Биологическая термодинамика - Википедия - Biological thermodynamics

Биологическая термодинамика количественное исследование энергия трансдукции которые происходят в или между живые организмы, конструкции и клетки а также о характере и функциях химический процессы, лежащие в основе этих преобразований. Биологическая термодинамика может решить вопрос о том, связаны ли преимущества с какой-либо конкретной фенотипический черта стоит энергии вложение это требует.

История

Немецко-британский врач и биохимик Ганс Кребс Книга 1957 года Преобразования энергии в живой материи (написано с Ханс Корнберг )[1] была первой крупной публикацией по термодинамике биохимических реакций. Кроме того, в приложении были опубликованы первые термодинамические таблицы, написанные Кеннет Бертон, чтобы содержать константы равновесия и Свободная энергия Гиббса формирований для химические вещества умеет вычислять биохимические реакции этого еще не произошло.

Неравновесная термодинамика был применен для объяснения того, как биологические организмы могут развиваться в результате расстройства. Илья Пригожин разработаны методы термодинамической обработки таких систем. Он назвал эти системы диссипативные системы, потому что они формируются и поддерживаются диссипативными процессами, которые обмениваются энергией между системой и ее окружением, и потому что они исчезают, если этот обмен прекращается. Можно сказать, что они живут в симбиозе со своим окружением. Энергетические преобразования в биологии зависят прежде всего от фотосинтез. Общая энергия, улавливаемая фотосинтезом зеленых растений от солнечной радиации, составляет около 2 x 1023 джоулей энергии в год.[2] Годовая энергия, улавливаемая фотосинтезом у зеленых растений, составляет около 4% от общей Солнечный свет энергия, которая достигает Земли. Энергетические преобразования в биологических сообществах, окружающих гидротермальные источники исключения; они окисляются сера, получая свою энергию через хемосинтез а не фотосинтез.

В центре внимания термодинамики в биологии

Область биологической термодинамики сосредоточена на принципах химическая термодинамика в биология и биохимия. Охватываемые принципы включают первый закон термодинамики, то второй закон термодинамики, Свободная энергия Гиббса, статистическая термодинамика, кинетика реакции, и о гипотезах происхождения жизни. В настоящее время биологическая термодинамика занимается изучением внутренней биохимической динамики, а именно: гидролиза АТФ, стабильности белка, связывания ДНК, мембранной диффузии, кинетики ферментов,[3] и другие такие важные пути, контролируемые энергией. С точки зрения термодинамики, количество энергии, способное совершать работу во время химической реакции, количественно измеряется изменением Свободная энергия Гиббса. Физический биолог Альфред Лотка попытался объединить изменение свободной энергии Гиббса с эволюционной теорией.

Преобразование энергии в биологических системах

Солнце - 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.[4] 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 частота ν дан кем-то

куда час это Постоянная Планка (6,63 x 10−34Js) и c скорость света (2.998x108 РС). 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, лежащей в основе эволюция. В первый закон термодинамики утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена. Ни одна жизнь не может создавать энергию, но должна получать ее через окружающую среду. В второй закон термодинамики утверждает, 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 максимуму энтропия производство, которое с точки зрения эволюции происходит в изменениях в ДНК для увеличения биоразнообразие. 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.[5]

Примеры

Первый закон термодинамики

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.[6] Из первого закона принцип, названный Закон Гесса возникает. 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 калориметр, устройство, используемое 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 килокалории, которые являются общей единицей пищевой энергии, указанной на этикетках пищевых продуктов.[7]

Второй закон термодинамики

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.[8] 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 системы и границы. 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) генерируют 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.

Свободная энергия Гиббса

В биологических системах 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, грамм.

грамм = ЧАС − TS

куда:

Изменение свободной энергии Гиббса можно использовать для определения того, может ли данная химическая реакция происходить спонтанно. Если ∆грамм отрицательный, может возникнуть реакция спонтанно. Аналогично, если ∆грамм положительный, реакция неспонтанная.[9] Химические реакции могут быть «связаны» вместе, если они имеют общие промежуточные соединения. В этом случае общее изменение свободной энергии Гиббса представляет собой просто сумму ∆грамм значения для каждой реакции. Следовательно, неблагоприятная реакция (положительная ∆грамм1) может быть вызвана второй, очень благоприятной реакцией (отрицательная ∆грамм2 где величина ∆грамм2 > величина ∆грамм1). Например, реакция глюкозы с фруктозой с образованием сахарозы имеет ∆грамм значение +5,5 ккал / моль. Следовательно, эта реакция не произойдет спонтанно. Распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата имеет ∆грамм 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. ∆грамм значение сопряженной 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 всех ферментативных действий в биологических организмах.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Альберти Р. (2004). «Краткая история термодинамики реакций, катализируемых ферментами». J Biol Chem. 279 (27): 27831–6. Дои:10.1074 / jbc.X400003200. PMID  15073189.
  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. ^ М.Дж. Фараби. «Реакции и ферменты». Онлайн-книга по биологии. Горный общественный колледж Эстрелла. Архивировано из оригинал на 2012-12-28. Получено 2006-09-26.
  4. ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика. Издательство Кембриджского университета. стр.1 –16.
  5. ^ Скин, Кейт (31 июля 2015 г.). "Жизнь - это газ: термодинамическая теория биологической эволюции". Энтропия. 17 (12): 5522–5548. Дои: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: Кембриджский университет, 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.

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка