Общие принципы термодинамики живых систем

Живые организмы представляют собой объекты материального мира, в связи с чем они, естественно, подчиняются общим законам природы, в том числе и законам термодинамики.

Согласно первому закону термодинамики энергия неуничтожима, она лишь может превращаться из одной формы в другую. В соответствии с этим законом живые организмы не могут создавать энергию из ничего, они лишь могут извлекать энергию из окружающей среды, трансформировать ее из одного вида в другой, например, химическую энергию в механическую, возвращая в конечном итоге в окружающую среду эквивалентное количество энергии главным образом в виде теплоты, так что в конечном итоге:

Есистемыя + Есреды = 0

Второй закон термодинамики важен для нашего рассмотрения тем, что он накладывает определенные ограничения на направление самопроизвольных процессов. Согласно этому закону все самопроизвольные процессы идут в направлении, соответствующем возрастанию энтропии системы, т.е. ее разупорядоченности.

Но тогда встает вопрос как же быть с живыми объектами, например, с детьми или с растениями? Рост растения или ребенка сопровождается накоплением в их организмах большого количества макромолекул, что связано с уменьшением энтропии, и вместе с тем их рост процесс самопроизвольный. Казалось бы в живых системах нарушается второй закон термодинамики. Однако при более глубоком рассмотрении это противоречие оказывается вымышленным. Да, рост любого живого существа сопровождается извлечением из окружающей среды низкомолекулярных соединений с высоким уровнем энтропии и синтезом из них макромолекул, т.е. высокоупорядоченных систем с низким уровнем энтропии. Но этот рост сопровождается еще и большими объемами переработки поступающих в организм питательных веществ с расщеплением их до С02, Н2О, NH3 и некоторых других соединений, уровень энтропии которых неизмеримо выше, чем уровень энтропии используемых питательных веществ. Эти конечные продукты обмена поступают из организма во внешнюю среду, увеличивая ее энтропию. И это увеличение энтропии окружающей среды в значительной мере перекрывает уменьшение энтропии в растущем организме, обусловленное синтезом макромолекул в его клетках. Таким образом, существование живых организмов не противоречит второму закону термодинамики, поскольку:

Sсистемы + Sсреды > 0

Изменение энтропии ( S) системы может быть связано с изменением общей энергии системы ( Е) через изменение третьей функции свободной энергии ( G) с помощью уравнения, объединяющего первый и второй законы термодинамики:

DН =DG + TDS, где

DН изменение энтальпии (теплосодержания) системы; DG изменение свободной энергии системы ;

Т абсолютная температура; DS изменение энтропии системы.

В свою очередь, изменение теплосодержания системы ( Н) определяется по уравнению:

DН = DЕ + DРV, где

DЕ изменение общей энергии в системе DР изменение давления в системе;

V объем системы.

Но биологические процессы, в особенности химические реакции в клетках не сопровождаются существенными изменениями давления в системе или ее объема; тогда:

DН = DЕ.

С учетом этого обстоятельства основное уравнение термодинамики, используемое при анализе живых систем приобретает вид:

DЕ = DG + T DS т.е. при постоянном давлении и объеме изменение общей энергии системы равно сумме изменений свободной энергии системы и произведения изменения энтропии на абсолютную температуру системы.

В этом уравнении нас особенно интересует изменение свободной энергии системы, т.к. свободная энергия это та часть общей энергии системы, которая может быть использована для совершения работы.

Изменение свободной энергии в любой системе, в том числе и в химической реакции, может быть охарактеризовано количественно.

Для реакции:А + В <> С + D

может быть рассчитано значение DG0, т.е. изменение свободной энергии системы в стандартных условиях: давление 1 атм., температура 25oС, рН 7,0 , исходная концентрация каждого из реагирующих соединений 1М по уравнению:

DGo = 2,303.R.T.lgKравн

где: R газовая постоянная, равная 1,987 кал/М.К; Т абсолютная температура в градусах Кельвина; Кравн константа равновесия химической реакции.

В зависимости от значения константы равновесия значение DGо может быть положительным, отрицательным или равным 0.

Если значение Кравн > 1, то DG0<0, иначе говоря, DG0 имеет отрицательное значение. Это означает, что часть свободной энергии покидает реагирующую систему. Такие реакции носят название экзэргонических, они могут протекать самопроизвольно. Если значение Кравн < 1, то DG0>0, иначе говоря, DG0 имеет положительное значение. Это означает, что в ходе реакции происходит потребление свободной энергии, т.е. она не может идти без внешнего источника энергии. Такие реакции носят название эндэргонических и самопроизвольно идти не могут.

Наконец, значение Кравн может быть равно 1, тогда DG0=0. Это означает, что реакция находится в состоянии равновесия и тогда за ее счет невозможно совершить никакой работы. Кстати, именно поэтому живой организм является неравновесной системой, ибо он постоянно нуждается в энергии для совершения химической, осмотической, механической и др. работы.

Экспериментальное определение значений DG0 проводят в ранее указанных стандартных условиях, измеряя концентрации реагентов и продуктов реакции после установления равновесия в системе. Встает вопрос, соответствует ли стандартное значение изменения свободной энергии той или иной реакции, полученное в таком эксперименте, этому же показателю для реакции, протекающей в клетке. К сожалению приходится констатировать, что в условиях клетки изменение свободной энергии в ходе реакции может значительно отличаться от экспериментально найденной величины, причем наибольший вклад в это отклонение вносят концентрации реагирующих соединений и продуктов реакции, т.к. в клетках реакции обычно далеки от состояния равновесия ( организм система неравновесная ). Однако, если эти концентрации известны, то истинное значение изменения свободной энергии в ходе реакции может быть рассчитано с небольшой погрешностью по уравнению:

C . D

DGI = DGo + 2,303.R.T.lg Д

A . B

где, С , D , A , B истинные концентрации соединений в клетке.

Так, стандартное значение изменения свободной энергии в ходе гидролиза АТФ по реакции:

АТФ + Н2О <> АДФ + Н3РО4 составляет 7,3 ккал/моль. В то же время в условиях клетки оно может составлять до 12 ккал/моль и зависит от соотношения концентраций АТФ, АДФ и ортофосфата.

Тем не менее, значение DGo очень часто используют для оценки изменений свободной энергии в биохимических реакциях, т.к. определить точно концентрации реагирующих веществ в клетках часто не представляется возможным. Далее мы, как правило, будем оперрировать именно значениями DG0 для тех или иных реакций.

Дата добавления: 2014-07-14; просмотров: 347; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!