Информация

Енергия и химични реакции# - Биология

Енергия и химични реакции# - Биология



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Енергия в химичните реакции

Химическите реакции включват преразпределение на енергията в реагиращите химикали и с околната среда. Така че, харесвате или не, трябва да разработим някои модели, които могат да ни помогнат да опишем къде се намира енергията в системата (може би как се „съхранява“/разпределя) и как може да бъде преместена в реакция. Моделите, които разработваме, няма да бъдат прекалено подробни в смисъл, че биха задоволили твърд химик или физик с тяхното ниво на технически детайли, но ние очакваме, че те все пак трябва да бъдат технически правилни и да не образуват неправилни умствени модели, които ще го направят трудно да се разберат "усъвършенстванията" по-късно.

В това отношение една от ключовите концепции за разбиране е, че ще мислим за пренасянето на енергия между части на една система. Ще се опитаме да не мислим за това като за трансформиран. Разграничението между "прехвърляне" и "трансформиране" е важно. Последното създава впечатлението, че енергията е свойство, което съществува в различни форми, че се преоформя по някакъв начин. Един проблем с езика на "трансформацията" е, че е трудно да се примирим с идеята, че енергията се запазва (съгласно първия закон на термодинамиката), ако тя постоянно променя формата си. Как може да бъде запазено образуванието, ако вече не е същото? Освен това вторият закон на термодинамиката ни казва, че никаква трансформация не запазва цялата енергия в една система. Ако енергията се "трансформира", как може да бъде запазена?

Така че вместо това ще подходим към този въпрос, като прехвърляме и съхраняваме енергия между различни части на една система и по този начин ще мислим за енергията като свойство, което може да бъде преразпределено. Надяваме се, че това ще улесни отчитането на енергията.

ВНИМАНИЕ:

Ако ще мислим за прехвърляне на енергия от една част на системата към друга, ние също трябва да внимаваме НЕ третиране на енергията като вещество, което се движи като течност или „нещо“. По-скоро трябва да оценяваме енергията просто като свойство на система, която може да бъде измерена и реорганизирана, но това не е нито „нещо“, нито нещо, което в един момент е в една форма, после в друга.

Тъй като често ще се занимаваме с трансформации на биомолекули, можем да започнем, като помислим къде може да се намери/съхрани енергията в тези системи. Ще започнем с няколко идеи и ще добавим повече към тях по-късно.

Нека предположим, че едно място, където може да се съхранява енергия, е в движението на материята. За краткост ще дадем име на енергията, съхранявана в движение: кинетична енергия. Молекулите в биологията са в постоянно движение и следователно имат определено количество кинетична енергия (енергия, съхранявана в движение), свързана с тях.

Нека също така да предложим, че има определено количество енергия, съхранявана в самите биомолекули и че количеството енергия, съхранявано в тези молекули, е свързано с видовете и броя на атомите в молекулите и тяхната организация (броя и видовете връзки между тях). Дискусията за това къде точно се съхранява енергията в молекулите е извън обхвата на този клас, но можем да го приближим, като предположим, че добър прокси е в връзките. Различните видове връзки могат да бъдат свързани със съхраняването на различни количества енергия. В някои контексти този тип съхранение на енергия може да бъде етикетиран потенциална енергия или химична енергия. С тази гледна точка едно от нещата, които се случват по време на създаването и разрушаването на връзките в химическа реакция, е, че енергията се прехвърля около системата в различни видове връзки. В контекста на енергийна история (тема в друг модул), теоретично може да се преброи количеството енергия, съхранявано във връзките и движението на реагентите, и енергията, съхранявана в връзките и енергията на продуктите.

В някои случаи може да откриете, че когато сумирате енергията, съхранявана в продуктите, и енергията, съхранявана в реагентите, тези суми не са равни. Ако енергията в реагентите е по-голяма от тази в продуктите, къде е отишла тази енергия? Трябваше да се прехвърли в нещо друго. Някои със сигурност ще са се преместили в други части на системата, съхранявани в движението на други молекули (затопляйки околната среда) или може би в енергията, свързана с фотоните на светлината. Един добър пример от реалния живот е химическата реакция между дърво и кислород (реагенти) и превръщането й във въглероден диоксид и вода (продукти). В началото енергията в системата е до голяма степен в молекулярните връзки на кислорода и дървото (реагенти). Все още има останала енергия във въглеродния диоксид и водата (продуктите), но по-малко, отколкото в началото. Всички оценяваме, че част от тази енергия е била прехвърлена в енергията в светлината и топлината. Тази реакция, при която енергията се прехвърля към околната среда, се нарича екзотермичен. Обратно, при някои реакции енергията ще се прехвърля от околната среда. Тези реакции са ендотермичен.

Преносът на енергия във или извън реакцията от околната среда НЕ е единственото нещо, което определя дали реакцията ще бъде спонтанна или не. Ще обсъдим това скоро. За момента е важно да се успокоите с идеята, че енергията може да се прехвърля между различни компоненти на системата по време на реакция и че трябва да можете да си представите проследяването й.


Енергия и химични реакции# - Биология

Учените използват термина биоенергетика, за да опишат концепцията за енергиен поток (Фигура 1) през живи системи, като клетките. Клетъчните процеси като изграждането и разграждането на сложни молекули протичат чрез поетапни химични реакции. Някои от тези химични реакции са спонтанни и освобождават енергия, докато други изискват енергия, за да продължат.

Фигура 1. В крайна сметка повечето форми на живот получават енергията си от слънцето. Растенията използват фотосинтеза за улавяне на слънчева светлина, а тревопасните ядат растенията, за да получат енергия. Месоядните ядат тревопасните животни и евентуалното разлагане на растителен и животински материал допринася за запаса от хранителни вещества.

Точно както живите същества трябва непрекъснато да консумират храна, за да попълнят енергийните си запаси, клетките трябва непрекъснато да произвеждат повече енергия, за да попълнят тази, използвана от многото химични реакции, изискващи енергия, които непрекъснато протичат. Заедно всички химични реакции, които протичат вътре в клетките, включително тези, които консумират или генерират енергия, се наричат ​​​​клетъчен метаболизъм.

