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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Năng lượng sinh họcNăng lượng sinh họcHệ thống sống cần năng lượng để chuyển động, lớnlên, tổnghợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tửqua màng.Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sửdụng nănglượng đó để thực hiện các quá trình sống có hiệu quả.Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải cóhiểu biết vềnhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tảnguồn, trao đổinhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiêncứu.2Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hoáhọc vàphản ứng có thể tự xảy ra hay không.Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưngnó dựatrên ba định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu.Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản đượcđưa ra trongchương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinhentropy, hàmnăng lượng tự do và mối liên quan giữa entropy vàthông tin.Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chấtcao năngkhác.Khái niệm về nhiệt động học cơ bảnBất kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phảiphân biệtgiữa hệ thống và môi trường.Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quantâm, trongkhi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại. Cóba trạng thái cơbản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở.Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và nănglượng vớimôi trường.Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng khôngcó traođổi chất với môi trường.Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môitrường.Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất(dinhdưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từtrao đổi chất)với môi trường.Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượngkhácTrước đây trong sự phát triển của nhiệt động họcngười ta chorằng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng nănglượng khác vàtất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thểbiến đổi thànhmột số dạng khác.Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệthống cô lậplà không thay đổi.Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàmtoán họcđể nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng côngtrong những hệthống nhiệt động học. Hàm này được gọi là nănglượng nội năng,thường ký hiệu là E hoặc U. Năng lượng này chỉ phụthuộc vào trạngthái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi làhàm trạng thái.Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thốngxảy ra như thếnào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng.Nói một cáchkhác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứcon đường nào3và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu,năng lượngnội năng sẽ không thay đổi.Năng lượng nội năng, E của hệ thống có thể thay đổinếunguồn năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống ở dạngnhiệt hoặc côngcho quá trình nào biến đổi một trạng thái này (1) sangmột trạng tháikhác (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 trườngw là công thực hiện trên hệ thống do môi trườngCông cơ học được định nghĩa là sự chuyển động từchỗ nàyđến chỗ khác, gây ra do sử dụng lực. Cả hai phải xảyra công mớiđược thực hiện.Ví dụ: Một tàu chở khách đã chứa đầy khách nhưngkhông dichuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công khôngđược thực hiện.Trong hệ thống hoá sinh học và hoá học công thườngliên quanvới áp suất và thể tích của hệ thống. Công cơ họcđược xác định w =-P VNếu định nghĩa công được giới hạn bởi công cơ học,trongtrường hợp này E chỉ là thay đổi nhiệt ở thể tíchkhông đổi. Vì vậynếu V không đổi, công không được thực hiện. E=q. Vì vậy E làmột định lượng rất tiện lợi trong quá trình thể tíchkhông thay đổi. E không cần thiết bằng biến đổi nhiệt. Vì lý do nàycác nhà hoásinh học, hoá học đã xác định một hàm đặc biệt phùhợp cho quátrình áp suất không đổi. Nó được gọi là enthalpy, Hđược 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) H tương đương với biến đổi nhiệt trongRõ ràngquá trình ápsuất không đổi.Vì các phản ứng hoá sinh thường xảy ra trong thểlỏng hoặcrắn hơn là thể khí nên thay đổi thể tích là nhỏ vàenthalpy và nănglượng nội năng thường là như nhau.4Để thuận lợi khi so sánh các chỉ số nhiệt động họccủa cácphản ứng khác nhau thì người ta xác định ở điều kiệntiêu chuẩn.Một dung dịch hoà tan ở trạng thái tiêu chuẩn,thường sử dụng đơnvị đơn giản là nồng độ 1M. Enthalpy, năng lượng nộinăng và nhữngđịnh lượng nhiệt động học khác thường đưa ra hoặcxác định chonhững điều kiện tiêu chuẩn và được ký hiệu là H0 , E0...Enthalpy thay đổi ở các quá trình hoá sinh có thểđược xácđịnh bằng việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) bằngmộtcalorimeter.Mặt khác cho bất kỳ quá trình nào A B ở trạng tháicânbằng, sự thay đổi enthalpy ở trạng thái tiêu chuẩnđược xác định từsự 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 KVí dụ: trong sự biến tính nhiệt của proteinchymotripsinogen(quá trình thuận nghịch).Trạng thái nguyên thuỷ (N) Trạng thái biến tính(D) D / NKeq =John F. Brandts đo hằng số cân bằng cho sự biến tínhcủa mộtsố 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 củaprotein? Giá trịdương của H0 biểu diễn sự bẻ gãy liên kết hydrocũng như giảiphóng những nhóm ưa nước từ bên trong phân tửprotein ban đầutrong qúa trình biến tính, như vậy sẽ nâng năng lượngcủa dung dịchprotein.Bảng 1.1 Các chỉ số nhiệt động học cho sự biến tínhproteinProtein(và điều kiện) H0kJ/mol S0kJ/mol.K G0kJ/mol GpkJ/mol.KChymotrypsinogen(pH 3; 250C)164 0,440 31 10,9b- Lactoglobulin(5 M urea; pH 3;250C)-88 -0,300 2,5 9,0Myoglobin (pH 9;250C)180 0,400 57 5,9Ribonuclease (pH2,5; 300C)240 0,780 3,8 8,4 ...