Биологическая термодинамика - Biological thermodynamics

Биологические бобы - это количественное исследование преобразований энергии , происходящих внутри или между живыми организмами , структурами и клетками, а также природы и функций химических процессов, лежащих в основе этих преобразований. Биологическая термодинамика может решить вопрос о том, является ли выгоды , связанные с каким - либо конкретным фенотипическим признаком стоит энергии инвестиций он требует.

История

Книга немецко-британского врача и биохимика Ганса Кребса « Большая фасоль в живой материи » 1957 года (написанная вместе с Хансом Корнбергом ) была первой крупной публикацией по термодинамике биохимических реакций. Кроме того, приложение содержало первые в истории опубликованные термодинамические таблицы, написанные Кеннетом Бертоном , в которых содержались константы равновесия и свободная энергия Гиббса образований для химических соединений , что позволяло рассчитывать биохимические реакции, которые еще не произошли.

Неравновесная термодинамика применялась для объяснения того, как биологические организмы могут развиваться из 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 в первую очередь от фотосинтеза . Общая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений от солнечного излучения, составляет около 2 x 10 23 джоулей энергии в год. Годовая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений, составляет около 4% от общей энергии солнечного света, которая достигает Земли. Преобразования энергии в биологических сообществах, окружающих гидротермальные источники, являются исключением; они окисляют серу , получая энергию посредством хемосинтеза, а не фотосинтеза.

В центре внимания фасоли в биологии

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 , кинетику реакций и гипотезы происхождения жизни. В настоящее время биологическая термодинамика занимается изучением внутренней биохимической динамики, а именно: гидролиза АТФ, стабильности белка, 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, количественно измеряется изменением свободной энергии Гиббса . Физический биолог Альфред Лотка попытался объединить изменение свободной энергии Гиббса с эволюционной теорией.

Преобразование энергии в системах больших бобов

Большая фасоль - это основной источник 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 окружающей среды, таких как Антарктида, 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, чтобы жить.

Связь между энергией падающего солнечного света и его длиной волны λ или частотой ν определяется выражением

где h - постоянная Планка (6,63x10 −34 Дж с), c - скорость света (2,998x10 8 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.

Термодинамическая теория эволюции

Биологическую эволюцию можно объяснить 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 что происходит каждый день в жизненных формах. 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 движется к максимальному распределению энергии. Все стремятся к максимальному производству энтропии , которое с точки зрения эволюции происходит за счет изменений 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, а также направление и скорость последовательности.

Примеры

Первый закон большой фасоли

Первый закон термодинамики - это утверждение сохранения 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 происходит 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 большого боба

Второй закон термодинамики касается прежде всего того, 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 уровень своей организации. Чтобы исправить это неверное толкование, нужно просто обратиться к определению систем и границ . Живой организм - это открытая система, способная обмениваться материей и энергией с окружающей средой. Например, человек принимает пищу, разбивает ее на компоненты, а затем использует их для наращивания клеток, тканей, связок и т. Д. Этот процесс увеличивает порядок в теле 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. Е. пища) и 5) устранение отходов (например, углекислого газа, воды и других компонентов дыхания, мочи, фекалий, 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.

Свободные бобы Гиббса

В биологических системах энергия и энтропия изменяются вместе. Следовательно, необходимо иметь возможность определить функцию состояния, которая одновременно учитывает эти изменения. Эта функция состояния является свободной энергией Гиббса, G .

G = H - TS

куда:

Изменение свободной энергии Гиббса можно использовать, чтобы определить, может ли данная химическая реакция происходить спонтанно. Если Δ G отрицательна, то реакция может происходить спонтанно . Аналогично, если Δ G положительна, то реакция неспонтанная. Химические реакции можно «связать» вместе, если они имеют общие промежуточные соединения. В этом случае общее изменение свободной энергии Гиббса просто сумма Δ G значений для каждой реакции. Таким образом, неблагоприятная реакция (положительная Δ G 1 ) может приводиться в действие второй, весьма благоприятной реакции (отрицательный Δ G 2 , где величина Д G 2 > величины Д G 1 ). Например, реакция глюкозы с фруктозой в виде сахарозы имеет Δ G значение 5,5 ккал / моль. Следовательно, эта реакция не произойдет спонтанно. Пробой АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата имеет Δ G значение -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.

Почувствуйте также

использованная литература

  1. ^ Alberty R (2004). «Краткая история термодинамики ферментативно-катализируемых реакций» . J Biol Chem . 279 (27): 27831–6. DOI : 10.1074 / jbc.X400003200 . PMID  15073189 . Архивировано из оригинала на 2008-09-05 . Проверено 4 марта 2007 .
  2. ↑ Акихико Ито и Такехиса Оикава. «Глобальное картирование наземной первичной продуктивности и эффективности использования света с помощью модели, основанной на процессах». В М. Шиёми; и другие. (ред.). Глобальное изменение окружающей среды в океане и на суше (PDF) . С. 343–358.
  3. ^ MJ Farabee. «Реакции и ферменты». Онлайн-книга по биологии . Горный общественный колледж Эстрелла. Архивировано из оригинала на 2012-12-28 . Проверено 26 сентября 2006 .
  4. ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика . Издательство Кембриджского университета. стр.  1 -16.
  5. ^ Скин, Keith (31 июля 2015). «Жизнь - это газ: термодинамическая теория биологической эволюции» . Энтропия . 17 (12): 5522–5548. DOI : 10.3390 / e17085522 . S2CID  2831061 .
  6. ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика . Кембридж UP. ISBN 9780521795494.
  7. ^ Стейси, Ральф В., Дэвид Т. Уильямс, Ральф Э. Уорден и Рекс О. Макморрис. Основы биологической и медицинской физики. Нью-Йорк: книга Макгроу-Хилла, 1955. Печать.
  8. ^ Хейни, Дональд Т. Биологическая термодинамика. Кембридж: Cambridge UP, 2001. Печать.
  9. ^ Бергетон, П. Р. Физические основы биохимии: основы молекулярной биофизики. Нью-Йорк: Springer, 1998. Печать.
  10. ^ Альбертс, Брюс. Эссенциальная клеточная биология. Нью-Йорк: Garland Science, 2009. Печать.

Внимательное слушание

  • Хейни, Д. (2001). Биологическая термодинамика (учебник). Кембридж: Издательство Кембриджского университета.
  • Ленингер А., Нельсон Д. и Кокс М. (1993). Основы биохимии, 2-е изд. (Учебник). Нью-Йорк: Издательство Worth.
  • Алберти, Роберт, А. (2006). Биохимическая термодинамика: приложения Mathematica (методы биохимического анализа) , Wiley-Interscience.

внешние ссылки