Bài giảng lý sinh: Nhiệt sinh học pdf

- Phân loại: 3 loại+ Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và năng lượng với bên ngoài nước trong một phích kín, cách nhiệt tốt + Hệ nhiệt động kín hệ đóng: Trao đổi năng lượng,

CHƯƠNG I: NHIỆT SINH HỌC

§1 Một số khái niệm:

1.1 Hệ nhiệt động:

- Khái niệm: Tập hợp các vật thể, phân tử,

không gian nhất định

- Ví dụ: Một thể tích nước trong bình, một

BÀI GIẢNG LÝ SINH



- Phân loại: 3 loại

+ Hệ nhiệt động cô lập: Không trao đổi vật chất và năng lượng với bên ngoài (nước trong một phích kín, cách nhiệt tốt)

+ Hệ nhiệt động kín (hệ đóng): Trao đổi năng lượng, không trao đổi vật chất (nước trong phích kín nhưng cách nhiệt kém).

+ Hệ nhiệt động mở: Trao đổi vật chất và năng lượng (nước trong phích hở, cơ thể sống của sinh vật,

Khi hệ thay đổi trạng thái thì các thông số của hệ cũng thay đổi (theo những quy luật nhất định - quy luật nhiệt động)

Ví dụ:

+ Nén (dãn) vô cùng chậm khí trong một xy lanh có pit tông :

Sự mất cân bằng n (hay P) của lớp khí sát mặt pít tông với các vùng khác trong

hệ luôn kịp được san bằng bởi sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử

hệ luôn ở các trạng thái cân bằng về n (hay P) + Truyền nhiệt diễn ra vô cùng chậm của vật nóng cho vật lạnh:

Chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử trong vật kịp san bằng chênh lệch nhiệt

độ trong suốt quá trình truyền nhiệt vật luôn ở các trạng thái cân bằng nhiệt độ.

- Quá trình thuận nghịch:

+ Quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái này sang trạng thái khác, có thể thực hiện quá trình ngược lại

+ Quá trình ngược: Hệ trải qua tất cả các trạng thái trung gian như quá trình thuận.

+ Quá trình thuận nghịch chỉ có thể là tập hợp của các trạng thái cân bằng

là quá trình cân bằng.

- Quá trình bất thuận nghịch:

+ Quá trình biến đổi, quá trình ngược lại không thể tự xảy ra

+ Xảy ra quá trình ngược, làm môi trường xung quanh có thay đổi

+ Hệ không trải qua các trạng thái trung gian như quá trình thuận

Ví dụ: Quá trình truyền nhiệt, quá trình biến đổi công thành nhiệt,…

+ Các quá trình xảy ra trong tự nhiên thường là bất thuân nghịch.

1.3 Nhiệt độ và đo nhiệt độ

- Cảm giác của con người:

Một vật hay một môi trường là nóng, ấm hay lạnh, mát,… (Mang tính chủ quan, phụ thuộc vào trạng thái tâm, sinh lý của người quan sát)

- Đánh giá một cách khách quan mức độ nóng, lạnh,…của đối tượng quan sát ?

Dùng nhiệt độ.

- Nguyên tắc đo nhiệt độ:

Dựa trên sự thay đổi theo nhiệt độ của một tính chất nào đó của vật chất: Độ dài, thể tích, điện trở,…

- Dụng cụ đo nhiệt độ:

gọi là nhiệt kế

- Nhiệt kế thường dùng:

+ Nhiệt kế thủy ngân: Sự thay đổi V thủy ngân theo t0

+ Nhiệt kế điện trở: Sự thay đổi R của kim loại theo t0

+ Nhiệt kế nhiệt điện: Sự thay đổi theo t0 của hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại),…

- Tùy theo quy ước lấy các điểm chuẩn khác nhau mà có các thang nhiệt độ (nhiệt giai) khác

1000C 373,160K 800R 2120F

00C 273,160K 00R 320F

n0C = (0,8 n)0R =(1,8n + 32)0F

- Chú ý:

+ Thang nhiệt độ Kelvin dựa trên cơ sở nhiệt độ chỉ là đại lượng phản ánh mức độ chuyển động, phản ánh động năng trung bình của các phân tử trong hệ nhiệt động mà không phụ thuộc các vật chất cụ thể dùng trong các hệ đó

+ Liên hệ số đo nhiệt độ của thang nhiệt độ Kelvin (T) và thang nhiệt độ Celsius (t): T0 = t 0C + 273,160

- Ví dụ:

+ Gradien của nồng độ: gradC =

+ Gradien của điện thế: gradV =

sống:

dx dC

dx dV

+ Gradien màng

Do phân bố không đồng đều các chất có phân tử lượng khác nhau ở hai phía màng tế bào

dễ dàng, nhưng các phân tử có phân tử lượng lớn thì rất khó thấm vào hoặc giải phóng ra khỏi tế bào.

+ Gradien độ hòa tan

Xuất hiện ở hai pha không trộn lẫn, do sự hòa tan các chất của hai pha khác nhau (như pha lipit và protein trong tế bào,…)

+ Gradien điện thế

Xuất hiện do sự chênh lệch về điện thế ở hai phía màng tế bào, khi có phân bố không đều các ion như Na+, K+,…

+ Gradien điện hóa:

Tổng gradien nồng độ và gradien điện thế, xuất hiện khi có sự phân bố không đều các hạt mang điện ở trong và ngoài tế bào.

§2 Nguyên lý I nhiệt động học với hệ

sinh vật

2.1 Nội năng, công, nhiệt lượng:

 2.1.1 Nội năng (U):

- Khái niệm:

+ Toàn bộ năng lượng chứa trong hệ.

+ Năng lượng chuyển động nhiệt, năng lượng dao động của các phân tử, nguyên tử, năng lượng chuyển động của các electrron, năng lượng hạt nhân,…

+ Năng lượng tương tác của hệ với bên ngoài và động năng chuyển động của cả hệ không được tính vào nội năng.

- Đơn vị đo nội năng là jun (J)

◦ Đặc điểm: Mỗi trạng thái của hệ tương ứng có

trạng thái thì nội năng thay đổi Nội năng

là hàm trạng thái của hệ

- Hệ từ trạng thái 1 biến đổi sang trạng thái 2

ΔU =

1 2

2

1

U U

2.1.2 Công (A) - Khái niệm:

Số đo phần năng lượng trao đổi giữa hai hệ sau quá trình tương tác mà kết quả là làm thay đổi mức độ chuyển động định hướng của

một hệ nào đó

- Ví dụ:

+ Hệ khí trong xy lanh dãn nở đẩy pit tông chuyển động hệ khí

đã truyền cho pít tông năng lượng dưới dạng công,

+ Đá một quả bóng làm nó chuyển động quả bóng đã nhận được năng lượng dưới dạng công.

- Đặc điểm: Công phụ thuộc vào quá trình biến đổi hệ ở một trạng thái xác định không có trao đổi năng lượng: A = 0

A =

- Trong hệ sinh học luôn tồn

tại các quá trình thực hiện công.

Công sinh học: Công mà cơ thể sinh vật sinh ra trong quá trình sống của chúng Có nhiều dạng:

+ Công cơ học: Do cơ thể sinh ra khi có sự dịch chuyển các bộ phận, các cơ quan trong nội bộ cơ thể sinh vật hoặc toàn bộ cơ thể sinh vật

+ Công hóa học:

Công tổng hợp các chất cao phân tử sinh vật từ các phân tử có phân tử lượng thấp hơn: Tổng hợp protein, axit amin, axit nucleic từ mononucleotit, tổng hợp gluxit từ monosacarit,…

+ Công điện:

Sinh ra khi dịch chuyển các ion trong điện trường, thực hiện khi xuất hiện điện thế sinh vật, khi dẫn truyền kích thích trong tế bào, dẫn truyền xung thần kinh,…

+ Công thẩm thấu (vận chuyển các chất ngược chiều gradien nồng độ),

công vận chuyển các ion ngược chiều grdien điện thế,…

- Đặc điểm: Nhiệt lượng cũng phụ thuộc quá trình biến đổi

Một hệ có khối lượng m nhận nhiệt lượng Q và tăng nhiệt độ từ T1 lên T2 thì:

