当前课程知识点：现代生物学导论 > 第四讲 能量和代谢 > 4.2 自由能和代谢 > 4.2 自由能和代谢
在这一小节中呢，我们讨论自由能和代谢的关系
在生物学上，我们希望借助热力学定律来理解生命的化学反应
比如哪些反应是自发的，哪些反应需要能量的输入
这里呢要引入自由能的概念
自由能的定义是在等温等压的情况下
系统可以做功的能量
有这么一个公式，那么在这个公式里呢
H代表焓，系统的总能量；T代表温度变化
S代表熵，G呢，是代表自由能的变化
我们可以用自由能来衡量一个系统的稳定程度
即倾向于转变到一个更加稳定的状态
不稳定的状态，他们的自由能较高
倾向于转换到一个更加稳定的状态，也就是自由能较低的状态
举例来说
站在跳台上的选手比水中的选手处在一个相对不稳定的状态
那么一滴滴入水中的染料比扩散后的这个染料呢它是更加的不稳定
还有呢，比如说像一个葡萄糖分子比更小的分子更加不稳定
所有的自发反应都会降低系统的自由能
另外一个描述最稳定状态的是平衡
自由能和平衡之间的关系是这样的
当一个反应达到平衡，系统的自由能达到最低
根据自由能的变化，我们把化学反应分成两大类
吸能反应和放能反应
在放能反应中，自由能降低，这是一个自发反应
这里需要注意的是：自发反应指的是从能量上有利的过程
而不是指反应发生很快
一个放能反应中自由能的变化体现了这个反应中可做的最大功
我们以细胞呼吸的总过程为例
细胞呼吸，葡萄糖和氧气产生了二氧化碳、水
并且释放能量
在这个过程中呢，自由能的变化为负值
需要注意的是，打破化学键并不会释放能量
“能量储存在化学键中”是指在化学反应中
旧化学键的断裂能够释放多少势能用来形成新的化学键
吸能反应需要吸收自由能
因为这种反应需要把能量储存在分子中，自由能增加
吸能反应的过程不是自发的
自由能的变化体现了驱动反应所需的能量
在孤立系统中系统最终会达到平衡
那么我们以这个水利发电系统为例
水从高处流到低处，势能会驱动发电系统
但是当系统达到平衡以后呢，就不会再发电了
对于发生在密闭试管中的化学反应来讲也是一样的道理
会达到平衡
因为当一个系统达到平衡的时候
自由能处于最低值，不会再做功
所以当一个细胞如果达到平衡的时候就表示这个细胞已经死亡了
所以生命的一个重要特征是代谢永远不会达到平衡
细胞内物质的进出使得代谢途径永远不会达到平衡
细胞也就一直在做功
我们同样可以用开放的水力发电系统来解释
在开放的这个系统中呢，不断有能量释放出去
也不断有能量从环境中进入到系统中，反应不会达到平衡
但在生物体的实际情况是
细胞中一个分解代谢途径是分很多步骤来释放自由能的
维持这个体系不达到平衡的一个关键就是
前一个反应的产物会成为下一个反应的反应物
最终细胞排出代谢终产物，就像图中的这个例子
对于细胞呼吸这个过程的进行就是反应物（葡萄糖和氧气）
和产物（CO2和水），它的自由能差异很大
只要细胞有持续的葡萄糖或其他的补给
加上能够排出代谢终产物，代谢反应就永远不会达到平衡
所以，我们再一次看到把生物体看做是一个开放系统的重要性
阳光给生态系统中的植物
和其他可以进行光合作用的生物提供了自由能的来源
生态系统中的动物和其他非光合作用的生物
必须要从光合作用的产物中获得自由能
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
