Термодинаміка біохімічних процесів

Закони термодинаміки справедливі для будь-яких систем, в тому числі й біологічних. Але при їх використанні для таких об'єктів є певна специфічність і значні ускладнення. Перш за все біологічні системи — це відкриті системи, які безперервно обмінюються речовиною та енергією з навколишнім середовищем, і ці процеси проходять в стаціонарному режимі. Крім того, ці системи функціонують в умовах більшого чи меншого віддалення від стану хімічної рівноваги. Адже будь-яка клітина в стані хімічної рівноваги – це мертва клітина.

Перетворення енергії, яке відбувається в процесі обміну речовинами в живому організмі є предметом біоенергетики. Розділ термодинаміки біологічних процесів, який називають біоенергетикою, дуже складний і наразі ще недостатньо розроблений.Ці перетворення здійснюються в повній відповідності із першим і другим законами термодинаміки. Але живий організм має ряд відмінних специфічних особливостей у порівнянні з системами, які служать об'єктами вивчення в технічній і хімічній термодинаміці. Розглянемо ці особливості.

1. Живий організм є типовою відкриттю системою, що безперервно обмінюється з навколишнім середовищем і речовиною і енергією.

2. Застосування II закону термодинаміки до живих організмів неможливе без врахування впливу біологічних закономірностей. Характер зміни ентропії, що має вирішальне значення при оцінюванні процесів в неживих системах, має в біологічних системах лише підлегле значення.

3. Всі біохімічні пронеси, що відбуваються в клітинах живих організмів, відбуваються в умовах сталості температури і тиску, при відсутності значних перепадів концентрації, різкої зміни об'єкта.

Основним джерелом енергії для організму є хімічна енергія, що міститься в харчових продуктах. З їжею в організм потрапляють досить складні високомолекулярні сполуки, які мають багато слабких хімічних зв'язків. Такі речовини характеризуються невеликим значення ентропії S, високим значення енергії Гіббса G, також ентальпії H.

У процесі засвоєння їжі із відносно великих молекул вуглеводів, білків, жирів утворюються нові молекули з більш простою структурою і більш міцними хімічними зв'язками між атомами (СО₂, Н₂О, СО(NH₂)₂).

Для практичних цілей найширше використовують наслідок першого закону термодинаміки — закон Гесса. Визначення калорійності їжі чи кормів виконують методом калориметрії (спалювання в калориметричних бомбах). Тепловий ефект реакції спалювання цукру, визначений в калориметричній бомбі, рівний сумі теплових ефектів багатостадійного процесу перетворення цукру в живому організмі до тих же кінцевих продуктів — СО₂ і Н₂О.

Звісно, що процес розкладу (диссимиляції) речовини, при якому із меншого числа частинок утворюється більше, призводить до збільшення ентропії (ΔS>О), а також до того, що вході цього перетворення зміцнюються хімічні зв'язки і реалізується хімічна спорідненість. Енергія Гіббса системи зменшується (ΔG < О).

Величина енергії Гіббса у продуктів життєдіяльності є значно нижчою, ніж у вихідних продуктів харчування. Аналогічні зміни відбуваються і з ентальпією системи (ΔН < О).

Важливо зауважити, що у живих системах вивільнення енергії при розщепленні органічних сполук може здійснюватись як за участю кисню (аеробне окиснення), так і без нього (анаеробне розщеплення). Причому в обох випадках частина енергії зразу ж може виділятися в навколишнє середовище у вигляді тепла, а інша частина — акумулюватись у так званих макроергічних зв'язках фосфоровмісних органічних сполук (аденозинтрифосфорна кислота, фосфоенолпіровиноградна кислота, карбамілфосфат тощо).