Q = c.m (T2 - T1) = c.m ΔT

c (nhiệt dung riêng) là hệ số phụ thuộc bản chất của hệ

- Đơn vị đo nhiệt lượng là calo (cal)

Mối liên hệ giữa đơn vị Jun và calo:

1J = 0,24 cal ; 1cal = 4,18 J

2.2 Nguyên lý I nhiệt động học Nguyên lý I nhiệt động học là định luật bảo toàn năng lượng áp dụng cho quá trình nhiệt

- Phát biểu:

Nhiệt lượng mà hệ nhận được trong một quá trình bằng tổng công mà hệ sinh ra cộng với

độ biến thiên nội năng của hệ

Q = A + Δ U

Quá trình biến đổi vô cùng nhỏ: ƏQ = ƏA + dU

Nguyên lý I nhiệt động học (tiếp

theo)- Nếu có một quá trình hệ không nhận nhiệt lượng (Q = 0) mà liên tuc sinh công (A > 0) hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào (A > Q) thì ΔU = Q - A < 0 tức là U giảm dần đến hết nội năng (U = 0): quá trình dừng

Vậy theo nguyên lý I: Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại I liên tục sinh công mà không nhận nhiệt lượng hoặc liên tục sinh công lớn hơn nhiệt lượng nhận vào.

2.3 Nguyên lý I nhiệt động học áp dụng cho chuyển hóa hóa học

2.3.1 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hóa học:

- Xét phản ứng diễn ra trong điều kiện đẳng áp:

dQp = -Q = - dU – PdV = -d(U + PV) = -dH

Đại lượng H = U + PV gọi là entanpi của hệ

Vậy: Hiệu ứng nhiệt trong quá trình đẳng áp bằng độ giảm entanpi của hệ.

2.3.2 Định luật Hertz

Khi áp dụng nguyên lý I cho các chuyển hóa hóa học, Hertz đưa ra đinh luật:

thuộc vào dạng và trạng thái của các chất ban đầu và chất cuối mà không phụ thuộc vào các quá trình trung gian.

Sơ đồ minh họa định luật Hertz

Theo định luật Hertz

Q = Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5

X1, X2,… là các chất của trạng thái đầu;

Y1, Y2,… là các chất của trạng thái cuối

A1, A2,… B1, B2,… C1, C2,… là các chất ở các trạng thái trung gian.

Ý nghĩa của định luật Hertz

- Cho phép xác định hiệu ứng nhiệt của các phản ứng mà vì lý do nào đó không thể xảy ra trong điều kiện thí nghiệm hoặc không thể đo trực tiếp được hiệu ứng nhiệt của nó

Ví dụ:

- Ta không thể xác định được hiệu ứng nhiệt của phản ứng đốt cháy cacbon (C) ở thể rắn thành oxidcacbon (CO) ở thể khí vì trong quá trình đốt luôn có kèm theo một lượng khí CO2 thoát ra

- Tuy nhiên có thể xác định được hiệu ứng nhiệt của hai phản ứng: Crắn + O2 khí CO2 + 97 kcal/mol

COrắn + O2 khí CO2 khí + 68 kcal/mol

- Từ hai phản ứng có:

Crắn + O2 khí CO khí + 29 kcal/mol

Ý nghĩa của định luật Hertz

(tiếp theo)

không.

Ví dụ:

- Khi đốt cháy trực tiếp 1 mol glucoza thành CO2 và H2O thì tỏa ra 688 kcal

- Trong tế bào cũng có quá trình oxy hóa glucoza và tạo ra sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O theo định luật cũng tỏa ra nhiệt lượng 688 kcal

- Tế bào không bị cháy vụn ra nhiệt lượng đó tỏa ra dần dần qua các phản ứng trung gian (gần 20 phản ứng enzim trung gian để tạo ra CO2 và H2O).