Резултати от обучението

  • Идентифицирайте различни видове метаболитни пътища
  • Разграничаване на отворена и затворена система
  • Посочете първия закон на термодинамиката
  • Посочете втория закон на термодинамиката
  • Обяснете разликата между кинетична и потенциална енергия
  • Опишете ендергоничните и екзергоничните реакции
  • Обсъдете как ензимите функционират като молекулярни катализатори

Този екип от мравки събаря мъртво дърво. Класически пример за работа в екип. И цялата тази работа отнема енергия. Всъщност всяка химическа реакция - химичните реакции, които позволяват на клетките в тези мравки да направят това работа - се нуждае от енергия, за да започне. И цялата тази енергия идва от храната, която ядат мравките. Каквото и да яде мравките, получава енергията си от мравките. Енергията преминава през екосистема само в една посока.

Химичните реакции винаги включват енергия. Енергия е свойство на материята, което се определя като способност за извършване на работа. Когато метанът гори, например, той отделя енергия под формата на топлина и светлина. Други химични реакции поглъщат енергия, вместо да я освобождават.

Екзотермични реакции

Химична реакция, която освобождава енергия (като топлина), се нарича екзотермична реакция. Този тип реакция може да бъде представена с общо химическо уравнение:

Реагенти &rarr продукти + топлина

В допълнение към изгарянето на метан, друг пример за екзотермична реакция е комбинирането на хлор с натрий за образуване на готварска сол. Тази реакция също освобождава енергия.

Ендотермична реакция

Химична реакция, която поглъща енергия, се нарича ендотермична реакция. Този тип реакция може да бъде представена и с общо химическо уравнение:

Реагенти + Топлинни &rarr продукти

Използвали ли сте някога химичен студен пакет? Опаковката се охлажда поради ендотермична реакция. Когато тръба вътре в опаковката се счупи, тя освобождава химикал, който реагира с вода вътре в опаковката. Тази реакция абсорбира топлинната енергия и бързо охлажда опаковката.

Активираща енергия

Всички химични реакции се нуждаят от енергия, за да започнат. Дори реакциите, които отделят енергия, се нуждаят от тласък на енергия, за да започнат. Енергията, необходима за започване на химическа реакция, се нарича енергия на активиране. Енергията на активиране е като тласък, който детето трябва да започне да слиза по пързалка на детската площадка. Бутането дава на детето достатъчно енергия, за да започне да се движи, но след като започне, то продължава да се движи, без да бъде бутано отново. Енергията на активиране е илюстрирана в Фигура По-долу.

Активираща енергия. Енергията на активиране осигурява &ldquopush&rdquo, необходима за започване на химическа реакция. Химическата реакция на тази фигура е екзотермична или ендотермична реакция?

Защо всички химични реакции се нуждаят от енергия, за да започнат? За да започнат реакциите, молекулите на реагентите трябва да се блъснат една в друга, така че те трябва да се движат, а движението изисква енергия. Когато молекулите на реагентите се блъскат една от друга, те могат да се отблъснат поради междумолекулните сили, които ги разтласкват. Преодоляването на тези сили, за да могат молекулите да се съберат и да реагират, също отнема енергия.


Потенциална и кинетична енергия

Когато обектът е в движение, има енергия, свързана с този обект. Помислете за топка за разрушаване. Дори бавно движеща се разрушаваща топка може да причини големи щети на други предмети. Нарича се енергия, свързана с обекти в движение кинетичен енергия (Фигура 5). Ускоряващият се куршум, ходещ човек и бързото движение на молекулите във въздуха (което произвежда топлина) имат кинетична енергия.

Ами ако същата неподвижна разрушаваща топка бъде повдигната на два етажа над земята с кран? Ако окачената топка за разрушаване е неподвижна, има ли енергия, свързана с нея? Отговорът е да. Енергията, необходима за повдигане на разрушаващата топка, не изчезна, а сега се съхранява в разрушаващата топка по силата на нейното положение и силата на гравитацията, действаща върху нея. Този вид енергия се нарича потенциална енергия (Фигура 5). Ако топката падне, потенциалната енергия ще се трансформира в кинетична енергия, докато цялата потенциална енергия не бъде изчерпана, когато топката лежи на земята. Разрушаващите топки също се люлеят като махало през люлеенето, има постоянна промяна на потенциалната енергия (най-висока в горната част на люлеенето) към кинетичната енергия (най-висока в долната част на люлеенето). Други примери за потенциална енергия включват енергията на водата, държана зад язовир или човек, който се кани да скочи с парашут от самолет.

Фигура 5 Неподвижната вода има потенциална енергия, движеща се вода, като например във водопад или бързо течаща река, има кинетична енергия. (кредит „dam“: промяна на произведението от „Pascal“/Flickr кредит „водопад“: модификация на произведение от Frank Gualtieri)

Потенциалната енергия е свързана не само с местоположението на материята, но и с структура на материята. Пружината на земята има потенциална енергия, ако е компресирана, както и гумена лента, която е опъната. На молекулярно ниво връзките, които държат атомите на молекулите заедно, съществуват в определена структура, която има потенциална енергия. Клетъчни пътища изискват енергия за синтезиране на сложни молекули от по-прости и други пътища освобождаване енергия, когато тези сложни молекули се разграждат. Фактът, че енергията може да се освободи от разпадането на определени химични връзки, предполага, че тези връзки имат потенциална енергия. Всъщност има потенциална енергия, съхранявана във връзките на всички хранителни молекули, които ядем, която в крайна сметка се използва за употреба. Това е така, защото тези връзки могат да освобождават енергия, когато се разрушат. Типът потенциална енергия, която съществува в химичните връзки и се освобождава, когато тези връзки бъдат разкъсани, се нарича химична енергия. Химическата енергия е отговорна за осигуряването на живите клетки с енергия от храната. Освобождаването на енергия се случва, когато молекулярните връзки в хранителните молекули се разрушат.


Топлинен капацитет

Специфичен топлинен капацитет (c) - количеството топлинна енергия, необходимо за повишаване на температурата на 1 g вещество с 1 °C SI единици – J/(g∙°C).

Веществата с висок специфичен топлинен капацитет се нагряват или охлаждат по-дълго.

