sinh học tất cả đều có xu hướng tăng entropy và vì vậy có xu hướng đi đến hỗn loạn (Hình 6.2b). Xu hướng đi đến hỗn loạn này cho ta chiều hướng xảy ra của một quá trình vật lý hoặc hóa học. Nó giải thích tại sao một số phản ứng xảy ra theo một chiều nào đó mà không phải chiều khác.
Định luật hai áp dụng như thế nào đối với các sinh vật? Lấy cơ thể con người với các cấu trúc có độ phức tạp cao được tạo nên từ những phân tử đơn giản. Sự tăng về độ phức tạp rõ ràng trái với định luật hai. Nhưng điều này không phải như ta nghĩ! Tạo nên một 1 kg cơ thể con người đòi hỏi 10 kg vật liệu sinh học được chuyển hóa và trong quá trình đó chúng được chuyển thành CO2, H2O và các phân tử đơn giản hơn và các biến đổi này đòi hỏi rất nhiều năng lượng. Quá trình chuyển hóa này tạo ra nhiều hỗn loạn hơn trật tự trong 1 kg cơ thể. Sự sống đòi hỏi sự nạp năng lượng thường xuyên để duy trì trật tự. Không có sự trái ngược nào với định luật hai của nhiệt động học cả.
Sau khi đã thấy các định luật vật lý về năng lượng áp dụng cho các sinh vật sống, chúng ta sẽ chuyển sang xem xét các định luật này áp dụng cho các phản ứng hóa học như thế nào.
Các phản ứng hóa học giải phóng hoặc hấp thu năng lượng lượng
Trong tế bào các phản ứng đồng hóa có thể chỉ tạo nên một sản phẩm duy nhất, ví dụ protein (một chất có mức trật tự cao) từ nhiều chất tham gia nhỏ hơn, ví dụ amino acid (mức độ cấu trúc thấp hơn). Những phản ứng như vậy đòi hỏi, tức tiêu thụ năng lượng. Các phản ứng dị hóa có thể phá vỡ một chất tham gia có trật tự, như phân tử glucose, thành những những sản phẩm phân tán một cách ngẫu nhiên hơn như carbon dioxide và nước. Những phản ứng như vậy giải phóng năng lượng. Nói cách khác một số phản ứng giải phóng năng lượng tự do và một số khác tiêu thụ.
Lượng năng lượng giải phóng (-ΔG) hay tiêu thụ (+ΔG) bởi một phản ứng liên quan trực tiếp đến xu hướng của một phản ứng đi đến tận cùng (điểm mà tại đó tất cả chất tham gia được chuyển thành sản phẩm):
• Một số phản ứng có xu hướng đi đến tận cùng mà không cần năng lượng. Những phản ứng này giải phóng năng lượng và được gọi là phản ứng giải năng và có ΔG âm (Hình 6.3a).
• Các phản ứng đi đến tận cùng chỉ khi thêm năng lượng tự do từ môi trường là các phản ứng thu năng và có ΔG dương (Hình 6.3b).
Nếu một phản ứng giải phóng năng lượng khi diễn ra theo một chiều (ví dụ từ chất tham gia A thành sản phẩm B) thì phản ứng ngược lại (B thành A) đòi hỏi sự cung cấp năng lượng liên tục để có thể xảy ra. Nếu A --> B là tỏa năng (ΔG<0) thì B-->A là thu năng (ΔG>0).
Về nguyên tắc các phản ứng hóa học có thể xảy ra theo hai chiều thuận và nghịch. Ví dụ nếu hợp chất A có thể chuyển thành hợp chất B (A-->B) thì về nguyên tắc B có thể được chuyển thành A (B-->A) và chỉ một trong hai chiều phản ứng sẽ được ưu tiên. Hãy coi một phản ứng tổng cộng là kết quả từ sự cạnh tranh giữa các phản ứng thuận và phản ứng nghịch (A<=>B). Tăng nồng độ của chất tham gia (A) làm tăng tốc độ phản ứng thuận, và tăng nồng độ của sản phẩm (B)tạo thuận lợi cho phản ứng nghịch. Ở một nồng độ nào đó của A và B các phản ứng thuận và nghịch diễn ra ở cùng tốc độ. Ở nồng độ này tổng biến đổi trong hệ thống bằng không mặc dù từng phân tử vẫn hình thành hoặc phân huỷ. Sự cân bằng giữa các phản ứng thuận và nghịch này được biết dưới tên gọi cân bằng hóa học. Cân bằng hóa học là một trạng thái cân bằng tĩnh, một trạng thái không có sự thay đổi và là một trạng thái trong đó ΔG = 0.