化學(xué)熱力學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用研究

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1、化學(xué)熱力學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用研究盧新生茍如虎張海玲劉伯渠王亞玲甘肅民族師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系,甘肅合作747000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)化表達等中的應(yīng)用關(guān)鍵詞:熵;自由能;生命科學(xué);熵增加原理熱力學(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.因為熱力學(xué)研究的能量轉(zhuǎn)換規(guī)律是自然界的一個基本規(guī)律.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)變化過程中能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律、化學(xué)反應(yīng)

2、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.近半個世紀以來，生物學(xué)研究從整體開始，自上而下進入分子層次，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，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)研究是一個新生長點，本研究綜述如下。1熵與生命科學(xué)1.1熵與生命在化學(xué)熱力學(xué)中熵是一個重要的狀態(tài)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.熵變，ΔS,只取決于體系的始態(tài)與終態(tài),與過程無關(guān).在

3、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,也稱為熵增加原理.生物是一個開放系統(tǒng),開放系的熵決定于系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熵、外部流入的熵及系統(tǒng)流向外部的熵的數(shù)量.比如,人體是一個開放系,其熵的改變由兩部分之和決定,一是機體內(nèi)產(chǎn)生的熵diS,二是流入的熵deS.于是總熵變化為ds=diS+deS.因為diS>0,而deS取決于環(huán)境.當(dāng)開放系統(tǒng)處在非平衡的穩(wěn)態(tài)時dS=0,故有-deS=diS.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

4、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.生物進化是由單細胞向多細胞、從簡單到復(fù)雜、從低級向高級進化，也就是說向著更為有序、更為精確的方向進化，這是一個熵減的方向，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)理論指出，系統(tǒng)從無序狀態(tài)過渡到這種耗散結(jié)構(gòu)有幾個必要條件，一是系統(tǒng)必須是開放的，即系統(tǒng)必須與外界進行物質(zhì)、能量的交換，二是系統(tǒng)必須是遠離平衡狀態(tài)的，

5、系統(tǒng)中物質(zhì)、能量流和熱力學(xué)力的關(guān)系是非線性的，三是系統(tǒng)內(nèi)部不同元素之間存在著非線性相互作用，并且需要不斷輸入能量來維持.[2]在平衡態(tài)和近平衡態(tài)，漲落是一種破壞穩(wěn)定有序的干擾，但在遠離平衡態(tài)條件下，非線性作用使?jié)q落放大而達到有序.偏離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)通過漲落，在越過臨界點后“自組織”成耗散結(jié)構(gòu)，耗散結(jié)構(gòu)由突變而涌現(xiàn)，其狀態(tài)是穩(wěn)定的.耗散結(jié)構(gòu)理論指出，開放系統(tǒng)在遠離平衡狀態(tài)的情況下可以涌現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu).地球上的生命體都是遠離平衡狀態(tài)的不平衡的開放系統(tǒng)，它們通過與外界不斷地進行物質(zhì)和能量交換，經(jīng)自組織而形成一系列的有序結(jié)構(gòu).可以認為這就

6、是解釋生命過程的熱力學(xué)現(xiàn)象和生物的進化的熱力學(xué)理論基礎(chǔ)之一，在生物學(xué)，微生物細胞是典型的耗散結(jié)構(gòu).下面考察大腸桿菌生長過程中熵的變化，為此我們利用熵的計算公式S=klogeP.k是玻茲曼常數(shù)，P是微觀態(tài)數(shù)，熵S的單位是焦/度或卡/度，可以證明熵S和信息H只差一個常因子S=，kloge2，H，因此熵也可用比特來度量，兩種的關(guān)系為比特≈10-23焦/度≈2.3×10-24卡/度，一個大腸桿菌含2.1×104分子DNA，4,2×104分子RNA，每個DNA或RNA分子平均長4000核苷酸，每個核苷酸有l(wèi)og24=2比特的信息量（因為有4

7、種堿基），所以核酸信息量為5×108比特，一個大腸桿菌含4.7×108分子蛋白質(zhì)，每個蛋白質(zhì)平均有1000氨基酸，每個氨基酸有l(wèi)og220=4.3比特的信息量，所以蛋白質(zhì)信息量為2×1010比特，兩項合在一起，總信息量仍為2×1010比特.核酸、蛋白質(zhì)的形式，好比發(fā)布信息，它具有的信息量為2x1010比特,這對應(yīng)于2×10-13焦/度的熵,換句話說,由于序列形成中物質(zhì)的有序化,系統(tǒng)的熵減少2×10-13焦/度,這里忽略了核酸、蛋白質(zhì)以外其他大分子包括的信息,也沒有考慮其他過程中產(chǎn)生的熵,如果核酸、蛋白質(zhì)序列形成的熱力學(xué)效率為12%

8、,那么實際排出的熵應(yīng)為2×10-13/0.12=0.17×10-11焦/度,如何排出呢?熵是由于分子熱運動,所以可通過向外界傳遞熱量的方式使系統(tǒng)的熵減少,設(shè)細菌培養(yǎng)是在絕對溫度310K進行,那么排出熱量應(yīng)為0.17×10-11×310=0.5×10