Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học

Hệ thống sống cần năng lượng để chuyển động, lớn lên, tổng

hợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tử qua màng

Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sử dụng năng

lượng đó để thực hiện các quá trình sống có hiệu quả

Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải có hiểu biết về

nhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi

nhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiên cứu

2

Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hoá học và

phản ứng có thể tự xảy ra hay không

Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưng

nó dựa

trên ba định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu

Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản được đưa ra trong

chương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm

năng lượng tự do và mối liên quan giữa entropy và thông tin

Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chất cao năng

khác

Khái niệm về nhiệt động học cơ bản

Bất kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phải phân biệt

giữa hệ thống và môi trường

Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quan tâm, trong

khi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại Có

ba trạng thái cơ

bản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở

Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và năng lượng với

môi trường

Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng không

có trao

đổi chất với môi trường

Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môi trường

Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất (dinh

dưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từ trao đổi chất)

với môi trường

Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượng khác

Trước đây trong sự phát triển của nhiệt động học người ta cho

rằng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng năng lượng khác và

tất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thể biến đổi thành

một số dạng khác

Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệ thống cô lập

là không thay đổi

Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàm toán học

để nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng công

trong những hệ

thống nhiệt động học Hàm này được gọi là năng

lượng nội năng,

thường ký hiệu là E hoặc U Năng lượng này chỉ phụ thuộc vào trạng

thái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi là hàm trạng thái

Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thống xảy ra như thế

nào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng Nói một cách

khác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứ con đường nào

3

và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu, năng lượng

nội năng sẽ không thay đổi

Năng lượng nội năng, E của hệ thống có thể thay đổi nếu

nguồn năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống ở dạng nhiệt hoặc công

cho quá trình nào biến đổi một trạng thái này (1) sang một trạng thái

khác (2) thay đổi năng lượng nội năng là:

E = E2 - E1 = q + w (1.1)

q là lượng nhiệt được hệ thống hấp thụ từ môi trường

w là công thực hiện trên hệ thống do môi trường

Công cơ học được định nghĩa là sự chuyển động từ chỗ này

đến chỗ khác, gây ra do sử dụng lực Cả hai phải xảy

ra công mới

được thực hiện

Ví dụ: Một tàu chở khách đã chứa đầy khách nhưng không di

chuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công không được thực hiện

Trong hệ thống hoá sinh học và hoá học công thường liên quan

với áp suất và thể tích của hệ thống Công cơ học được xác định w =

-P V

Nếu định nghĩa công được giới hạn bởi công cơ học, trong

trường hợp này E chỉ là thay đổi nhiệt ở thể tích không đổi Vì vậy

nếu V không đổi, công không được thực hiện E =

q Vì vậy E là

một định lượng rất tiện lợi trong quá trình thể tích không thay đổi

E không cần thiết bằng biến đổi nhiệt Vì lý do này các nhà hoá

sinh học, hoá học đã xác định một hàm đặc biệt phù hợp cho quá

trình áp suất không đổi Nó được gọi là enthalpy, H được định nghĩa:

H = E + PV (1.2)

Nếu áp suất không thay đổi chúng ta có:

H = E + P V = q + w + P V = q - P V + P V

= q (1.3)

Rõ ràng H tương đương với biến đổi nhiệt trong quá trình áp

suất không đổi

Vì các phản ứng hoá sinh thường xảy ra trong thể lỏng hoặc

rắn hơn là thể khí nên thay đổi thể tích là nhỏ và

enthalpy và năng

lượng nội năng thường là như nhau

4

Để thuận lợi khi so sánh các chỉ số nhiệt động học của các

phản ứng khác nhau thì người ta xác định ở điều kiện tiêu chuẩn

Một dung dịch hoà tan ở trạng thái tiêu chuẩn,

thường sử dụng đơn

vị đơn giản là nồng độ 1M Enthalpy, năng lượng nội năng và những

định lượng nhiệt động học khác thường đưa ra hoặc xác định cho

những điều kiện tiêu chuẩn và được ký hiệu là H0, E0

Enthalpy thay đổi ở các quá trình hoá sinh có thể

được xác

định bằng việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) bằng một

calorimeter

Mặt khác cho bất kỳ quá trình nào A B ở trạng thái cân

bằng, sự thay đổi enthalpy ở trạng thái tiêu chuẩn được xác định từ

sự phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số cân bằng:

d (ln Keq)

H0 = - (1.4)

Ở đây R là hằng số khí = 8.314 J/mol K

Ví dụ: trong sự biến tính nhiệt của protein

chymotripsinogen

(quá trình thuận nghịch)

Trạng thái nguyên thuỷ (N) Trạng thái biến tính (D)

Keq = D / N

John F Brandts đo hằng số cân bằng cho sự biến tính của một

số protein ở một số giá trị pH và nhiệt độ khác nhau (bảng 1.1)

Giá trị H0 có ý nghĩa gì đối với biến tính của

protein? Giá trị

dương của H0 biểu diễn sự bẻ gãy liên kết hydro cũng như giải

phóng những nhóm ưa nước từ bên trong phân tử

protein ban đầu

trong qúa trình biến tính, như vậy sẽ nâng năng lượng của dung dịch

protein

Bảng 1.1 Các chỉ số nhiệt động học cho sự biến tính protein

Protein

(và điều kiện)

H0

kJ/mol

S0

kJ/mol.K

G0

kJ/mol

Gp

kJ/mol.K

Chymotrypsinogen (pH 3; 250C)

164 0,440 31 10,9 b- Lactoglobulin (5 M urea; pH 3; 250C)

-88 -0,300 2,5 9,0 Myoglobin (pH 9; 250C)

180 0,400 57 5,9

Ribonuclease (pH 2,5; 300C)

240 0,780 3,8 8,4