什么是生物能量学？生物能量学的定律是什么？

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什么是生物能量学？

生物能量学包含两个术语，即“bio”意为“生物体内”，“energetics”意为“能量产生”。

生物能量学是生物化学和细胞生物学的一个领域，它关注能量在生命系统中的流动。简单来说，生物能量学被定义为对生物体或生物系统内能量转移和利用的研究。

人类需要持续供应能量来驱动所有生物过程，其中也包括体力活动。

自由能的概念

可用于做功的实际能量被称为自由能。

吉布斯自由能的变化等于焓的变化减去开尔文温度乘以熵的变化。任何具有负吉布斯自由能的过程都是自发的，可以用来做功。

以下方程式用焓和熵来表示自由能的变化。

ΔG =ΔH - TΔS

ΔG = 吉布斯自由能表示在恒定温度和压力下反应过程中能够做功的能量，是反应的净驱动力。

ΔH = 焓，是反应体系的热含量。它取决于反应物和产物中化学键的数量和种类。

ΔS = 熵是系统中随机性的定量表达。

T = 绝对温度

ΔG°= 标准自由能变化，在标准条件下，即 298K/1atm 压力/1 摩尔浓度的反应物和产物。

生物能量学反应的类型

主要有两种类型的生物能量学反应。它们是 -

放能反应

这些是自发反应，涉及能量释放而无需任何利用。

ΔG = G_产物 – G_反应物 < 0（负值）

示例 - ATP 水解为 ADP 和磷酸盐是一种放能反应。

吸能反应

这些反应是非自发的，利用自由能而不是释放自由能来完成反应。这可以表示为

ΔG = G_产物 – G_反应物 > 0（正值）

示例 - 光合作用反应，包括利用二氧化碳和水在光照条件下合成食物，是一种吸能反应。

生物能量学的重要性

生物能量学对于执行以下功能至关重要。

• 研究生物能量学有助于更好地理解新陈代谢。

• 机械功，如坐、走、说话等。

• 化学合成也需要能量。

• 生长和发育。

• 体内生物分子的裂解或断裂。

什么是热力学？

理解热力学使我们更容易学习生物能量学的概念。热力学主要是描述能量在系统中流动的一系列定律和原理。该系统可以分为三种不同类型。

• 孤立系统：在孤立系统中，能量或物质不能与周围环境交换。

• 开放系统：在这里，能量和物质都可以与周围环境交换。

• 封闭系统：在这里，该系统可以交换能量，但不能与周围环境交换物质。

生物能量学的定律：热力学定律

热力学定律帮助我们理解为什么能量以特定的方向和方式流动。

热力学第一定律

关于能量变化，根据该定律，能量既不能被创造也不能被消灭，而是被转移成另一种形式的能量，可能是从势能到动能到热能等。这里系统和周围环境的总能量始终保持恒定，除非存在任何物理变化或化学反应。

示例 - 在人类中，能量通过 ATP 转移，能量储存在外侧磷酸基团的两个连接中。能量通过 ATP 水解为 ADP 和无机磷酸盐以及氢离子而释放。释放的能量用于锻炼期间的肌肉收缩。但是，肌肉细胞中储存的 ATP 是有限的，因此为了在运动期间持续供应 ATP 到身体，我们的身体会激活 3 条代谢途径。它们是磷酸原系统、糖酵解系统和氧化系统，所有这三种系统都能合成 ATP。

热力学第二定律

这里熵的概念发挥了作用。这可以通过“无序”一词来理解。第二定律指出，系统及其周围环境的熵必须始终增加。在系统内部，也存在向更高熵发展的趋势。这里该定律可以说明两种能量形式之间的相关性。

示例 – 1. 水的固态更有序，熵更大，液态无序，熵更小。2. 热能从热咖啡杯流向固体表面。

热力学第三定律

该定律指出，在绝对零度下，完美的晶体固体分子具有零熵，因为这是物质可以具有的最有序状态。熵以焦耳每开尔文为单位测量，它不是能量的量度，而是系统内能量的分布。

结论

生物能量学是生物化学的研究，涉及生物体如何管理能量来源，即三磷酸腺苷 (ATP)，无论是储存、产生还是消耗。自由能的变化，即做功的能量，总是用焓的变化、温度和熵的变化来表示。

焓是系统内的能量，熵是系统内能量的分布。如果自由能变化为负，则该过程被称为自发的，如果自由能变化为正，则该过程是非自发的。必须了解热力学定律才能理解系统内的能量流动。主要有 3 条热力学定律。这些定律对于通过人类的生物能量学来理解新陈代谢非常重要。