主要内容
自由能
吉布斯自由能（ΔG）以及其与反应自发性与平衡的关联
介绍
当你听到”自由能“这个词时，你会想到什么？好吧，如果你像我一样傻，也许会想到加油站免费加油。或者，更好的是，太阳能电池板被用来为家庭免费供电。甚至有一个来自费城的摇滚乐队叫自由能（证实了我长期以来的怀疑，许多生物学术语会成为摇滚乐队的优秀名字）。
然而，这些并不是我们将在本文中讨论的“自由能”的含义。相反，我们要看的是与特定化学反应相关的自由能的类型，它可以提供一个测量，当反应发生时，有多少可用能量被释放（或消耗）。
自由能
如果一个反应在整体上增加熵（或者，在极限情况下的可逆过程，让它不变），在没有补充能量的情况下，过程只会自发进行——这是热力学第二定律。但至少对我来说，这是一种抽象的概念。我们如何使这个想法更具体，并使用它来确定是否会发生化学反应?
基本上，我们需要一种度量来捕捉反应对宇宙里熵的影响，包括反应系统和它的周围环境。很方便地，这两个因子都可以化为一个方便的值，称为吉布斯自由能。
系统的吉布斯自由能（G）是系统中可用能（做功的能量）的度量。反应中吉布斯自由能的变化提供了有关反应的热力学和自发性（是否可以在没有额外能量的情况下发生）的有用信息。我们可以写出吉布斯自由能变化的一个简单定义:
换句话说，ΔG是系统自由能从某些初始状态——如所有的反应物——到一些其它的最终状态——如所有的产物——的改变。这个值告诉我们从初始状态到最终状态释放（或吸收）的最大可用能量。此外，它的符号（正的或负的）告诉我们一个反应是否自发进行，也就是说，不需要添加额外的能量。
当我们研究吉布斯自由能时，我们需要做一些假设，比如恒定的温度和压强；然而，对于细胞和其他生命系统来说，这些条件基本适用。
吉布斯自由能，焓， 熵
在实际和常用形式的吉布斯自由能变化方程里，ΔG由一组科学家可以测量值计算得到：反应的焓和熵的变化，加上反应发生时的温度。
让我们回过头来看看这个方程的每个分量。
- ∆H 为焓变。在生物学中，焓是指储存在键中的能量，而焓变是指生成物和反应物之间的键能之差。一个负的 ∆H 意味着热量从反应物到产物的过程中被释放，而一个正的 ∆H 则意味着热量被吸收。（这种对 ∆H 的解释假设压力恒定，这是一个活细胞内部的合理假设）。
- ∆S 为反应过程中系统的熵变。如果∆S为正，则反应过程中系统变得更加无序（例如，当一个大分子分裂为几个小分子时）。如果 ∆S 为负数，则意味着系统变得更加有序。
- 温度（ T ）决定了 ∆S 和 ∆H 项对反应总体自由能变化的相对影响。（温度越高，∆S 项相对于 ∆H 项的影响越大。）注意，这里的温度必须是开尔文（K），这样方程才能被正常使用。
∆G为负的反应释放能量，这意味着它们可以在没有能量输入的情况下进行（是自发的）。相反， ∆G 为正的反应需要输入能量才能发生（为非自发的）。从上面的方程可以看出，无论是焓变还是熵变都对 ∆G 的整体符号和值有贡献。当一个反应释放热量(负的 ∆H )或增加系统的熵时，这些因素使 ∆G 更加负。另一方面，当一个反应吸收热量或降低系统的熵时，这些因素使 ∆G 更加正。
通过观察 ∆H 和 ∆S ，我们可以判断一个反应是自发的，非自发的，还是只有在一定温度下才会自发。如果一个反应同时释放热量和增加熵，不管温度如何，它总是自发的（有一个负的 ∆G）。同样，一个吸收热量并减少熵的反应在所有温度下都是非自发的（正 ∆G）。然而，有些反应既有有利的一面，也有不利的一面（释放热量却减少了熵，或者吸收热量却增加了熵）。这些反应的 ∆G 和自发性将取决于温度，如下表所示。
吸能反应和放能反应
有一个负的 ∆G 释放自由能的反应称为放能反应。一个负的 ∆G 意味着反应物（或初始状态）比产物（或最终状态）有更多的自由能。放能反应也称为自发反应，因为它们可以在不增加能量的情况下发生。
