下。1熵与生命科学1.1熵与生命在化学热力学中熵是一个重要的状态函数.熵是系统混乱度的量度，系统的混乱度越大，熵值越大.熵变，ΔS,只取决于体系的始态与终态,与过程无关.在
3、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.生物是一个开放系统,开放系的熵决定于系统内产生的熵、外部流入的熵及系统流向外部的熵的数量.比如,人体是一个开放系,其熵的改变由两部分之和决定,一是机体内产生的熵diS,二是流入的熵deS.于是总熵变化为ds=diS+deS.因为diS>0,而deS取决于环境.当开放系统处在非平衡的稳态时dS=0,故有-deS=diS.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
4、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”，耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换，二是系统必须是远离平衡状态的，
5、系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的，三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持.[2]在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序.偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的.耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构.地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构.可以认为这就
6、是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一，在生物学，微生物细胞是典型的耗散结构.下面考察大肠杆菌生长过程中熵的变化，为此我们利用熵的计算公式S=klogeP.k是玻兹曼常数，P是微观态数，熵S的单位是焦/度或卡/度，可以证明熵S和信息H只差一个常因子S=，kloge2，H，因此熵也可用比特来度量，两种的关系为比特≈10-23焦/度≈2.3×10-24卡/度，一个大肠杆菌含2.1×104分子DNA，4,2×104分子RNA，每个DNA或RNA分子平均长4000核苷酸，每个核苷酸有log24=2比特的信息量（因为有4
7、种碱基），所以核酸信息量为5×108比特，一个大肠杆菌含4.7×108分子蛋白质，每个蛋白质平均有1000氨基酸，每个氨基酸有log220=4.3比特的信息量，所以蛋白质信息量为2×1010比特，两项合在一起，总信息量仍为2×1010比特.核酸、蛋白质的形式，好比发布信息，它具有的信息量为2x1010比特,这对应于2×10-13焦/度的熵,换句话说,由于序列形成中物质的有序化,系统的熵减少2×10-13焦/度,这里忽略了核酸、蛋白质以外其他大分子包括的信息,也没有考虑其他过程中产生的熵,如果核酸、蛋白质序列形成的热力学效率为12%
8、,那么实际排出的熵应为2×10-13/0.12=0.17×10-11焦/度,如何排出呢?熵是由于分子热运动,所以可通过向外界传递热量的方式使系统的熵减少,设细菌培养是在绝对温度310K进行,那么排出热量应为0.17×10-11×310=0.5×10