Специфични топлинни мощности на някои обичайни вещества


ΔG на реакцията зависи от промените в енталпията (енергията на връзката) и ентропията

При всяка постоянна температура и налягане два фактора определят ΔГ на реакция и по този начин дали реакцията ще има тенденция да се случи: промяната в енергията на връзката между реагентите и продуктите и промяната в случайността на системата. Гибс показа, че свободната енергия може да се определи като

Ентропия С е мярка за степента на случайност или разстройство на дадена система. Ентропията се увеличава, когато системата става все по-неустроена и намалява, когато става по-структурирана. Да разгледаме например дифузията на разтворените вещества от един разтвор в друг, в който концентрацията им е по-ниска. Тази важна биологична реакция се задвижва само от увеличаване на ентропията в такъв процес ΔХ е близо до нулата. За да видите това, да предположим, че 0,1 М разтвор на глюкоза е отделен от голям обем вода чрез мембрана, през която глюкозата може да дифундира. Дифузията на глюкозните молекули през мембраната ще им даде повече място за движение, в резултат на което произволността или ентропията на системата се увеличава. Максимална ентропия се постига, когато всички молекули могат да дифундират свободно в най-големия възможен обем — , т.е., когато концентрацията на глюкозните молекули е еднаква от двете страни на мембраната. Ако степента на хидратация на глюкозата не се промени значително при разреждане, ΔХ ще бъде приблизително нула, отрицателната свободна енергия на реакцията, при която молекулите на глюкозата се освобождават, за да дифундират в по-голям обем, ще се дължи единствено на положителната стойност на ΔС в уравнение 2-7.

Както бе споменато по-горе, образуването на хидрофобни връзки се задвижва главно от промяна в ентропията. Тоест, ако дълга хидрофобна молекула, като хептан или тристеарин, се разтвори във вода, водните молекули са принудени да образуват клетка около нея, ограничавайки свободното им движение. Това налага висока степен на ред в тяхното подреждане и намалява ентропията на системата (ΔС <𠁐). Тъй като промяната на ентропията е отрицателна, хидрофобните молекули не се разтварят добре във водни разтвори и са склонни да останат свързани една с друга.

Можем да обобщим връзките между свободна енергия, енталпия и ентропия, както следва:

Много биологични реакции водят до увеличаване на реда и по този начин до намаляване на ентропията (ΔС <𠁐). Очевиден пример е реакцията, която свързва аминокиселините заедно, за да образува протеин. Разтвор на протеинови молекули има по-ниска ентропия, отколкото разтвор на същите несвързани аминокиселини, тъй като свободното движение на всяка аминокиселина в протеина е ограничено, когато е свързано в дълга верига. За да продължи реакцията на свързване, трябва да се случи компенсаторно намаляване на свободната енергия на друго място в системата, както е обсъдено в Глава 4.


След като научихме, че химичните реакции освобождават енергия, когато акумулиращите енергия връзки са разкъсани, следващ важен въпрос е следният: Как се определя и изразява енергията, свързана с тези химични реакции? Как енергията, освободена от една реакция, може да се сравни с тази на друга реакция? Измерване на свободната енергия се използва за количествено определяне на тези енергийни трансфери. Припомнете си, че според втория закон на термодинамиката всички преноси на енергия включват загуба на известно количество енергия в неизползваема форма, като топлина. Свободната енергия конкретно се отнася до енергията, свързана с химическа реакция, която е налична след отчитане на загубите. С други думи, свободната енергия е използваема енергия или енергия, която е налична за извършване на работа.

Ако енергията се освободи по време на химическа реакция, тогава промяната в свободната енергия, означена като ∆G (делта G), ще бъде отрицателно число. Отрицателната промяна в свободната енергия също означава, че продуктите на реакцията имат по-малко свободна енергия от реагентите, тъй като те отделят малко свободна енергия по време на реакцията. Реакции, които имат отрицателна промяна в свободната енергия и следователно освобождават свободна енергия, се наричат ​​екзергонични реакции. Мисля: напрергоничен означава, че енергията е напрразглеждане на системата. Тези реакции се наричат ​​още спонтанни реакции и техните продукти имат по-малко съхранена енергия от реагентите. Трябва да се направи важно разграничение между термина спонтанна и идеята за химическа реакция, протичаща незабавно. Противно на ежедневната употреба на термина, спонтанната реакция не е тази, която възниква внезапно или бързо. Рръждата на желязото е пример за спонтанна реакция, която протича бавно, малко по малко, с течение на времето.

Ако химическа реакция поглъща енергия, а не отделя енергия в равновесие, тогава ∆G за тази реакция ще бъде положителна стойност. В този случай продуктите имат повече свободна енергия от реагентите. По този начин продуктите от тези реакции могат да се разглеждат като молекули, съхраняващи енергия. Тези химични реакции се наричат ендергоничен реакции и те са неспонтанни. Ендергоничната реакция няма да се осъществи сама без добавяне на свободна енергия.

Фигура 4.6 Показани са някои примери за ендергонични процеси (тези, които изискват енергия) и екзергонични процеси (тези, които освобождават енергия). (кредит а: промяна на работата от Натали Мейнър кредит б: промяна на работа от USDA кредит в: модификация на работа от Cory Zanker кредит d: промяна на произведение от Хари Малш)

Разгледайте всеки от показаните процеси и решете дали е ендергоничен или екзергоничен.

Има още една важна концепция, която трябва да се има предвид по отношение на ендергоничните и екзергоничните реакции. Екзергоничните реакции изискват малко количество енергия, за да започнат, преди да могат да продължат със своите освобождаващи енергия стъпки. Тези реакции имат нетно освобождаване на енергия, но все пак изискват известно количество енергия в началото. Това малко количество енергия, необходимо за протичането на всички химични реакции, се нарича енергия на активиране.


Самостоятелна практика - Моделиране на енергията на фотосинтезата

Студентите ще използват бележките от лекцията от предишния раздел като ресурс за разработване на модел, който илюстрира реакциите на светло и тъмно (цикъл Калвин) на фотосинтезата. Студентите не трябва да се затъват в подробности за биохимичните стъпки на всеки процес. Фокусът трябва да бъде поставен върху входовете (изходните материали) и изходите (крайни материали) за всяка от двете стъпки. Студентите също се насърчават да следват трансформацията на енергията, тъй като тя се абсорбира като слънчева светлина (светлинна енергия) и се превръща в глюкоза (съхранена химическа енергия), която растението може да използва по време на клетъчното дишане.

