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)
ΔGphảnứng = Gsảnphẩm - Gthamgia
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