Δήμητρα Σπανού, Χημικός, καθηγήτρια Βθμιας Εκπ/σης στο 1ο Γυμνάσιο Δάφνης
ΠΡΙΝ ΞΕΚΙΝΗΣΟΥΜΕ ΤΗΝ ΠΡΟΣΠΑΘΕΙΑ ΝΑ ΜΕΛΕΤΗΣΟΥΜΕ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΜΕΓΑΛΩΝ ΝΟΜΩΝ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ
ΘΑ ΠΡΈΠΕΙ ΝΑ:
- προσδιορίσουμε αυτούς ως προς το είδος των ενεργειακών (θερμοδυναμικών ) συστημάτων που αποτελούν (κλειστά, ανοικτά, κ.λ.π. )
- Τις εκτατικές και εντατικές ιδιότητες τους (μάζα, ενθαλπία, ελεύθερη ενέργεια κ.λ.π.) και εντατικές ιδιότητες (θερμοκρασία, πίεση , κ.λ.π. )
Γι αυτόν τον λόγο, έχουν προηγηθεί άλλα κεφάλαια όπως το Σύντομη Βιοχημική Ιστορία των Οργανισμών Οι μεγάλοι Νόμοι της Ενέργειας και το φαινόμενο της Ζωής. ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: Τα Θερμοδυναμικά Συστήματα, οι Στατιστικές Κατανομές της θερμοδυναμικής,
ΘΑ ΠΡΕΠΕΙ ΑΚΟΜΑ ΝΑ ΕΧΟΥΜΕ ΥΠ' ΟΨΗΝ
- Τον τρόπο των μεταβολών και ανταλλαγών στις ιδιότητες των συστημάτων ( αντιστρεπτές, μη αντιστρεπτές, αδιαβατικές κ.λ.π.)
- και ακόμα για να το κάνουμε αυτό πρέπει να αναφέρουμε τα 4 αξιώματα της Θερμοδυναμικής
αυτό έγινε στο κεφάλαιο σ Σύντομη Βιοχημική Ιστορία των Οργανισμών Μέρος 1ο Οι μεγάλοι Νόμοι της Ενέργειας στο φαινόμενο της Ζωής. Η Θερμοδυναμική. Τα 4 θερμ/ικά αξιώματα. Κατάσταση Ισορροπίας Θερ/κων Συστ/των.
ΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΛΛΑ ΚΑΙ ΜΕΡΙΚΩΣ ΑΠΟΜΟΝΩΜΈΝΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
Αρχικά πρέπει να προσδιορίσουμε τον τύπο των θερμοδυναμικών συστημάτων που αποτελούν οι οργανισμοί δηλαδή τα βιολογικά συστήματα).
Για να γίνει αυτό,
Εξετάζουμε την εσωτερική ενέργειά τους που σχετίζεται με την δυνατότητα ανταλαγής ενέργειας με το περιβάλλον, η οποία μπορεί να συμβαίνει με τρεις τρόπους
α. σαν μεταφορά θερμότητας ΔQ
β. σαν την δυνατότητα παραγωγής ή κατανάλωσης έργου dW
γ. σαν την ροή ύλης ανάμεσα στο σύστημα και το περιβάλλον του
Εφόσον στα βιολογικά συστήματα ισχύουν και τα τρία διότι
οι οργανισμοί και
α. δέχονται ενέργεια από το περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας, ακτινοβολίας κ.α. αλλά και η δική τους ενέργεια διαχέεται στο περιβάλλον αντίστοιχα
β. παράγουν έργο όπως για παράδειγμα το μυϊκό έργο και δέχονται ενέργεια από το περιβάλλον υπό μορφή έργου όπως η αλλαγή στην θέση ενός οργανισμού που οφείλεται σε εξωτερικούς παράγοντες
γ. υπάρχει μια διαρκής ροή της ύλης προς το εσωτερικό (τροφή) και προς το εξωτερικό (απόβλητα του οργανισμού)
θεωρούμε λοιπόν ότι πρόκειται για ανοικτά συστήματα
ΤΙ ΙΣΧΥΕΙ ΓΙΑ ΤΑ ΑΝΟΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ: Η ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΤΟΥΣ ΜΕΤΑΒΑΛΛΕΤΑΙ ΔΙΑΡΚΩΣ
από την wikipedia Θερμοδυναμική - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
Η ισορροπία για ένα ασταθές σύστημα, στο οποίο τόσο το περιεχόμενο μάζας όσο και το ενεργειακό περιεχόμενο μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου,
και η ισορροπία τους μεταβάλλεται διαρκώς
Ο ρυθμός μεταβολής ενέργειάς τους εξαρτάται από την εισροή/ εκροή θερμότητας, το εισερχόμενο/ εξερχόμενο έργο και την εισρέουσα/ απερχόμενη ύλη και υπολογίζεται έχει ως εξής:
Σε κατάσταση ισορροπίας η ροή της μάζας προς την μια και την άλλη κατεύθυνση εξισώνονται
Όμως για να εξασφαλίσει ένας οργανισμός συνθήκες ζωής, απαιτούνται ορισμένες παροχές και ανταλλαγές από το περιβάλλον που αφορούν και τους τρεις όρους λειτουργίας του σαν ανοικτό σύστημα (ενέργεια , έργο, ύλη). Κατ' αυτήν την έννοια οι ζωντανοί οργανισμοί χρειάζονται ένα τμήμα περιβάλλοντος που θα εξασφαλίζει την κανονική τους λειτουργία για ένα χρονικό διάστημα και για αυτό οι οργανισμούς ονομάζονται μερικώς απομονωμένα συστήματα.