Често срещани студентски погрешни схващания :

  • Растенията могат само да се подлагат на фотосинтеза и няма да изпитват клетъчно дишане. **Растенията изпитват клетъчно дишане в митохондриите, което ще преобразува натрупаната глюкоза в енергия за растеж и поддържане на живота на растението.
  • Тъмната реакция не може да се случи на светлина. **Тъмната реакция (цикълът на Калвин) може да се случи на светлина, но се нарича само тъмна реакция, защото е независима от светлината, което означава, че тази химическа реакция не се нуждае от слънчева светлина.
  • Хлоропластът е единствената органела, която претърпява химични реакции. **Всички органели на растението са подложени на химични реакции. Хлоропластът съдържа хлорофил, който абсорбира слънчевата енергия, която захранва химическата реакция на фотосинтезата.
  • Фотосинтезата ще се случи в растението, независимо какво! **Химичната реакция на фотосинтезата се нуждае от слънчева светлина и хлорофилния пигмент, за да започне химическата реакция в тилакоидната мембрана. Ако няма слънчева светлина (или изкуствена UV светлина), тогава процесът на фотосинтеза не може да настъпи.
  • Цикълът на Калвин може да се случи сам без светлинната реакция. **Цикълът на Калвин се нуждае от продуктите на светлинната реакция, така че светлинната реакция трябва да се случи, за да продължи цикълът на Калвин. Светлинната реакция осигурява материалите, които позволяват на тъмната реакция (цикъл на Калвин).

Извадка от студентска работа: илюстрирани модели и разкази

Пример за студентска работа: Примерна диаграма на фотосинтезата – Този артефакт демонстрира вниманието на ученика към детайлите, докато се опитва да овладее сложните химични процеси, свързани с фотосинтезата. Усилията на ученика ще подпомогнат нейното обучение, докато тя разглежда диаграмата, за да проследи всяка фаза от процеса, докато слънчевата светлина се преобразува в съхранена химическа енергия.

Извадка от студентска работа: Диаграма на фотосинтезата се нуждае от подобрение – Този артефакт показва работата на ученика, която изглежда е прибързана с много малко усилия. Най-голямото притеснение е, че илюстрираният модел е труден за четене, така че студентът ще има трудно време да се върне, за да изучава модела, докато се опитва да се подготви за оценка. Студентите не трябва да са талантливи художници, за да бъдат успешни в тази задача, но те трябва да обърнат внимание на детайлите и да се опитат да направят своя илюстриран модел възможно най-изчистен, за да подпомогнат изучаването им на съдържанието.

Пример от студентска работа: Разказ за процеса на фотосинтеза: Резюмето на този студент за фотосинтезата демонстрира основно разбиране на химичните процеси на тази сложна химическа реакция. С напредването на учебната единица допълнителните уроци ще засилят нивото на разбиране на този ученик.


28 Потенциална, кинетична, свободна и активираща енергия

До края на този раздел ще можете да направите следното:

  • Определете "енергия"
  • Обяснете разликата между кинетична и потенциална енергия
  • Обсъдете понятията свободна енергия и енергия на активиране
  • Опишете ендергоничните и екзергоничните реакции

Ние определяме енергията като способност за извършване на работа. Както разбрахте, енергията съществува в различни форми. Например електрическата енергия, светлинната енергия и топлинната енергия са различни видове енергия. Макар че това са всички познати типове енергия, които човек може да види или почувства, има друг вид енергия, който е много по-малко осезаем. Учените свързват тази енергия с нещо толкова просто като обект над земята. За да оценим начина, по който енергията се влива и излиза от биологичните системи, е важно да разберем повече за различните видове енергия, които съществуват във физическия свят.

Видове енергия

Когато обектът е в движение, има енергия. Например, самолет в полет произвежда значителна енергия. Това е така, защото движещите се обекти са способни да извършват промяна или да вършат работа. Помислете за топка за разрушаване. Дори бавно движеща се разрушаваща топка може да причини значителни щети на други предмети. Въпреки това, топка за разрушаване, която не е в движение, е неспособна да извършва работа. Енергията с обекти в движение е кинетична енергия. Ускоряващият се куршум, ходещ човек, бързото движение на молекулите във въздуха (което произвежда топлина) и електромагнитното излъчване като светлината имат кинетична енергия.

Ами ако вдигнем същата неподвижна разрушаваща топка на два етажа над кола с кран? Ако окачената топка за разрушаване е неподвижна, можем ли да свържем енергията с нея? Отговорът е да. Окачената топка за разрушаване има свързана енергия, която е фундаментално различна от кинетичната енергия на обекти в движение. Тази енергийна форма е резултат от потенциал за да върши работа топката за разрушаване. Ако пуснем топката, тя ще свърши работа. Тъй като този тип енергия се отнася до потенциала за извършване на работа, ние го наричаме потенциална енергия. Обектите прехвърлят енергията си между кинетична и потенциална по следния начин: Тъй като топката за разрушаване виси неподвижно, тя има 0 кинетична и 100 процента потенциална енергия. След като се освободи, кинетичната му енергия започва да нараства, защото нараства скорост поради гравитацията. Едновременно с това, когато се приближава до земята, тя губи потенциална енергия. Някъде в средата на есента той има 50 процента кинетична и 50 процента потенциална енергия. Точно преди да удари земята, топката почти е загубила потенциалната си енергия и има почти максимална кинетична енергия. Други примери за потенциална енергия включват енергията на водата, задържана зад язовир ((Фигура)), или човек, който се кани да скочи с парашут от самолет.

Ние свързваме потенциалната енергия само с местоположението на материята (като дете, седящо на клон на дърво), но също и със структурата на материята. Пружината на земята има потенциална енергия, ако е компресирана, както и силно издърпаната гумена лента. Самото съществуване на живи клетки зависи до голяма степен от структурната потенциална енергия. На химическо ниво, връзките, които държат молекулите и атомите заедно, имат потенциална енергия. Не забравяйте, че анаболните клетъчни пътища изискват енергия за синтезиране на сложни молекули от по-прости, а катаболните пътища освобождават енергия, когато сложните молекули се разпадат. Това, че някои химически връзки’ могат да отделят енергия, означава, че тези връзки имат потенциална енергия. Всъщност има потенциална енергия, съхранявана във връзките на всички хранителни молекули, които ядем, които в крайна сметка използваме за употреба. Това е така, защото тези връзки могат да освобождават енергия, когато се разрушат. Учените наричат ​​потенциалния тип енергия, който съществува в химичните връзки, който се освобождава, когато тези връзки разрушат химическата енергия ((Фигура)). Химическата енергия е отговорна за осигуряването на живите клетки с енергия от храната. Разрушаването на молекулярните връзки в молекулите на горивото води до освобождаване на енергия.

