Trong phản ứng tỏa nhiệt do năng lượng liên kết của sản phẩm thấp hơn cả chất tham gia nên nưng lượng giải phóng ra thường chuyển hóa thành nhiệt (năng lượng vận động phân tử) và ∆H âm. Trong phản ứng thu nhiệt, năng lượng liên kết của sản phẩm cao hơn của chất tham gia nên nhiệt độ bị hấp thu trong tiến trình phản ứng và ∆H dương. Hiệu ứng tổ hợp của biến thiên enthalpy và entropy xác định dấu của ∆G. Phản ứng tỏa nhiệt (∆H<0) với entroypy tăng (∆S>0) tự xảy ra (∆G<0). Phản ứng thu nhiệt (∆H>0) sẽ tự xảy ra nếu ∆S tăng sao cho T∆S lớn hơn ∆H. Nhiều phản ứng sinh học dẫn đến tăng độ trật tự và do đó làm giảm entropy (∆S<0). Ví dụ dễ thấy là phản ứng tổng hợp protein từ acid amin. Dung dịch chứa protein có entropy thấp hơn dung dịch chứa đủ các acid amin cấu thành nhưng ở trạng thái không liên kết. Nguyên nhân của điều này là acid amin trong protein gắn với nhau thành chuỗi dài nên bị hạn chế vận động tự do. Thông thường tế bào bù lại sự giảm entropy bằng cách “cặp đôi” các phản ứng tổng hợp (làm giảm entroypy) như vậy với các phản ứng độc lập có giá trị ∆G rất âm (xem dưới đây). Bằng cách này tế bào có thể chuyển đổi nguồn năng lượng trong môi trường thành hoạt động xây dựng các cấu trúc có tổ chức cao và các con đường trao đổi chất thiết yếu cho sự sống.
Biến thiên năng lượng tự do ∆G của phản ứng thường không bằng ∆Go’ và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, áp suất cũng như nồng độ ban đầu của chất tham gia và sản phẩm. pH dung dịch tác động đến hầu hết các phản ứng sinh học cũng như phản ứng khác xảy ra trong dung dịch. Có thể tính biến thiên năng lượng tự do ở các nhiệt độ khác nhau và nồng độ ban đầu theo phương trình sau:
Với R là hằng số khí = 1,987 cal/ (độ.mol), T (K), và Q là tỷ lệ ban đầu của sản phẩm và chất tham gia. Với phản ứng A+B ⇄ C, Q=[C]/[A][B]. Trong trường hợp này, nồng độ ban đầu của A hoặc B tăng sẽ làm tăng ∆G âm hơn và phản ứng xảy ra theo chiều thuận (tạo ra C).
Với mọi giá trị ∆Go’ , một phản ứng hóa sinh nhất định sẽ chỉ xảy ra trong tế bào khi ∆G âm, tùy thuộc vào nồng độ nội bào của sản phẩm và chat tham gia. Ví dụ, trong phản ứng chuyển hóa glyceraldhyde-3-phosphate (G3P) thành dihyddrocyacetone phosphate (DHAP) (hai chất này tham gia con đường phân giải glucose)
∆Go’ =-1840 cal/ mol. Nếu nồng độ ban đàu cảu G3P= DHAP thì ∆G= ∆Go’ vì RTln 1 =0; trong trường hợp này, phản ứng thuận nghịch sẽ tự xảy ra theo chiều tạo DHPA cho tới khi cân bằng. tuy nhiên,nếu [DHPA] ban đầu = 0,1M và [G3P]= 0,001M thì tại điều kiện chuẩn, Q=0,1/0,001=100, nên ∆G= +887 calo/mol. Dưới các điều kiện này, phản ứng sẽ diễn ra theo chiều tạo G3P.
∆G không phụ thuộc vào tôc độ phản ứng. Thực vậy, dưới các điều kiện sinh lý bình thường, gần như mọi phản ứng hóa sinh cần để duy trì sự sống đều có ít nhất một cơ chế tăng tốc. Tốc độ của phản ứng trong các hệ sinh học thường được xác định bởi hoạt tính của enzyme, protein xúc tác tăng sự tạo thành sản phẩm từ chất tham gia mà không làm thay đổi ∆G.
Có thể tính ∆Go’ từ Keq
Khi cân bằng, hỗn hợp hóa chất nằm tại trạng thái ổn định với năng lượng tự do nhỏ nhất. Với một hệ thống cân bằng (∆G=0, Q= Keq) dưới điều kiện chuẩn có thể viết:
∆Go’=-2,3RT logKeq = -1362 log Keq (2-8)
Do đó nếu biết nồng độ của chất tham gia và sản phẩm lúc cân bằng (ví dụ Keq) thì có thể tính giá trị Go’. Ví dụ, Keq của phản ứng chuyển hóa glyrceraldehyde-3-phosphate (G3P DHAP) là 22,2 dưới điều kiện chuẩn. Thay giá trị này vào phương trình 2-8 sẽ dễ dàng tính được ∆Go’ của phản ứng này là 1840 cal/mol.
Biến đổi lại phương trình 2-8 suy ra:
Keq= 10-( ∆Go’/2,3RT) (2-9)
Từ phương trình này có thể thấy rõ nếu ∆Go’ âm thì số mũ sẽ dương và Keq>1. Do đó lúc cân bằng nồng độ sản phẩm sẽ cao hơn nồng độ chất tham gia hay nói cách khác, phản ứng ưu tiên tạo sản phẩm. Ngược lại, nếu ∆Go’ dương thì số mũ sẽ âm và K eq sẽ <1.
Tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào năng lƣợng hoạt hóa cần thiết để đƣa chất tham gia tới trạng thái chuyển tiếp
Khi phản ứng hóa học bắt đầu, các chất tham gia đập vào nhau và dẫn tới bắt đầu hình thành một số liên kết trong khi phá vỡ một số liên kết khác.một cách để hình dung về các phân tử giai đoạn chuyển tiếp này là có những giới hạn nhất định trong cấu hình điện tử của nguyên tử và liên kết của chúng. Cần cấp năng lượng để một tập hợp các nguyên tử chuyển từ trạng thái chất tham gia tương đối bền thành trạng thái trung gian này trong tiến trình phản ứng. Theo đó, tập hợp nguyên tử có trạng thái năng lượng tạm thời cao hơn tại một số thời điểm. Trong một phản ứng hóa học, trạng thái đó hệ thống nằm ở mức năng lượng cao nhất được gọi là trạng thái chuyển tiếp. Năng lượng để kích thích chất tham gia phản ứng tới trạng thái chuyển tiếp gọi là năng lượng hoạt hóa, kí hiệu là ∆G≠, tương tự với biến thiên năng lượng tự do Gibbs (∆G) đã đề cập. Từ trạng thái
chuyển tiếp, một tập hợp nguyên tử có thể giải phóng năng lượng dưới dạng tạo thành sản phẩm của phản ứng hoặc “lùi lại” mức năng lượng ban đầu. Vận tốc (V) tạo thành sản phẩm từ chất tham gia trong một tập hợp điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, nồng độ chất tham gia) sẽ phụ thuộc vào nồng độ của chất tại trạng thái chuyển tiếp. Nồng độ này lại phụ thuộc vào năng lượng hoạt hóa và hằng số tốc độ riêng (v) tại đó trạng thái chuyển tiếp chuyển hóa thành sản phẩm. Năng lượng hoạt hóa càng cao, tỷ lệ chất tham gia đạt tới trạng thái chuyển tiếp càng thấp và tốc độ phản ứng càng chậm. Tương quan giữa nồng độ chất tham gia phản ứng v, và V là: