Войти
Биологическая термодинамика - это количественное исследование энергии преобразований, которые происходят в живых организмах, структурах и клетках или между ними, а также о природе и функциях химических процессов, лежащих в основе этих преобразований. Биологическая термодинамика может решить вопрос о том, стоит ли выгода, связанная с какой-либо конкретной фенотипической чертой, затраченных на нее вложений энергии.
Немецко-британский врач и биохимик Ганс Кребс '1957 г. Книга «Превращения энергии в живой материи» (написанная совместно с Гансом Корнбергом ) была первой крупной публикацией по термодинамике биохимических реакций. Кроме того, приложение содержало первые опубликованные термодинамические таблицы, написанные Кеннетом Бертоном и содержащие константы равновесия и свободную энергию Гиббса образований для химических соединений, способный рассчитать биохимические реакции, которые еще не произошли.
Неравновесная термодинамика применялась для объяснения того, как биологические организмы могут развиваться в результате беспорядка. Илья Пригожин разработал методы термодинамической обработки таких систем. Он назвал эти системы диссипативными системами, потому что они формируются и поддерживаются диссипативными процессами, которые обмениваются энергией между системой и окружающей средой, и потому что они исчезают, если этот обмен прекращается. Можно сказать, что они живут в симбиозе со своим окружением. Преобразования энергии в биологии зависят прежде всего от фотосинтеза. Общая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений от солнечной радиации, составляет около 2 x 10 джоулей энергии в год. Годовая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений, составляет около 4% от общей солнечной энергии, которая достигает Земли. Преобразования энергии в биологических сообществах вокруг гидротермальных источников являются исключением; они окисляют серу, получая энергию посредством хемосинтеза, а не фотосинтеза.
Область биологической термодинамики сосредоточена на принципах химической термодинамики в биологии и биохимии. Охватываемые принципы включают первый закон термодинамики, второй закон термодинамики, свободную энергию Гиббса, статистическую термодинамику, реакцию. кинетика, и о гипотезах происхождения жизни. В настоящее время биологическая термодинамика занимается изучением внутренней биохимической динамики, а именно: гидролиза АТФ, стабильности белков, связывания ДНК, мембранной диффузии, кинетики ферментов и других важных путей, контролируемых энергией. С точки зрения термодинамики, количество энергии, способное совершать работу во время химической реакции, измеряется количественно по изменению свободной энергии Гиббса. Физический биолог Альфред Лотка попытался объединить изменение свободной энергии Гиббса с эволюционной теорией.
Солнце является основным источником энергии для живых организмов. Некоторые живые организмы, такие как растения, нуждаются в солнечном свете напрямую, в то время как другие организмы, такие как люди, могут получать энергию от солнца косвенно. Однако есть свидетельства того, что некоторые бактерии могут процветать в суровых условиях, таких как Антарктика, о чем свидетельствуют сине-зеленые водоросли под толстыми слоями льда в озерах. Независимо от типа живых существ, все живые организмы должны улавливать, преобразовывать, накапливать и использовать энергию для жизни.
Связь между энергией падающего солнечного света и его длиной волны λ или частотой ν определяется выражением
где h - постоянная Планка (6,63x10Js), а c - скорость света (2,998x10 м / с). Растения улавливают эту энергию солнечного света и подвергаются фотосинтезу, эффективно преобразовывая солнечную энергию в химическую энергию. Чтобы снова передать энергию, животные будут питаться растениями и использовать энергию переваренных растительных материалов для создания биологических макромолекул.
Биологическая эволюция может быть объяснена с помощью термодинамической теории. Четыре закона термодинамики используются для построения биологической теории эволюции. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Ни одна жизнь не может создавать энергию, но должна получать ее через окружающую среду. Второй закон термодинамики гласит, что энергия может быть преобразована, и это происходит каждый день в формах жизни. Поскольку организмы берут энергию из окружающей среды, они могут преобразовывать ее в полезную энергию. Это основа тропической динамики.
Общий пример состоит в том, что открытая система может быть определена как любая экосистема, которая стремится к максимальному распределению энергии. Все стремятся к максимальному производству энтропии, которое с точки зрения эволюции происходит в изменениях в ДНК для увеличения биоразнообразия. Таким образом, разнообразие можно связать со вторым началом термодинамики. Также можно утверждать, что разнообразие является диффузионным процессом, который движется к динамическому равновесию, чтобы максимизировать энтропию. Следовательно, термодинамика может объяснить направление и скорость эволюции вместе с направлением и скоростью последовательности.
Первый закон термодинамики - это заявление о сохранении энергии; хотя она может быть изменена из одной формы в другую, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Из первого закона возникает принцип, называемый законом Гесса. Закон Гесса гласит, что тепло, поглощаемое или выделяемое в данной реакции, всегда должно быть постоянным и независимым от того, как протекает реакция. Хотя некоторые промежуточные реакции могут быть эндотермическими, а другие - экзотермическими, общий теплообмен равен теплообмену, если бы процесс происходил напрямую. Этот принцип лежит в основе калориметра, устройства, используемого для определения количества тепла в химической реакции. Поскольку вся поступающая энергия поступает в организм в виде пищи и в конечном итоге окисляется, общее тепловыделение можно оценить путем измерения тепла, выделяемого при окислении пищи в калориметре. Это тепло выражается в килокалориях, которые являются общепринятой единицей пищевой энергии, указанной на этикетках пищевых продуктов.
Второй закон термодинамики касается в первую очередь с тем, возможен ли данный процесс. Второй закон гласит, что естественный процесс не может происходить, если он не сопровождается увеличением энтропии Вселенной. Иными словами, изолированная система всегда будет иметь тенденцию к беспорядку. Часто ошибочно полагают, что живые организмы нарушают Второй закон, потому что они способны повысить свой уровень организации. Чтобы исправить это неверное толкование, нужно просто сослаться на определение систем и границ. Живой организм - это открытая система, способная обмениваться материей и энергией с окружающей средой. Например, человек принимает пищу, расщепляет ее на компоненты, а затем использует их для создания клеток, тканей, связок и т. Д. Этот процесс увеличивает порядок в организме и, таким образом, снижает энтропию. Однако люди также 1) проводят тепло к одежде и другим предметам, с которыми они контактируют, 2) создают конвекцию из-за разницы в температуре тела и окружающей среды, 3) излучают тепло в космос, 4) потребляют энергосодержащие вещества (т. пища) и 5) устранение отходов (например, углекислого газа, воды и других компонентов дыхания, мочи, кала, пота и т. д.). Если принять во внимание все эти процессы, общая энтропия большей системы (то есть человека и его / его окружающей среды) увеличивается. Когда человек перестает жить, ни один из этих процессов (1-5) не происходит, и любое прерывание процессов (особенно 4 или 5) быстро приводит к заболеваемости и / или смертности.
В биологических системах в целом энергия и энтропия изменяются вместе. Следовательно, необходимо иметь возможность определить функцию состояния, которая одновременно учитывает эти изменения. Эта функция состояния представляет собой свободную энергию Гиббса, G.
, где:
Можно использовать изменение свободной энергии Гиббса чтобы определить, может ли данная химическая реакция протекать спонтанно. Если ∆G отрицательно, реакция может происходить спонтанно. Точно так же, если ∆G положительна, реакция не спонтанная. Химические реакции могут быть «связаны» вместе если они разделяют промежуточные соединения. В этом случае общее изменение свободной энергии Гиббса представляет собой просто сумму значений ∆G для каждой реакции. Следовательно, неблагоприятная реакция (положительная ∆G 1) может быть вызвана вторая, очень благоприятная реакция (отрицательная ∆G 2, где величина ∆G 2>величина ∆G 1). Например, реакция глюкозы с фруктозой с образованием сахарозы имеет значение ∆G +5,5 ккал / моль. Следовательно, эта реакция не будет происходить sp постоянно. Распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата имеет значение ∆G -7,3 ккал / моль. Эти две реакции могут быть связаны вместе, так что глюкоза связывается с АТФ с образованием глюкозо-1-фосфата и АДФ. Затем глюкозо-1-фосфат может связываться с фруктозой, давая сахарозу и неорганический фосфат. Значение ∆G связанной реакции составляет -1,8 ккал / моль, что указывает на то, что реакция будет происходить самопроизвольно. Этот принцип реакций сочетания для изменения изменения свободной энергии Гиббса является основным принципом, лежащим в основе всех ферментативных действий в биологических организмах.