另一方面，如果反应的 ∆G 为正（∆G > 0），则需要输入能量，称为吸能反应。在这种情况下，生成物，或最终态，比反应物，或初始态，有更多的自由能。吸能反应是非自发的，这意味着在它们进行之前必须添加能量。你可以把吸能反应想象成把一些额外的能量储存在高能量的产物中
需要注意的是，自发性 这个词在这里有一个非常特殊的含义：它的意思是反应在没有额外能量的情况下发生，但是它并没有说明反应发生的速度有多快。一个自发的反应可能需要几秒钟，但也可能需要几天、几年甚至更长的时间。反应的速率取决于它在起始状态和最终状态之间的路径（下图中的紫色线），而自发性只取决于起始状态和最终状态本身。当我们研究活化能时，我们将进一步探讨反应速率。
正反反应的自发性
如果一个反应在一个方向上是吸能的（例如，把产物转化成反应物），那么它在另一个方向上必须是放能的，反之亦然。例如，让我们考虑小分子三磷酸腺苷（
这是一个吸能反应，在标准条件下（意味着所有反应物和产物的浓度为
反向过程，即
这是一个放能反应，其 ∆G 的大小与ATP合成反应相同，符号相反（在标准条件下 ∆G =
非标准条件和化学平衡
你可能已经注意到，在上面的部分中，我小心地提到了 ∆G 值是为一组称为标准条件的特殊条件计算的。化学反应的标准自由能变化 （∆Gº）是反应物在标准条件下转换为产物中释放的能量。对于生化反应、标准条件通常定义为
在细胞或生物体内的条件可能与这些标准条件不同，所以生物反应的∆G值 在体内 可能与他们的标准自由能变化（∆Gº）值相差很大。事实上，控制条件（尤其是反应物和生成物的浓度）是细胞确保反应在正向自发进行的重要方式。
化学平衡
为了理解为什么会这样，提出化学平衡的概念是很有用的。作为化学平衡的复习，让我们假设我们开始一个纯反应物的可逆反应（完全没有生成物）。首先，正反应进行得很快，因为有许多反应物可以转化成产物。相反，逆反应根本不会发生，因为没有生成物可以变成反应物。然而，随着产物的积累，逆反应会越来越频繁地发生。
这个过程将一直持续下去，直到反应系统达到一个平衡点，称为化学平衡，此时正向反应和逆向反应以相同的速率发生。此时，两种反应都继续发生，但产物和反应物的总浓度不再改变。每个反应都有自己独特的，在平衡状态下生成物与反应物的比例。
当一个反应系统处于平衡状态时，它处于可能的最低能态（自由能最小）。如果一个反应不处于平衡态，它就会自发地向平衡态移动，因为这使得它能达到更低的能量，更稳定的状态。这可能意味着净向正向移动，将反应物转化为生成物，或反向移动，将产物转化为反应物。
当反应趋向平衡时（当生成物和反应物的浓度接近平衡比时），系统的自由能越来越低。一个处于平衡态的反应不能再做功了，因为系统的自由能已经最低了
细胞如何保持不平衡
如果一个细胞是一个孤立的系统，它的化学反应会达到平衡，这不是一件好事。如果一个细胞的反应达到平衡，这个细胞就会死亡，因为没有剩余的自由能来做维持它存活所需要的功。
细胞通过控制反应物和产物的浓度使其代谢反应朝着正确的方向进行，从而保持不平衡。例如：
- 它们可以利用能量来导入反应物分子（使其保持在高浓度）。
- 它们可能利用能量来输出产物分子（使它们保持在低浓度）。
- 它们可能将化学反应组织成代谢途径，其中一个反应“喂养”下一个反应。
提供高浓度的反应物可以“推动”化学反应向生成物的方向进行（也就是说，使其朝前运行以达到平衡）。同样的道理也适用于快速除去产物，但是随着产物浓度的降低，“拉动”反应向前进行。在代谢途径中，反应可以相互“推”和“拉”，因为它们由共享的中间体连接：一个步骤的产物是下一个步骤的反应物
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