Посетете този сайт и изберете „Просто махало“ от менюто (под „Хармонично движение“), за да видите изместващата се кинетична (K) и потенциална енергия (U) на махало в движение.

Безплатна енергия

След като научихме, че химичните реакции освобождават енергия, когато връзките за съхранение на енергия се разрушат, важен следващ въпрос е как да определим количествено и изразим химичните реакции със свързаната енергия? Как можем да сравним енергията, която се отделя от една реакция, с тази на друга реакция? Ние използваме измерване на свободната енергия, за да определим количествено тези енергийни трансфери. Учените наричат ​​тази свободна енергия свободна енергия на Гибс (съкратено с буквата G) на името на Джозая Уилард Гибс, ученият, разработил измерването. Припомнете си, че според втория закон на термодинамиката всички преноси на енергия включват загуба на част от енергия в неизползваема форма, като топлина, което води до ентропия. Свободната енергия на Гибс конкретно се отнася до енергията, която се осъществява с химическа реакция, която е налична, след като отчетем ентропията. С други думи, свободната енергия на Гибс е използваема енергия или енергия, която е налична за извършване на работа.

Всяка химическа реакция включва промяна в свободната енергия, наречена делта G (∆G). Можем да изчислим промяната в свободната енергия за всяка система, която претърпява такава промяна, като например химическа реакция. За да изчислите ∆G, извадете количеството енергия, загубена за ентропия (означено като ∆S) от общата енергийна промяна на системата. Учените наричат ​​тази обща енергийна промяна в системата енталпия и ние я означаваме като ∆H. Формулата за изчисляване на ∆G е както следва, където символът T се отнася до абсолютната температура в Келвин (градуси по Целзий + 273):

Ние изразяваме стандартната промяна на свободната енергия на химическата реакция като количество енергия на мол от реакционния продукт (в килоджаули или килокалории, kJ/mol или kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) при стандартно pH, температура и налягане условия. Обикновено изчисляваме стандартните условия на pH, температура и налягане при pH 7,0 в биологични системи, съответно 25 градуса по Целзий и 100 килопаскала (налягане 1 атм). Имайте предвид, че клетъчните условия се различават значително от тези стандартни условия и така стандартните изчислени стойности на ∆G за биологични реакции ще бъдат различни вътре в клетката.

Ендергонични реакции и екзергонични реакции

Ако енергията се освободи по време на химическа реакция, тогава получената стойност от горното уравнение ще бъде отрицателно число. С други думи, реакциите, които освобождават енергия, имат ∆G < 0. Отрицателното ∆G също означава, че продуктите на реакцията имат по-малко свободна енергия от реагентите, тъй като те отделят малко свободна енергия по време на реакцията. Учените наричат ​​реакции, които имат отрицателен ∆G и следователно освобождават свободна енергия, екзергонични реакции. Мисля: напрергонично означава енергия е напрразглеждане на системата. Ние също така наричаме тези реакции спонтанни реакции, тъй като те могат да възникнат без добавяне на енергия в системата. Разбирането кои химични реакции са спонтанни и освобождават свободна енергия е изключително полезно за биолозите, тъй като тези реакции могат да бъдат използвани за извършване на работа вътре в клетката. Трябва да направим важно разграничение между термина спонтанна и идеята за химическа реакция, която настъпва незабавно. Противно на ежедневната употреба на термина, спонтанната реакция не е тази, която възниква внезапно или бързо. Ръждащото желязо е пример за спонтанна реакция, която се случва бавно, малко по малко, с течение на времето.

Ако химическа реакция изисква влагане на енергия, а не освобождаване на енергия, тогава ∆G за тази реакция ще бъде положителна стойност. В този случай продуктите имат повече свободна енергия от реагентите. По този начин можем да мислим за продуктите на реакциите като молекули, съхраняващи енергия. Ние наричаме тези химични реакции ендергонични реакции и те не са спонтанни. Ендергоничната реакция няма да се осъществи сама без добавяне на безплатна енергия.

Нека да разгледаме отново примера за синтеза и разграждането на хранителната молекула, глюкозата. Не забравяйте, че изграждането на сложни молекули, като например захари, от по-прости е анаболен процес и изисква енергия. Следователно химичните реакции, участващи в анаболните процеси, са ендергонични реакции. Като алтернатива, катаболният процес на разграждане на захарта на по-прости молекули освобождава енергия в серия от екзергонични реакции. Подобно на примера за ръжда по-горе, разграждането на захарта включва спонтанни реакции, но тези реакции не се случват мигновено. (Фигура) показва някои други примери за ендергонични и екзергонични реакции. По-късните раздели ще предоставят повече информация за това какво още е необходимо, за да може дори спонтанните реакции да се случват по-ефективно.

Разгледайте всеки от процесите и решете дали е ендергоничен или екзергоничен. Във всеки случай енталпията увеличава ли се или намалява и ентропията увеличава ли се или намалява?

Важна концепция при изучаването на метаболизма и енергията е тази за химичното равновесие. Повечето химични реакции са обратими. Те могат да продължат и в двете посоки, като отделят енергия в околната среда в едната посока и я поглъщат от околната среда в другата посока ((Фигура)). Същото важи и за химичните реакции, участващи в клетъчния метаболизъм, като разграждането и изграждането на протеини в и от отделни аминокиселини, съответно. Реагентите в затворена система ще претърпят химични реакции в двете посоки, докато достигнат състояние на равновесие, което е една от възможно най-ниската свободна енергия и състояние на максимална ентропия. За изтласкване на реагентите и продуктите от състояние на равновесие е необходима енергия. Трябва да се добавят, отстраняват или променят реагентите или продуктите. Ако една клетка беше затворена система, нейните химични реакции биха достигнали равновесие и тя щеше да умре, защото нямаше да остане достатъчно свободна енергия, за да извърши необходимата работа за поддържане на живота. В жива клетка химичните реакции непрекъснато се движат към равновесие, но никога не го достигат. Това е така, защото живата клетка е отворена система. Материалите преминават и излизат, клетката рециклира продуктите от определени химични реакции в други реакции и никога няма химическо равновесие. По този начин живите организми са в постоянна, изискваща енергия, тежка битка срещу равновесието и ентропията. Това постоянно снабдяване с енергия в крайна сметка идва от слънчевата светлина, която произвежда хранителни вещества в процеса на фотосинтеза.

