生化小课 | 创造和维持秩序需要运转和能量

创造和维持秩序需要运转和能量

正如我们所注意到的，DNA、RNA和蛋白质是信息大分子；它们的单体亚基的精确序列包含了信息，就像这句话中的字母一样。 除了利用化学能在这些亚基之间形成共价键外，细胞还必须投入能量以使亚基按照正确的顺序排列。 氨基酸在混合物中自发凝结成一种具有独特序列的单一类型蛋白质是极不可能的。 这将代表在一个分子群体中次序的增加；但根据热力学第二定律，自然界的趋势是体系越来越无序：体系的随机性在不断增加。 为了从单体单位合成大分子，必须向系统(在这里是细胞)提供自由能。 我们将在后续章节（第十三章）讨论氧化还原反应的定量热力学。

化学系统各组成部分的随机性或无序性被表示为熵（entropy, S）。 系统随机性的任何变化都表示为熵的变化，即ΔS，按照惯例，当随机性增加时熵变为正值。 提出化学反应过程中能量变化理论的科学家 J. Willard Gibbs 表明，任何封闭系统的自由能（free energy, G）可以用三个量来定义：焓（enthalpy, H）或热含量，大致反映了键的数量和种类；熵,S；绝对温度T(开尔文) 。自由能的定义是G = H−TS。当一个化学反应发生在恒定温度下，自由能变化（free-energy change, ΔG）由焓变化ΔH确定，焓变化ΔH反映了化学键的种类和数量以及破坏和形成的非共价相互作用，熵变化ΔS描述了系统随机性的变化：

其中，根据定义，对于释放热量的反应，ΔH为负值；对于增加系统随机性的反应，ΔS为正值。

只有当ΔG为负时(如果在过程中释放自由能)，过程才倾向于自发发生。 然而，细胞的功能很大程度上依赖于分子，例如蛋白质和核酸，它们的形成自由能是正的：与它们的单体成分的混合物相比，这些分子更不稳定，但更有序。 为了进行这些热力学上不利的、需要能量(内耗)的反应，细胞将它们与其他释放自由能的反应(放能反应)结合起来，因此整个过程是放能的：自由能变化的总和是负的。 这种方法中最常用的放能反应包括三磷酸腺苷(ATP; 图1-25)，其中两个膦酸酐键能够提供自由能，使耦合吸附性反应成为可能。 在后续的章节中（第13.3节），我们将更详细地讨论ATP的这一作用。