năng lượng và sự chuyển đổi năng lương (tt) pdf

ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT: NĂNG LƯỢNG KHÔNG TỰ NHIÊN SINH RA CŨNG KHÔNG TỰ NHIÊN MẤT ĐI Năng lượng có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Ví dụ bằng cách đánh que diêm ta đã biến hóa thế năng thành ánh sáng và nhiệt. Định luật thứ nhất của nhiệt động học nói rằng trong bất kỳ biến đổi năng lượng nào như vậy, năng lượng không sinh ra cũng không bị phá huỷ. Định luật một cho chúng ta biết rằng trong bất kỳ biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, tổng năng lượng trước và sau biến đổi là như nhau (hình 6.2a). Như ta sẽ thấy ở hai chương tiếp theo, hóa thế năng trong các liên kết hóa học của các carbohydrate và lipid có thể được chuyển thành thế năng ở dạng ATP. Năng lượng này sau đó có thể được sử dụng để tạo thế năng ở dạng gradient nồng độ thiết lập bởi vận chuyển chủ động, và có thể được chuyển thành động năng để thực hiện công cơ học, ví dụ co cơ. Không phải tất cả các năng lượng có thể sử dụng và hỗn loạn có xu thế tăng Định luật hai của nhiệt động học nói rằng mặc dù năng lượng không thể được tạo ra hay phá huỷ, khi năng lượng được chuyển từ dạng này sang dạng khác thì một số năng lượng trở thành dạng không có khả năng sinh công (Hình 6.2b). Nói cách khác, không có quá trình vật lý hay hóa học nào là hiệu suất 100% cả và không phải tất cả năng lượng giải phóng đều có thể chuyển thành công. Một số năng lượng bị lấy đi vào dạng liên quan đến sự hỗn loạn. Định luật hai đúng cho tất cả các biến đổi năng lượng nhưng ở đây chúng ta sẽ tập trung vào các phản ứng hóa học trong tế bào sống. KHÔNG PHẢI TẤT CẢ NĂNG LƯỢNG ĐỀU DÙNG ĐƯỢC Trong bất kỳ hệ nào, tổng năng lượng bao gồm năng lượng sử dụng được có thể sinh công và năng lượng không sử dụng được mất đi vào sự hỗn loạn: tổng năng lượng = năng lượng dùng được + năng lượng không dùng được Trong các hệ sinh học, tổng năng lượng được gọi là enthalpy (H). Năng lượng sử dụng được có khả năng sinh công gọi là năng lượng tự do (G). Năng lượng tự do là những gì tế bào đòi hỏi cho mọi phản ứng hóa học trong sinh trưởng tế bào, phân bào và duy trì trạng thái khỏe mạnh của tế bào. Năng lượng không sử dụng được được biểu diễn bởi entropy (S), là đại lượng đo độ hỗn loạn của hệ thống, nhân với nhiệt độ tuyệt đối (T). Vì vậy chúng ta có thể viết lại phương trình chữ trên một cách chính xác hơn là H = G + TS Vì chúng ta quan tâm đến năng lượng sử dụng được, chúng ta biến đổi biểu thức trên thành: G= H - TS Mặc dù chúng ta không thể đo G, H hay S một cách tuyệt đối, chúng ta có thể xác định sự biến đổi của mỗi đại lượng ở nhiệt độ không đổi. Những biến đổi năng lượng này được đo bằng calories (cal) hoặc joules (J)(Xem chương 2). Đại lượng biến đổi trong năng lượng được biễu diễn bằng chữ delta (Δ) ΔG phảnứng = G sảnphẩm - G thamgia Giá trị của đại lượng biến đổi có thể âm hoặc dương. Ở nhiệt độ không đổi, ΔG được định nghĩa theo sự biến đổi của năng lượng tổng số và sự biến đổi của entropy (Δ): ΔG = ΔH - TΔS Phương trình này nói cho ta biết năng lượng được giải phóng hay tiêu thụ bởi một phản ứng hóa học:  Nếu ΔG âm (ΔG < 0) năng lượng được giải phóng  Nếu ΔG dương (ΔG > 0) phản ứng đòi hỏi năng lượng (tiêu thụ). Nếu năng lượng tự do không có sẵn thì phản ứng sẽ không tự xẩy ra Dấu và độ lớn của ΔG phụ thuộc vào hai đại lượng bên phải của phương trình:  ΔH: trong một phản ứng ΔH là tổng năng lượng thêm vào phản ứng (ΔH > 0) hoặc giải phóng (ΔH <0).  ΔS: Phụ thuộc vào dấu và độ lớn của ΔS, đại lượng TΔS có thể âm hoặc dương, lớn hoặc nhỏ. Nói các khác trong các hệ thống sống ở nhiệt độ không đổi (T không đổi), độ lớn và dấu của ΔG có thể phụ thuộc rất nhiều vào entropy. Biến đổi lớn về entropy làm cho ΔG âm hơn như đã cho thấy bằng dấu trừ ở trước thừa số TΔS. Nếu một phản ứng hóa học tăng entropy thì sản phẩm của nó sẽ hỗn loạn hơn chất tham gia phản ứng. Nếu có nhiều sản phẩm hơn chất tham gia phản ứng như trong phản ứng thủy phân của một protein thành các amino acid, các sản phẩm có khá nhiều tự do để có thể chuyển động xung quanh. Độ hỗn loạn của một dung dịch amino acid sẽ lớn hơn so với độ hỗn loạn của protein trong đó các liên kết peptide và các lực khác ngăn cản sự chuyển động tự do. Vì vậy trong phản ứng thủy phân thay đổi về entropy (ΔS) sẽ dương. Nếu có ít sản phẩm hơn và chúng bị hạn chế chuyển động hơn so với chất tham gia phản ứng thì ΔS sẽ âm. Ví dụ một protein lớn liên kết bởi các liên kết peptide ít có tự do trong di chuyển hơn một dung dịch của hàng trăm hay hàng ngàn amino acid tổng hợp nên nó. Độ hỗn loạn có xu thế tăng Định luật thứ hai của nhiệt động học cũng dự đoán rằng, độ hỗn loạn có xu hướng tăng như một hệ quả của sự chuyển đổi năng lượng. Biến đổi hóa học, vật lý và các quá trình 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 [...]... 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. .. 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 . vào sự hỗn loạn: tổng năng lượng = năng lượng dùng được + năng lượng không dùng được Trong các hệ sinh học, tổng năng lượng được gọi là enthalpy (H). Năng lượng sử dụng được có khả năng. và không phải tất cả năng lượng giải phóng đều có thể chuyển thành công. Một số năng lượng bị lấy đi vào dạng liên quan đến sự hỗn loạn. Định luật hai đúng cho tất cả các biến đổi năng lượng. trung vào các phản ứng hóa học trong tế bào sống. KHÔNG PHẢI TẤT CẢ NĂNG LƯỢNG ĐỀU DÙNG ĐƯỢC Trong bất kỳ hệ nào, tổng năng lượng bao gồm năng lượng sử dụng được có thể sinh công và năng lượng