Активираща енергия

Има още една важна концепция, която трябва да вземем предвид по отношение на ендергоничните и екергоничните реакции. Дори екзергоничните реакции изискват малко количество енергия, преди да могат да продължат със своите освобождаващи енергия стъпки. Тези реакции имат нетно освобождаване на енергия, но все пак изискват известна първоначална енергия. Учените наричат ​​това малко количество енергия, необходимо за протичането на всички химични реакции, енергия на активиране (или свободна енергия на активиране), съкратено EА ((Фигура)).

Защо освобождаваща енергия отрицателна ∆G реакция всъщност изисква малко енергия, за да продължи? Причината се крие в стъпките, които се извършват по време на химическа реакция. По време на химичните реакции определени химични връзки се разрушават и се образуват нови. Например, когато глюкозната молекула се разпадне, връзките между въглеродните атоми на молекулата се разрушават. Тъй като това са връзки, съхраняващи енергия, те освобождават енергия, когато се разрушат. Въпреки това, за да ги доведе до състояние, което позволява на връзките да се разрушат, молекулата трябва да бъде донякъде изкривена. Необходим е малък вложена енергия, за да се постигне това изкривено състояние. Това изкривено състояние е преходно състояние и е високоенергийно, нестабилно състояние. Поради тази причина реагентните молекули не издържат дълго в своето преходно състояние, но много бързо преминават към следващите стъпки на химическата реакция. Диаграмите на свободната енергия илюстрират енергийните профили за дадена реакция. Дали реакцията е екзергонична или ендергонична, определя дали продуктите в диаграмата ще съществуват при по-ниско или по-високо енергийно състояние, отколкото реагентите и продуктите. Въпреки това, независимо от тази мярка, преходното състояние на реакцията съществува при по-високо енергийно състояние от реагентите и по този начин EА винаги е положителен.

Гледайте анимация на преминаването от безплатна енергия към преходно състояние на този сайт.

Откъде идва енергията на активиране, която изискват химически реагенти? Необходимият източник на енергия за активиране за изтласкване на реакциите обикновено е топлинна енергия от околната среда. Топлинната енергия (общата енергия на връзката на реагентите или продуктите в химическа реакция) ускорява движението на молекулата, увеличавайки честотата и силата, с които те се сблъскват. Той също така леко премества атомите и връзките в молекулата, като им помага да достигнат своето преходно състояние. Поради тази причина нагряването на една система ще накара химическите реагенти в тази система да реагират по-често. Увеличаването на налягането върху системата има същия ефект. След като реагентите поемат достатъчно топлинна енергия от заобикалящата ги среда, за да достигнат до преходно състояние, реакцията ще продължи.

Енергията на активиране на определена реакция определя скоростта, с която тя ще продължи. Колкото по-висока е енергията на активиране, толкова по-бавна е химическата реакция. Примерът за ръждясване на желязото илюстрира по своята същност бавна реакция. Тази реакция протича бавно с течение на времето поради високото си количество EА. Освен това изгарянето на много горива, което е силно екзергонично, ще се осъществи с незначителна скорост, освен ако достатъчно топлина от искра не преодолее тяхната активационна енергия. Въпреки това, след като започнат да горят, химичните реакции отделят достатъчно топлина, за да продължат процеса на горене, доставяйки енергията на активиране за околните горивни молекули. Подобно на тези реакции извън клетките, енергията на активиране за повечето клетъчни реакции е твърде висока, за да може топлинната енергия да бъде преодоляна с ефективни скорости. С други думи, за да протичат важни клетъчни реакции със значителни скорости (брой реакции за единица време), техните енергии на активиране трябва да бъдат намалени ((Фигура)). Учените наричат ​​това катализа. Това е много добро нещо, що се отнася до живите клетки. Важни макромолекули, като протеини, ДНК и РНК, съхраняват значителна енергия и тяхното разграждане е екзергонично. Ако клетъчните температури сами по себе си осигуряват достатъчно топлинна енергия за тези екзергонични реакции, за да преодолеят техните активационни бариери, основните компоненти на клетката биха се разпаднали.

Ако не беше необходима енергия за активиране за разграждане на захарозата (трапезна захар), бихте ли могли да я съхранявате в захарна купа?

Резюме на раздел

Енергията идва в много различни форми. Обектите в движение вършат физическа работа, а кинетичната енергия е енергията на обектите в движение. Обекти, които не са в движение, могат да имат потенциал да извършват работа и по този начин да имат потенциална енергия. Молекулите също имат потенциална енергия, тъй като прекъсването на молекулярните връзки има потенциала да освободи енергия. Живите клетки зависят от събирането на потенциална енергия от молекулярните връзки за извършване на работа. Свободната енергия е мярка за енергия, която е налична за извършване на работа. Свободната енергия на системата се променя по време на пренос на енергия, като например химични реакции, и учените наричат ​​тази промяна като ∆G.

Реакция ∆G може да бъде отрицателна или положителна, което означава, че реакцията освобождава енергия или консумира енергия, съответно. Реакция с отрицателен ∆G, която отделя енергия, е екзергонична реакция. Една с положително ∆G, която изисква влагане на енергия, е ендергонична реакция. Екзергоничните реакции са спонтанни, тъй като техните продукти имат по-малко енергия от техните реагенти. Продуктите на ендергоничните реакции’ имат по-високо енергийно състояние от реагентите, така че това са неспонтанни реакции. Въпреки това, всички реакции (включително спонтанните -∆G реакции) изискват първоначално вложена енергия, за да достигнат до преходно състояние, при което ще продължат. Този първоначален вход на енергия е енергията на активиране.

