力和体积的总变化之和，所涉及的内容是体系内质点的相互作用和质点自身的能量。内能和
焓都只与体系状态有关，而与质点的属性无关。它们的变化分别用AU和AH表示。／xU和
／xH与具体的变化途径无关，但与起始、*终状态均有关,焓变和内能变化之间的关系可用
下式表示：
    ／xH—AU+APV    (11—1)
    式中，／xH为焓变；／xU为内能的变化；／xPV为压力P和体积y乘积的变化。
    生物体内能主要表现为热与功两种形式。热的传递伴随着的是质点的无序运动，从
许多生活实例我们可以体会到，热可从高温物体自发传给低温物体，这种自发过程过
程是能量分散的过程。代表体系能量分散程度的状态函数称为熵(entropy)。而功伴随
着质点的定向移动，是质点的有序运动。生物体用于做功的能量来自化学反应释放的
自由能，自由能可在恒温恒压下做功。生物体的所有反应菌严格地在一定温度和压力
下进行。
    3．自由能
    自由能(free energy)也是一个状态函数。其概念是由J．w．Gibbs于1878年提出
的。根据热力学**定律和第二定律，Gibbs提出自由能公式：
    AG—AH—TAS    (11—2)
    式中，AG为在恒温恒压下，体系发生的自由能变化；AH为体系焓的变化；丁为体系
的热力学温度；AS为体系的熵变。根据自由能的变化aG，可以判断一个在恒温恒压下进
行的化学反应的方向，其关系如下：
    ／xG<O，体系未达到平衡，反应可以自发进行。
    ／xG>O，体系未达到平衡，反应不能自发进行，必须供能反应才能正向进行。
    AG—O，体系反应已达到平衡状态。
    自由能是指细胞在一定生化反应条件下用于做功的能，并且仅仅是指在细胞内做功的
能。在生物反应中也涉及自由能的变化，如该生物化学反应处于一定条件下，那么当有能量
放出(或自由能降低)时，即可自发地进行，即自由能的变化为负值时(AG<O)，反应才
能进行，这种反应称为放能反应；如果产物的自由能大于反应物的自由能时(△G>0)，必
须供给能量才能进行反应，即是获得自由能，称为吸能反应。
    应该注意的问题是，aG表示反应物的自由能与产物状态自由能的差值，只与体系
反应初始状态和体系*终状态有关。例如，葡萄糖在体外可通过燃烧氧化生成COz和
H z o；在体内可通过细胞内一系列酶催化氧化反应生成相同的产物，但不论在体外还
是在体内，只要初始状态和*终状态相同，其AG相同。其次，不能利用AG来判断反
应速率的大小。如根据AG，葡萄糖在空气中氧化反应是自发进行的，在室温下，但经
过数年也不会被氧化。真是因化学系统中反应速率取决于反应物所处的能量状态、活
化能大小、反应温度等因素。反应物只要越过活化态，能阀越过活化能，反应即能完
成。而酶催化的反应不同，才能在热力学允许的范围内通过降低活化能，加速反应的
进行。
    三、细胞获得自由能的过程
    细胞进行的代谢活动，均涉及化学键的断裂和新化学键的形成。各种不同的化学键都带
有一定量的键能(bond energy)，该键能即为断开该键所需的能量。
    生物体是开放的系统，不断消耗能量、转化能量和摄入能量。一切物理及化学过
程均趋向平衡，由有序状态趋向无序状态。若一个系统一旦达到平衡，它内部的能
量即呈*大的无序状态。整个体系趋向*小自由能或*大熵的状态。例如，将生物
体与其周围环境看成一个体系，生物结构是高度有序的，付出的代价就是其周围环
境的熵的增大。生命一旦发生，就获得了控制周围环境的手段，在某种意义上支配
外界能源为其自身使用。正是因为要增强能量的获取和能量利用的能力，细胞才会
积聚在一起，有所分工，形成复杂得多细胞生物。生物却为这一过程的受惠者。绿
色植物或某些细菌通过光合作用或化学能的利用，从无序中陆续建立有序，维持高
 度的自由能状态。动物和微生物利用低级形式的能，即食物的有机分子储存的化学
能，维持同样高度的自由能状态，但能量利用率低，明显增大环境中的熵。生命现
象基本上是能量转换和能量消耗的过程，只有在提供各种所需能量的情况下，生命
才能够继续存在。
    人类是细胞有效集结的*高体现。在漫长的进化过程中，在存在和发展的需求以及生存
竞争和环境的共同作用下，生命(细胞)通过某种方式获得特定类型的结构。生命系统的能
量支配不是随意的，而是由细胞特殊部分的编码信息所指导。
    细胞在酶的作用下不断进行新陈代谢，在伴随着物质代谢的过程中，细胞获得自由能做
功，维持其正常的生命活动。生物体内产生能量的过程可以分为三个阶段：糖、脂肪和蛋白
质等大分子物质在酶的作用下，降解为构成自身的构建亚分子物质；亚分子物质转化为共同
的中间产物，例如乙酰CoA、丙酮酸等；中间产物经过三羧酸循环(物质氧化途径)，脱下
的H经过电子传递链传递生成HzO，同时放出大量的能量。其中相当一部分通过磷酸化作
用储存于ATP分子中(详见第十二章和第十三章)。
    第二节  生物系统中自由能的变化
    一、生物系统中的标准自由能变化与生物化学反应平衡
    在化学反应中，反应物与产物均有自身的自由能。反应物自由能总和与产物自由能总和
差值就是该反应物的自由能变化。由于自由能是在一定条件下的状态函数，反应温度25℃，
即热力学温度为298K、pH值为0、大气压为1013251Pa，参加反应的所有反应物和生成物
的浓度为lmol／L，所有发生化学反应的自由能变化为标准自由能变化，用符号AGO表示。

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