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.. Định luật thứ nhất của nhiệt động học nói rằng

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)

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 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

phân tử đơn giản 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 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