46

19.02.2017

Особливості живих організмів як об’єктів для термодинамічних досліджень .

Хімічна термодинаміка є теоретичною основою біоенергетики. Біоенергетика займається вивченням енергетичних перетворень, що супроводжують біохімічні реакції. Всі ці перетворення здійснюються у повній відповідності з першим і другим початки термодинаміки. Тим не менш, живий організм, як об’єкт для термодинамічних досліджень, відрізняється цілим рядом специфічних особливостей в порівнянні з системами, які служать об’єктами вивчення технічної та хімічної термодинаміки. З цих особливостей найбільшої уваги заслуговують наступні.

Живий організм являє собою типово відкриту систему, що постійно обмінюється з навколишнім середовищем речовиною та енергією. У той же час для біологічних систем застосовне поняття стаціонарного стану. У цьому стані параметри в системі залишаються постійними, а швидкість припливу речовин і енергії дорівнює швидкості видалення їх із системи. Такі системи не змінюють своїх властивостей у часі і схожі з системами, що знаходяться в рівновазі.

Характер зміни ентропії, що має вирішальне значення при оцінці процесів в неживих системах, у разі біологічних систем має лише підпорядковане значення. Адже всі живі організми високо організовані та постійно підтримують свій рівень організації, тому для біологічних систем справедливо нерівність D S дкр . + D S & . > 0. а не D S & > 0.

Всі біохімічні процеси, що відбуваються у клітинах в умовах сталості температури і тиску, при відсутності значних перепадів концентрацій, різких змін обсягу.

Біологічні системи можуть здійснювати роботу за рахунок теплової енергії, біологічні функціонують в ізотермічному режимі і для здійснення процесів життєдіяльності використовують хімічну енергію.

Стандартний стан для біологічних об’єктів відрізняється від стандартного стану технічних і хімічних систем. Згадаймо, що стандартним станом хімічної системи є стан, при якому концентрації всіх речовин дорівнюють 1 моль/л ( або для газів, що входять в систему, парціальні тиску дорівнюють 1 атм ). Для біологічних систем це визначення залишається в силі за винятком концентрац іі іо нов Н +. яка для стандартного стану приймається рівною 10 -7 моль/л. Це відповідає нейтральному середовищі ( рН 7), характерною для біологічних об’єктів.

D G 0 — стандартна енергія Гіббса для хімічних систем;

D G 0 c — стандартна енергія Гіббса для біологічних систем.

Пару экзергонических процесів з эндергоническими .

Людина отримує енергію за рахунок розкладання органічних речовин їжі. Органічні речовини є термодинамічно нестійкими. Катаболічні перетворення цих речовин (розпад або окислення) протікають із зменшенням вільної енергії. Такі процеси є мимовільними ( экзергоническими — D G <0) і можуть служити джерелом енергії для функціонування живої клітини. Всі процеси, які йдуть із збільшенням вільної енергії ( эндергонические - D G >0 ), несамопроизвольные і повинні бути пов’язані з экзергоническими процесами.

Життєво важливі процеси — реакції синтезу (тобто анаболічні процеси ), м’язове скорочення, активний транспорт — є эндергоническими процесами. Эндергонический процес не може протікати ізольовано. Такі процеси отримують енергію шляхом хімічного сполучення з реакціями окислення молекул харчових речовин ( катаболическими процесами ), які є экзергоническими реакціями. Сукупність метаболічних і анаболічних процесів є метаболізм.

46

Схематично таке з’єднання можна проілюструвати наступним чином. Нехай перетворення метаболіту (проміжного з’єднання в ланцюзі реакцій) А метаболіт В супроводжується виділенням вільної енергії. Воно пов’язане з іншого реакцією — перетворенням метаболіту метаболіт D. яке може відбуватися лише при надходженні вільної енергії.

46

Яким чином здійснюється це сполучення?

Одним з можливих механізмів полягає в утворенні проміжного з’єднання — спільного для обох реакцій.

Тут закладено механізм регуляції швидкості окислювальних процесів, т. к. швидкість споживання D визначає швидкість окислення А. Цим шляхом здійснюється дихальний контроль — процес, що дозволяє організму уникнути неконтрольованого самоокислення.

46

Іншим прикладом поєднання є дегидрогеназные реакції (реакції відщеплення атомів водню), проміжною сполукою, в яких є проміжний переносник атомів водню.

46

Ще один приклад сполучення полягає в синтезі в ході экзергонических реакцій високоенергетичного з’єднання, загального для багатьох процесів, і наступного включення цього з’єднання в эндергонические реакції, що забезпечує передачу енергії. Таким спільним для багатьох реакцій з’єднанням — енергетичною валютою клітини — є аденозинтрифосфат (АТР).

Це дозволяє сполучати більше число экзергонических реакцій з великим числом эндергонических. В молекулі АТР дві макроергічні зв’язку, т.е. зв’язку, при гідролізі яких вивільняється енергія.

Макроергічні сполуки .

Енергія, освобождающаяся при реакціях гідролізу різних речовин, невелика. Якщо вона перевищує 30 кДж/моль, то такий зв’язок називають високоенергетичної. Енергія гідролізу деяких субстратів наведена в таблиці.

Макроергічні сполуки можна розділити на дві групи:

1)Сполуки, що утворюються в ході процесів катаболізму і службовці для перетворення енергії в якості передавального ланки (1,3-дифосфоглицерат, фосфоенолпируват — проміжні метаболіти катаболізму вуглеводів).

2) Сполуки, які можуть бути використані тканинами як «аварійного» джерела енергії ( креатинфосфат локалізований в основному в м’язах і служить додатковим джерелом енергії при стрімких короткочасних навантаженнях).

Короткий опис статті: речовина утворюється без участі живих організмів називається

Джерело: 46

Також ви можете прочитати