Въпроси за визуална връзка

(Фигура) Разгледайте всеки един от процесите и решете дали е ендергоничен или екзергоничен. Във всеки случай енталпията увеличава ли се или намалява и ентропията увеличава ли се или намалява?

(Фигура) Разлагането на компостна купчина е екзергоничен процес, енталпията се увеличава (освобождава се енергия) и се увеличава ентропията (големите молекули се разграждат на по-малки). Бебе, развиващо се от оплодено яйце, е ендергоничен процес, енталпията намалява (енергията се абсорбира) и ентропията намалява. Унищожаването на пясъчното изкуство е екзергоничен процес, няма промяна в енталпията, но ентропията се увеличава. Топка, търкаляща се надолу, е екзергоничен процес, енталпията намалява (освобождава се енергия), но няма промяна в ентропията.

(Фигура) Ако не беше необходима енергия за активиране за разграждане на захарозата (трапезна захар), бихте ли могли да я съхранявате в захарница?

(Фигура) Не. Ние можем да съхраняваме химическа енергия поради необходимостта да преодолеем бариерата пред нейното разпадане.

Въпроси за преглед

Помислете за люлеене на махалото. Кой тип(ове) енергия е/свързани с махалото в следните случаи: i. моментът, в който завършва един цикъл, точно преди да започне да пада обратно към другия край, ii. момента, в който е в средата между двата края, и iii. точно преди да достигне края на един цикъл (точно преди момент i.).

  1. и потенциални и кинетични, ii. потенциал и кинетика, iii. кинетичен
  2. и потенциал, ii. потенциал и кинетика, iii. потенциални и кинетични
  3. и потенциал, ii. кинетичен, iii. потенциални и кинетични
  4. и потенциални и кинетични, ii. кинетичен iii. кинетичен

Кое от следните сравнения или контрасти между ендергонични и екзергонични реакции е невярно?

  1. Ендергоничните реакции имат положителен ∆G, а екзергоничните реакции имат отрицателен ∆G.
  2. Ендергоничните реакции консумират енергия, а екзергоничните освобождават енергия.
  3. Както ендергоничните, така и екзергоничните реакции изискват малко количество енергия за преодоляване на активационна бариера.
  4. Ендергоничните реакции протичат бавно, а екзергоничните - бързо.

Кой от следните е най-добрият начин да се прецени относителните енергии на активиране между две дадени химични реакции?

  1. Сравнете стойностите на ∆G между двете реакции.
  2. Сравнете скоростта на реакцията им.
  3. Сравнете техните идеални условия на околната среда.
  4. Сравнете спонтанността между двете реакции.

Въпроси за критично мислене

Обяснете със собствените си думи разликата между спонтанна реакция и тази, която възниква мигновено, и какво причинява тази разлика.

Спонтанна реакция е тази, която има отрицателен ∆G и по този начин освобождава енергия. Не е необходимо обаче спонтанна реакция да настъпи бързо или внезапно като мигновена реакция. Може да се случи за дълги периоди поради голяма енергия на активиране, което предотвратява бързото протичане на реакцията.

Опишете позицията на преходното състояние във вертикална енергийна скала, от ниска към висока, спрямо позицията на реагентите и продуктите, както за ендергонични, така и за екзергонични реакции.

Преходното състояние винаги е с по-висока енергия от реагентите и продуктите на реакцията (следователно, по-горе), независимо дали реакцията е ендергонична или екзергонична.

Терминологичен речник


Книгата на немско-британски лекар и биохимик Ханс Кребс от 1957 г Енергийни трансформации в живата материя (написано с Ханс Корнберг) [1] е първата голяма публикация за термодинамиката на биохимичните реакции. В допълнение, приложението съдържа първите публикувани термодинамични таблици, написани от Кенет Бъртън, които съдържат равновесни константи и свободна енергия на Гибс на образувания за химически видове, способни да изчисляват биохимични реакции, които все още не са се случили.

Неравновесната термодинамика е приложена за обяснение как биологичните организми могат да се развият от разстройство. Иля Пригожин разработи методи за термодинамична обработка на такива системи. Той нарече тези системи дисипативни системи, защото се образуват и поддържат от дисипативните процеси, които обменят енергия между системата и нейната среда, и защото изчезват, ако този обмен спре. Може да се каже, че живеят в симбиоза с околната среда. Енергийните трансформации в биологията зависят предимно от фотосинтезата. Общата енергия, уловена от фотосинтезата в зелените растения от слънчевата радиация, е около 2 x 10 23 джаула енергия годишно. [2] Годишната енергия, уловена от фотосинтезата в зелените растения, е около 4% от общата енергия на слънчевата светлина, която достига до Земята. Енергийните трансформации в биологичните общности около хидротермалните отвори са изключения, те окисляват сярата, като получават енергията си чрез хемосинтеза, а не чрез фотосинтеза.

Областта на биологичната термодинамика е фокусирана върху принципите на химичната термодинамика в биологията и биохимията. Обхванатите принципи включват първия закон на термодинамиката, втория закон на термодинамиката, свободната енергия на Гибс, статистическата термодинамика, кинетиката на реакцията и хипотезите за произхода на живота. Понастоящем биологичната термодинамика се занимава с изучаването на вътрешната биохимична динамика като: хидролиза на АТФ, стабилност на протеина, свързване на ДНК, мембранна дифузия, ензимна кинетика [3] и други такива важни енергийно контролирани пътища. От гледна точка на термодинамиката, количеството енергия, способно да извърши работа по време на химическа реакция, се измерва количествено чрез промяната в свободната енергия на Гибс. Физическият биолог Алфред Лотка се опита да обедини промяната в свободната енергия на Гибс с еволюционната теория.

Енергийна трансформация в биологични системи Редакт

Слънцето е основният източник на енергия за живите организми. Някои живи организми като растенията се нуждаят от слънчева светлина директно, докато други организми като хората могат да получават енергия от слънцето косвено. [4] Въпреки това има доказателства, че някои бактерии могат да процъфтяват в сурови среди като Антарктида, като доказателство от синьо-зелените водорасли под дебели слоеве лед в езерата. Независимо от вида на живите видове, всички живи организми трябва да улавят, преобразуват, съхраняват и използват енергията, за да живеят.

