化學(xué)熱力學(xué)與生命科學(xué)

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1、化學(xué)熱力學(xué)與生命科學(xué)作者：劉毅敏趙先英王祥智趙華文楊旭【關(guān)鍵詞】熵；,,自由能；,,生命科學(xué)　　摘要：綜述了熱力學(xué)中熵和自由能這兩個重要狀態(tài)函數(shù)在生命現(xiàn)象、腫瘤形成、抗癌藥物研究、生物大分子結(jié)構(gòu)研究、藥物設(shè)計、蛋白質(zhì)工程和基因優(yōu)化表達(dá)等中的應(yīng)用。　　關(guān)鍵詞：熵；自由能；生命科學(xué)12　　熱力學(xué)是研究各種形式的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)。熱力學(xué)的基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，這兩個定律都是人類長期實(shí)踐和大量科學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。因?yàn)闊崃W(xué)研究的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律是自然界的一個基本規(guī)律，在其應(yīng)用范圍內(nèi)具有指導(dǎo)意義。化學(xué)熱力學(xué)是熱力學(xué)原理在化學(xué)中的應(yīng)用，它主要研究和解決化學(xué)

2、變化過程中能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)的方向和限度。人體是一個巨大的化學(xué)反應(yīng)庫，生命過程是建立在化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)之上的一個非常復(fù)雜的體系。近半個世紀(jì)以來，生物學(xué)研究從整體開始，自上而下進(jìn)入分子層次，而化學(xué)研究則自下而上地逐漸接觸生物體，化學(xué)與生命科學(xué)在細(xì)胞以下、分子以上的區(qū)域相遇，在這個區(qū)域不斷生長出了許多新的生長點(diǎn)，成為生命科學(xué)和化學(xué)的前沿領(lǐng)域。基于熱力學(xué)原理的生命科學(xué)研究也是一個新生長點(diǎn)，本研究就此綜述如下?！　?熵與生命科學(xué)　　11熵與生命在化學(xué)熱力學(xué)中熵（S）是一個重要的函數(shù)。熵是系統(tǒng)混亂度的量度，系統(tǒng)的混亂度越大，熵值越大。熵是狀態(tài)函數(shù)，熵變（ΔS）只取決

3、于體系的始態(tài)與終態(tài)，與過程無關(guān)。在孤立系統(tǒng)的任何自發(fā)過程中，系統(tǒng)的熵總是增加的，這是熱力學(xué)第二定律的一種表達(dá)，也稱為熵增加原理。從宏觀來看生命過程是一個熵增的過程，始態(tài)是生命的產(chǎn)生，終態(tài)是生命的結(jié)束，這個過程是一個自發(fā)的、單向的不可逆過程。衰老是生命系統(tǒng)的熵的一種長期的緩慢的增加，也就是說隨著生命的衰老，生命系統(tǒng)的混亂度增大，當(dāng)熵值達(dá)極大值時即死亡，這是一個不可抗拒的自然規(guī)律。但是，一個無序的世界是不可能產(chǎn)生生命的，有生命的世界必然是有序的。生物進(jìn)化是由單細(xì)胞向多細(xì)胞、從簡單到復(fù)雜、從低級向高級進(jìn)化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進(jìn)化，這是一個熵減的方

4、向，與孤立系統(tǒng)向熵增大的方向恰好相反。但是生命體是“耗散結(jié)構(gòu)”，耗散結(jié)構(gòu)認(rèn)為一個遠(yuǎn)離平衡態(tài)的開放體系，通過與外界交換物質(zhì)和能量，在一定條件下，可能從原來的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時間、空間或功能上有序的狀態(tài)，這個新的有序結(jié)構(gòu)是靠不斷耗散物質(zhì)和能量來維持的。生命體通過不斷與外界交換物質(zhì)、能量、信息和負(fù)熵，可使生命系統(tǒng)的總熵值減小,從而有序度不斷提高,生命體系才得以動態(tài)地發(fā)展。12　　12熵與腫瘤熵增加原理也可以解釋腫瘤在人體內(nèi)的發(fā)生、擴(kuò)散。細(xì)胞基因癌變,造成人體正?；蚪M的異?；罨?細(xì)胞無節(jié)制地擴(kuò)增,使有序向無序轉(zhuǎn)化,加速生命的耗散,熵值異常增大,在短期內(nèi)熵值就增

5、到極大值,人的生命便終止了?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，癌基因以原癌基因的形式存在于正常生物基因組內(nèi)，沒被激活時，不會形成腫瘤。原癌基因是一個活化能位點(diǎn)，在外界環(huán)境的誘導(dǎo)下，細(xì)胞可能發(fā)生癌變，即腫瘤的形成是非自發(fā)的。非自發(fā)的過程是一個熵減的過程，也就是說腫瘤細(xì)胞的熵小于正常細(xì)胞的熵［1］。然而腫瘤細(xì)胞是在體內(nèi)發(fā)生物質(zhì)、能量交換的，人體這個體系就相當(dāng)于腫瘤細(xì)胞的外部環(huán)境，正是由于腫瘤細(xì)胞的熵減小，導(dǎo)致了人體這個總體系熵增大。越惡性的腫瘤，熵值越小，與體系分化越明顯，使人體的熵增也相對越大，對生命的威脅越大?！　?312熵與抗癌藥物的研究熵增原理對人們研究抗癌藥物也有啟發(fā)

6、。例如利用體細(xì)胞雜交法可獲得分泌抗體的雜交細(xì)胞系，當(dāng)導(dǎo)入的抗體素抑制癌細(xì)胞的惡變、削弱它的增殖時，細(xì)胞本身的混亂程度將會減小，趨向于穩(wěn)定的低熵狀態(tài)，這就相當(dāng)于給體系內(nèi)部輸送了負(fù)熵，使體系趨于有序狀態(tài)。又如DNA是許多抗腫瘤藥物的靶分子，這些藥物通過嵌入、溝槽等方式與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，抑制腫瘤細(xì)胞的分裂增生，最終使腫瘤細(xì)胞增生停滯，或使其向正常細(xì)胞分化，或誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生程序性死亡，從而產(chǎn)生抗癌作用。阿霉素（ADM）這個抗腫瘤抗生素就是以典型的嵌入方式與DNA相互結(jié)合的［2］，破壞DNA的模塊功能，阻止轉(zhuǎn)錄過程，在抑制DNA、RNA蛋白質(zhì)合成的同時，也改變癌

7、基因的結(jié)構(gòu)或影響癌基因的表達(dá)。由于ADMDNA復(fù)合物比獨(dú)立的DNA和ADM分子更有序，因此導(dǎo)致一定程度的熵減，有序度增加?！　?自由能與生命科學(xué)　　在化學(xué)熱力學(xué)中，自由能是一個很重要的狀態(tài)函數(shù)，它是在等溫等壓及不作非體積功條件下化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判據(jù)。如果ΔG<0，反應(yīng)正向自發(fā)進(jìn)行；ΔG=0，反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)，ΔG>0，正向反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行，而逆向反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行?！　?1自由能與生物大分子結(jié)構(gòu)研究　　211一種基于自由能的RNA二級結(jié)構(gòu)的預(yù)測RNA在生命活動中有著重要作用，12RNA的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此研究RNA結(jié)構(gòu)對理解RNA功能、原核基

8、因工程和與RNA有關(guān)的生命現(xiàn)象有著重要意義。但RNA