В організмі тварин (насамперед теплокровних) єнизка речовин, які здатні впливати не тільки на інтенсивність розщеплення тієї чи іншої органічної речовини, а й на співвідношення тих часток енергії, які виділяються у вигляді тепла чи акумулюються у макроергічних сполуках. Як правило, такими природними речовинами-регуляторами є сполуки, які називаються гормонами (тироксин — гормон щитовидної залози, інсулін та глюкагон — гормони підшлункової залози тощо). Завдяки їх регуляторним впливам забезпечується сталість температури тіла теплокровних тварин. Є також група речовин, які здатні практично повністю блокувати процеси акумуляції енергії, що виділяється, в макроергічних зв'язках і тоді вона майже повністю виділяється у вигляді теплової енергії. Як правило, ці речовини відносять до надзвичайно сильних отрут (солі синильної кислоти тощо).

Складніші проблеми виникають при застосуванні другого закону термодинаміки. Як в хімічному реакторі, так і в живому організмі термодинамічно заборонені процеси реалізуватись не можуть. Проте в ізольованому реакторі самовільно протікають процеси тільки в напрямку наближення до стану рівноваги, що супроводжується збільшенням хаотичності в системі і зростанням ентропії. У живих організмах поряд з процесами дезагрегації, які ідуть із зростанням ентропії, протікають і процеси впорядкування, коли ентропія зменшується. Така можливість зумовлена поглинанням живим організмом необхідної енергії з навколишнього середовища. Проте сумарна ентропія системи "живий організм + середовище" завжди зростає.

Розглянемо, для прикладу, зміну ентропії енергії Гіббса і ентальпії системи в процесі засвоєння в організмі людини сахарози, який зводиться до її окислення:

С_І2Н₂₂0₁₁ (к) + 11О₂(г) = 12СО₂(г) + 11Н₂О

Розрахуємо зміну ентропії за рівнянням:

ΔS₀²⁹⁸ = ∑S₀²⁹⁸ _(прод.) - ∑S₀²⁹⁸ _(вих.)

ΔS₀²⁹⁸ = [12ΔS₀²⁹⁸ (CO₂) + 11ΔS₀²⁹⁸ (H₂O)] – [S₀²⁹⁸ (C_І2Н₂₂0₁₁) + 11S₀²⁹⁸ (O₂)]

ΔS₀²⁹⁸=(12∙213,82+11∙70,4)–(359,824+205,03) = 720,69 (Дк/моль∙К)

Розрахуємо зміну енергії Гіббса за рівнянням:

ΔG = Σ (ΔG_звор.) _{кінц __} - Σ (ΔG_{звор.) вих.}

ΔG⁰₂₉₈ = [І2ΔG⁰₂₉₈(СО₂) + 11ΔG⁰₂₉₈(Н₂О)] - [ΔG⁰₂₉₈(С₁₂Н₂₂О₁₁) + 11ΔG⁰₂₉₈(О₂)]

ΔG⁰₂₉₈ = (12 ∙ (-394,644) – 11 ∙ 237,404) + 1529,67 + 11∙ 0 = -2565,84 – 2611,444 + 1529,67 = -3657,61(кДж/моль)

Розрахуємо зміну ентальпії за рівнянням:

ΔН⁰₂₉₈ хім.реак. = ∑Н⁰₂₉₈ згор._(вих.) - ∑Н⁰₂₉₈згор_. _(прод.)

ΔН⁰₂₉₈ = [12ΔН⁰₂₉₈ (СО₂) + 11ΔН⁰₂₉₈ (Н₂О)] - ΔН⁰₂₉₈ (С_І2Н₂₂0₁₁)

ΔН⁰₂₉₈ = (12∙ (-393,78) - 11∙ 286,02) + 2220,867= - 4725,36 – 3146,22 +2220,867 = - 5650,713(кДж/моль)

Виходячи із значення ΔН сахарози, її молярної маси (М= 342,3 г/моль), бачимо, що її питома калорійність буде становити:

5650,713 кДж/моль : 342,3 г/моль = 16,51 кДж/г

Такий же характер зміни величини ентропії, енергії Гіббса і ентальпії має місце в процесі засвоєння білків і жирів.

Таблиця 1.4.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Варіант №6.	\|	Калорійність і вміст поживних речовин у продуктах харчування

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.