什麼是生物能量學？生物能量學的定律是什麼？

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什麼是生物能量學？

生物能量學包含兩個術語，即“bio”意為“生物體內”，“energetics”意為“能量產生”。

生物能量學是生物化學和細胞生物學的一個領域，它關注能量在生命系統中的流動。簡單來說，生物能量學被定義為對生物體或生物系統內能量轉移和利用的研究。

人類需要持續供應能量來驅動所有生物過程，其中也包括體力活動。

自由能的概念

可用於做功的實際能量被稱為自由能。

吉布斯自由能的變化等於焓的變化減去開爾文溫度乘以熵的變化。任何具有負吉布斯自由能的過程都是自發的，可以用來做功。

以下方程式用焓和熵來表示自由能的變化。

ΔG =ΔH - TΔS

ΔG = 吉布斯自由能表示在恆定溫度和壓力下反應過程中能夠做功的能量，是反應的淨驅動力。

ΔH = 焓，是反應體系的熱含量。它取決於反應物和產物中化學鍵的數量和種類。

ΔS = 熵是系統中隨機性的定量表達。

T = 絕對溫度

ΔG°= 標準自由能變化，在標準條件下，即 298K/1atm 壓力/1 摩爾濃度的反應物和產物。

生物能量學反應的型別

主要有兩種型別的生物能量學反應。它們是 -

放能反應

這些是自發反應，涉及能量釋放而無需任何利用。

ΔG = G_產物 – G_反應物 < 0（負值）

示例 - ATP 水解為 ADP 和磷酸鹽是一種放能反應。

吸能反應

這些反應是非自發的，利用自由能而不是釋放自由能來完成反應。這可以表示為

ΔG = G_產物 – G_反應物 > 0（正值）

示例 - 光合作用反應，包括利用二氧化碳和水在光照條件下合成食物，是一種吸能反應。

生物能量學的重要性

生物能量學對於執行以下功能至關重要。

• 研究生物能量學有助於更好地理解新陳代謝。

• 機械功，如坐、走、說話等。

• 化學合成也需要能量。

• 生長和發育。

• 體內生物分子的裂解或斷裂。

什麼是熱力學？

理解熱力學使我們更容易學習生物能量學的概念。熱力學主要是描述能量在系統中流動的一系列定律和原理。該系統可以分為三種不同型別。

• 孤立系統：在孤立系統中，能量或物質不能與周圍環境交換。

• 開放系統：在這裡，能量和物質都可以與周圍環境交換。

• 封閉系統：在這裡，該系統可以交換能量，但不能與周圍環境交換物質。

生物能量學的定律：熱力學定律

熱力學定律幫助我們理解為什麼能量以特定的方向和方式流動。

熱力學第一定律

關於能量變化，根據該定律，能量既不能被創造也不能被消滅，而是被轉移成另一種形式的能量，可能是從勢能到動能到熱能等。這裡系統和周圍環境的總能量始終保持恆定，除非存在任何物理變化或化學反應。

示例 - 在人類中，能量透過 ATP 轉移，能量儲存在外側磷酸基團的兩個連線中。能量透過 ATP 水解為 ADP 和無機磷酸鹽以及氫離子而釋放。釋放的能量用於鍛鍊期間的肌肉收縮。但是，肌肉細胞中儲存的 ATP 是有限的，因此為了在運動期間持續供應 ATP 到身體，我們的身體會啟用 3 條代謝途徑。它們是磷酸原系統、糖酵解系統和氧化系統，所有這三種系統都能合成 ATP。

熱力學第二定律

這裡熵的概念發揮了作用。這可以透過“無序”一詞來理解。第二定律指出，系統及其周圍環境的熵必須始終增加。在系統內部，也存在向更高熵發展的趨勢。這裡該定律可以說明兩種能量形式之間的相關性。

示例 – 1. 水的固態更有序，熵更大，液態無序，熵更小。2. 熱能從熱咖啡杯流向固體表面。

熱力學第三定律

該定律指出，在絕對零度下，完美的晶體固體分子具有零熵，因為這是物質可以具有的最有序狀態。熵以焦耳每開爾文為單位測量，它不是能量的量度，而是系統內能量的分佈。

結論

生物能量學是生物化學的研究，涉及生物體如何管理能量來源，即三磷酸腺苷 (ATP)，無論是儲存、產生還是消耗。自由能的變化，即做功的能量，總是用焓的變化、溫度和熵的變化來表示。

焓是系統內的能量，熵是系統內能量的分佈。如果自由能變化為負，則該過程被稱為自發的，如果自由能變化為正，則該過程是非自發的。必須瞭解熱力學定律才能理解系統內的能量流動。主要有 3 條熱力學定律。這些定律對於透過人類的生物能量學來理解新陳代謝非常重要。