2.4 Nguyên lý I nhiệt động học với hệ sinh học

năng lượng khác luôn có sự tương đương về số lượng

Thực nghiệm cũng chứng tỏ: Sự oxy hóa các chất dinh dưỡng trong cơ thể sinh vật sẽ cho một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng mà cơ thể đã tiêu hao khi dùng lượng dinh dưỡng đó

Ví dụ cụ thể:

Xét sự trao đổi nhiệt lượng ở người sau một ngày đêm có kết quả sau:

Nhiệt lượng nhận được do

oxy hóa các chất (kcal) Nhiệt lượng tỏa ra theo các con đường khác nhau (kcal)

1879

- Nhiệt lượng tỏa ra

- Thải ra theo tiêu hóa

và bài tiết

- Bay hơi qua hô hấp

- Bay hơi qua da

- Các dạng khác

Tổng cộng:

1374 66

181 227 31

1879

Nếu hệ sinh vật nhận năng lượng dưới dạng nhiệt năng và sinh công như một động cơ nhiệt hiệu suất sẽ là:

2

T

T T

T T

−

=

−

+ Trong điều kiện nhiệt độ môi trường T2= 25 0C = 298 0K

+ Hiệu suất các quá trình sinh học

Một số ví dụ:

- Thực hiện công trong quá trình co cơ:

Lấy năng lượng trực tiếp từ ATP (ATP có sẵn trong cơ không nhiều): + Tổng hợp ATP từ hợp chất giàu năng lượng là phosphocreatine:

Phosphocreatine + ADP ATP + creatine

+ Chủ yếu ATP được tổng hợp nhờ phân hủy glucose:

Glucose + 3H3P04 + 2ADP 2 lactat + 2ATP + 2H20

- Năng lượng cung cấp cho hoạt động của cơ tim: Lấy từ ATP, ….

§3 Nguyên lý II nhiệt động học3.1 Entropi:

- Nghiên cứu khả năng xuất hiện các trạng thái khác nhau của một hệ nhiệt động: Đưa ra khái niệm xác suất nhiệt động học W:

W của một trạng thái đặc trưng cho khả năng xuất hiện trạng thái đó, trạng thái nào của hệ nhiệt động có W càng lớn thì khả năng xuất hiện trạng thái ấy càng cao

Với hệ nhiệt động cô lập là hệ khí:

Trạng thái có sự phân bố các phân tử càng hỗn loạn, càng đồng đều sẽ có khả năng xuất hiện càng nhiều W càng lớn

trạng thái phân bố đồng đều, có phân bố hỗn loạn nhất, có W lớn nhất.

Từ định nghĩa:

+ Trạng thái có S càng lớn càng dễ xảy ra

+ S cũng đặc trưng cho mức độ hỗn loạn hay trật tự về phân bố của hệ nhiệt động

+ Quá trình biến đổi của hệ nhiệt động từ trạng thái phân bố trật tự sang trạng thái phân bố đồng đều, hỗn loạn hơn: Có S tăng

- Định nghĩa khác: S của hệ là một đại lượng sao cho độ biến đổi của nó

dS =

(ƏQ là nhiệt lượng mà hệ trao đổi trong quá trình biến đổi, T là nhiệt độ tuyệt đối của hệ)

- Đặc điểm: S là hàm trạng thái, chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ.

T Q

∂

3.2 Năng lượng tự do của hệ

+ U-TS = F gọi là năng lượng tự do.

+ F cũng là thông số trạng thái, là hàm phụ thuộc vào trạng thái của hệ T

Ta có : U = F + TS

+ F: Phần nội năng của hệ được dùng để sinh công có ích

+ TS: Là năng lượng liên kết, là phần nội năng sẽ bị hao phí dưới dạng nhiệt.

3.3 Nguyên lý II nhiệt động

học

Rút ra từ thực nghiệm:

- Phát biểu của Clausiut:

Nhiệt lượng không thể truyền tự động từ vật lạnh sang vật nóng hơn

- Phát biểu của Tomxon:

Không thể chế tạo động cơ vĩnh cửu loại 2 là động cơ hoạt động tuần hoàn biến đổi liên tục nhiệt lượng thành công mà chỉ tiếp xúc với một nguồn nhiệt duy nhất và môi trường xung quanh không chịu một sự thay đổi đồng thời nào.