Връзката между енергията на входящата слънчева светлина и нейната дължина на вълната λ или честота ν се определя от

където з е константата на Планк (6.63x10 −34 Js) и ° С е скоростта на светлината (2,998x10 8 m/s). Растенията улавят тази енергия от слънчевата светлина и се подлагат на фотосинтеза, ефективно превръщайки слънчевата енергия в химическа енергия. За да прехвърлят енергията отново, животните ще се хранят с растения и ще използват енергията на усвоените растителни материали за създаване на биологични макромолекули.

Термодинамична теория на еволюцията Edit

Биологичната еволюция може да бъде обяснена чрез термодинамична теория. Четирите закона на термодинамиката се използват за оформяне на биологичната теория зад еволюцията. Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена. Никой живот не може да създаде енергия, но трябва да я получи чрез околната среда. Вторият закон на термодинамиката гласи, че енергията може да се трансформира и това се среща ежедневно във формите на живот. Тъй като организмите вземат енергия от околната среда, те могат да я трансформират в полезна енергия. Това е основата на тропическата динамика.

Общият пример е, че отворената система може да бъде определена като всяка екосистема, която се движи към максимално разпръскване на енергия. Всички неща се стремят към максимално производство на ентропия, което от гледна точка на еволюцията се случва в промени в ДНК за увеличаване на биоразнообразието. По този начин разнообразието може да бъде свързано с втория закон на термодинамиката. Може също да се твърди, че разнообразието е процес на дифузия, който се разпространява към динамично равновесие, за да се увеличи максимално ентропията. Следователно, термодинамиката може да обясни посоката и скоростта на еволюция заедно с посоката и скоростта на последователност. [5]

Първи закон на термодинамиката Редактиране

Първият закон на термодинамиката е твърдение за запазването на енергията, въпреки че може да се променя от една форма в друга, енергията не може да бъде нито създадена, нито унищожена. [6] От първия закон възниква принцип, наречен закон на Хес. Законът на Хес гласи, че топлината, абсорбирана или отделена в дадена реакция, винаги трябва да бъде постоянна и независима от начина, по който протича реакцията. Въпреки че някои междинни реакции могат да бъдат ендотермични, а други могат да бъдат екзотермични, общият топлообмен е равен на топлообмена, ако процесът се случи директно. Този принцип е в основата на калориметъра, устройство, използвано за определяне на количеството топлина в химическа реакция. Тъй като цялата входяща енергия влиза в тялото като храна и в крайна сметка се окислява, общото производство на топлина може да бъде оценено чрез измерване на топлината, произведена от окисляването на храната в калориметър. Тази топлина се изразява в килокалории, които са общата единица енергия на храната, която се намира на етикетите за хранителни стойности. [7]

Втори закон на термодинамиката Редактиране

Вторият закон на термодинамиката се занимава основно с това дали даден процес е възможен или не. Вторият закон гласи, че никой естествен процес не може да възникне, освен ако не е придружен от увеличаване на ентропията на Вселената. [8] Казано по различен начин, изолирана система винаги ще има тенденция към безпорядък. Често погрешно се смята, че живите организми се противопоставят на Втория закон, защото са в състояние да повишат нивото си на организация. За да се коригира това погрешно тълкуване, трябва просто да се направи справка с определението на системите и границите. Живият организъм е отворена система, способна да обменя както материя, така и енергия с околната среда. Например, човек приема храна, разгражда я на нейните компоненти и след това ги използва за изграждане на клетки, тъкани, връзки и т.н. Този процес увеличава реда в тялото и по този начин намалява ентропията. Хората обаче също 1) провеждат топлина към дрехите и други предмети, с които са в контакт, 2) генерират конвекция поради разликите в телесната температура и околната среда, 3) излъчват топлина в пространството, 4) консумират вещества, съдържащи енергия (т.е. храна) и 5) премахване на отпадъци (напр. въглероден диоксид, вода и други компоненти на дишането, урината, изпражненията, потта и др.). Когато се вземат предвид всички тези процеси, общата ентропия на по-голямата система (т.е. на човека и неговата/неговата среда) се увеличава. Когато човекът престане да живее, нито един от тези процеси (1-5) не се осъществява и всяко прекъсване на процесите (особено 4 или 5) бързо ще доведе до заболеваемост и/или смъртност.

Свободна енергийна редакция на Гибс

В биологичните системи като цяло енергията и ентропията се променят заедно. Следователно е необходимо да можете да дефинирате функция на състоянието, която да отчита тези промени едновременно. Тази функция на състоянието е свободната енергия на Гибс, Г.

  • Х е енталпията (SI единица: джаул)
  • T е температурата (SI единица: келвин)
  • С е ентропията (SI единица: джаул на келвин)

Промяната в свободната енергия на Гибс може да се използва, за да се определи дали дадена химическа реакция може да се случи спонтанно. Ако ∆Г е отрицателен, реакцията може да настъпи спонтанно. По същия начин, ако ∆Г е положителен, реакцията е неспонтанна. [9] Химическите реакции могат да бъдат „свързани“ заедно, ако споделят междинни продукти. В този случай общата промяна на свободната енергия на Гибс е просто сумата от ∆Г стойности за всяка реакция. Следователно, неблагоприятна реакция (положителна ∆Г1) може да бъде задвижван от втора, много благоприятна реакция (отрицателна ∆Г2 където величината на ∆Г2 > величина ∆Г1). Например, реакцията на глюкоза с фруктоза за образуване на захароза има ∆Г стойност от +5,5 kcal/mole. Следователно тази реакция няма да настъпи спонтанно. Разграждането на АТФ до образуване на ADP и неорганичен фосфат има ∆Г стойност -7,3 kcal/mole. Тези две реакции могат да бъдат свързани заедно, така че глюкозата да се свързва с АТФ, за да образува глюкозо-1-фосфат и АДФ. След това глюкозо-1-фосфатът е в състояние да се свърже с фруктоза, при което се получава захароза и неорганичен фосфат. ∆Г стойността на свързаната реакция е -1,8 kcal/mole, което показва, че реакцията ще се случи спонтанно. Този принцип на свързване на реакциите за промяна на промяната в свободната енергия на Гибс е основният принцип зад всички ензимни действия в биологичните организми. [10]


Гледай видеото: Свободная энергия Гиббса и самопроизвольные реакции видео 8. Энергия. Биология (Август 2022).