- Quá trình diễn biến trong hệ cô lập xảy ra theo chiều entropy của hệ không giảm:

Ta có độ biến đổi của năng lượng tự do là:

ΔF = Δ U – T Δ S

Mà ở điều kiện đẳng nhiệt, hệ có nội năng xác định Theo nguyên lý II, quá trình tự diễn biến trong hệ cô lập sảy ra theo chiều entropi tăng ΔS > 0 sẽ tương ứng với ΔF < 0 tức là năng lượng tự do giảm.

Các quá trình hóa sinh ở hệ sinh vật sảy ra trong điều kiện đẳng áp, đẳng nhiệt, nên thay cho F người ta dùng thế nhiệt động Z, với : ΔZ = Δ H – T ΔS

(ΔH là độ biến đổi entanpi của hệ, xác đinh theo hệ thức: ΔH = Δ (U + p.V )

ΔH có cùng trị số, ngược dấu với hiệu ứng nhiệt của phản ứng Hiệu ứng nhiệt dương thì H của hệ giảm và ngược lại.

ΔZ tương đương với ΔF

(vì trong các quá trình hóa sinh, độ biến đổi thể tích ΔV nhỏ không đáng kể

ΔH = ΔU và ΔZ = ΔF

Như vậy: Năng lượng tự do F (hay thế nhiệt động Z trong quá trình đẳng áp) là một chỉ tiêu quan trọng cho biết chiều diễn biến của các quá trình ở trong hệ sinh vật: Theo nguyên lý II, các quá trình luôn diễn biến theo chiều tăng entropy, giảm năng lượng tự do, giảm thế nhiệt động của hệ (ΔF < 0 hay ΔZ < 0) cho đến khi năng lượng tự do đạt cực tiểu.

3.4 Nguyên lý II với hệ

Theo nguyên lý II, mọi hệ biến nhiệt lượng thành công (động cơ nhiệt) luôn có hiệu suất nhỏ hơn 100%.

Quá trình sống trong hệ sinh vật cũng không thoát khỏi điều đó; Bởi vì các quá trình sống trong hệ sinh vật luôn kèm theo sự hao phí năng lượng dưới dạng nhiệt và là các quá trình bất thuận nghịch.

+ Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy trực tiếp 1 mol glucoza là 688 kcal

Vậy hiệu suất sinh học của quá trình : 44 %

Thực tế thì năng lượng này còn bị hao phí dưới dạng nhiệt qua một loạt quá trình hóa sinh khác nhau, nên hiệu suất thực tế chỉ khoảng 4 đến 10%

688 304

≈

- Hiệu suất của quá trình co cơ khoảng 30%

- Hiệu suất của quá trình quang hợp khoảng 70%.

b) Xét về entropy

- Nguyên lý tăng entropi có vai trò thế nào với các quá trình sinh học?

+ Nguyên lý tăng etropi được thiết lập với hệ cô lập, trong khi đó hệ sống là hệ mở

Nếu chỉ xét riêng hệ sống thì entropi có thể tăng, giảm hoặc không đổi

+ Nếu xét hệ tổng thể của cả hệ sống và môi trường thì enttropi của hệ tổng thể tăng , tức

là tuân theo nguyên lý tăng entropi

Tức là trong hệ sinh vật sống có thể sảy ra quá trình giảm entropi, nhưng quá trình

đó luôn được bù lại bởi các quá trình tăng entropi ở các phần khác, xảy ra ngay trong hệ sống hoặc xảy ra ở ngoài môi trường.

+ Vậy: Mặc dù trong hệ sinh vật luôn có các quá trình biến đổi kèm theo sự biến đổi entropi, nhưng entropi không còn đóng vai trò quyết định chiều hướng diễn biến của các quá trình sinh học.

+ Chiều hướng chung của mọi hoạt động sống bị chi phối bởi một quy luật khác?

Quy luật tiến hóa của sinh giới