ΤΙ ΙΣΧΥΕΙ ΓΙΑ ΤΑ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ:
Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥΣ ΔΙΑΡΚΩΣ ΥΠΟΒΑΘΜΙΖΕΤΑΙ (ΑΥΞΗΣΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑΣ - ΑΤΑΞΙΑΣ)
ΕΩΣ ΟΤΟΥ ΚΑΤΑΛΗΞΟΥΝ ΣΕ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ (ΜΕ ΤΗΝ ΜΕΓΙΣΤΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑ)
Σε ένα απομονωμένο σύστημα (δεν ανταλλάσει οποιαδήποτε μορφή ενέργειας, ύλης ή έργου, δηλαδή Q=W=0 και η εσωτερική ενέργεια παραμένει σταθερή ΔU=0) .
Αυτό πιο απλά μας λέει ότι σε ένα απομονωμένο σύστημα δεν υπάρχει περίπτωση να έχουμε μείωση της εντροπίας.
Αντίθετα μπορεί να έχουμε αύξηση της αταξίας στο σύστημα, δηλαδή, αύξηση της ανοργάνωτης ενέργειας και μείωση της ικανότητάς του να δώσει έργο , έως την κατάσταση ισορροπίας του
Λέμε δηλαδή πως, σε ένα απομονωμένο σύστημα στην κατάσταση ισορροπίας έχουμε το μέγιστο της Εντροπίας S=max
Αυτό σημαίνει ομογενοποίηση των πάντων , αδυναμία μεταφοράς ενέργειας , αδυναμία διεξαγωγής διεργασιων κι αυτά ισοδυναμούν με παύση της ζωής
Έως αυτήν την στιγμή έχουμε αυθόρμητη μείωση της ελεύθερης ενέργειάς του και αύξηση της εντροπίας και αυτό συνεχίζεται,
έως ότου, το σύστημα φτάνει στην κατασταση της ενεργειακής ισορροπίας όπου οι ενεργειακές κλίσεις (διαφορές στην θερμοκρασία, τις συγκεντρώσεις και την χημική συγγένεια των επι μέρους περιοχών εξισώνονται η εντροπία γίνεται μέγιστη και η ενεργειακή απόδοση του συστήματος γίνεται μηδέν.
Για μια σταθερή κατάσταση όμως ισχύει
και
και 
από την wikipedia Θερμοδυναμική - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
H ΕΝΤΡΟΠΙΑ ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ και ΠΩΣ ΣΧΕΤΙΖΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟ ΝΟΜΟ
ΣΑΝ ΜΕΡΙΚΩΝ ΑΠΟΜΟΝΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ
Στην περίπτωση αυτή , όπως αναφέρθηκε, ο οργανισμός μαζύ με ένα τμήμα του περιβάλλοντός του λειτουργεί και σαν υπό όρους απομονωμένο σύστημα. Έτσι,
αποβάλλει την ελεύθερη ενέργειά του προσπαθώντας με βιολογικές διαδικασίες να φτάσει στην μέγιστη εντροπία ( και ισορροπία) σύμφωνα με τους νόμους της θερμοδυναμικής .
Εδώ γίνεται φανερός ο ρόλος που παίζει η στατική κατάσταση που βρίσκονται οι οργανισμοί ,( όταν θεωρούνται μαζύ με ένα μέρος του περιβάλλοντός τους σαν απομονωμένα ενεργειακά συστήματα), στα οποία σύμφωνα με την θεωρία για τα συστήματα αυτά, η ενέργειά τους είτε μένει σταθερή ή αυξάνεται. Δηλαδή οι αυθόρμητες διεργασίες το οδηγούν σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, οι ενεργειακές κλίσεις (διαφορές) εξισώνονται η εντροπία γίνεται μέγιστη και η ενεργειακή απόδοση μηδέν.
Δηλαδή οι όποιες αυθόρμητες διεργασίες μπορεί να συμβούν σε ένα τέτοιο σύστημα, το οδηγούν σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, οι ενεργειακές κλίσεις (διαφορές), που είναι η κύρια αιτία μεταφοράς ενέργειας, εξισώνονται η εντροπία γίνεται μέγιστη και η ενεργειακή απόδοση μηδέν . (εξαντλεί την κατάσταση της ζωής).
Πως εφαρμόζεται η δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής σε αυτήν την περίπτωση αφού έχουμε μονωμένο σύστημα ; Πως συμβαίνουν αυτές οι διεργασίες που εξυπακούουν ενεργειακές μεταφορές;
Για να ερμηνευτεί αυτό, πρέπει να θεωρήσουμε ότι το σύστημα αυτό αποτελείται από μέρη ή καταστάσεις που επικρατούν διαφορετικές ενεργειακες συνθήκες . Μπορεί να υπάρχουν ακόμα και περιοχές όπου συμβαίνει μείωση της εντροπίας (πράγμα που μοιάζει αντίθετα με τις αρχές του απομονωμένου συστήματος). Ωστόσο αυτή η μείωση της εντροπίας σε μια περιοχή μπορεί να σημαίνει αύξηση σε κάποια άλλη του συστήματος. Κι αυτό θεωρητικά έως ότου εξισωθούν οι διαφορές και προκύψει η κατάσταση ισορροπόας στην οποία αν πρόκειται για βιολογικά συστήματα έχουμε και παύση των λειτουργιών και της ζωής.
Όμως τα βιολογικά συστήματα δεν φτάνουν ποτέ σε τέτοια κατάσταση και αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι είναι ταυτόχρονα και ανοικτά σστήματα
που θα το αναλυθεί στη συνέχεια από τον Pigogine (θερμοδυναμικά συστήματα μακράν της θερμοδυναμικής ισορροπίας)
ΣΑΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ:.
Αανταλλάσουν ενέργεια έργο και ύλη με το περιβάλλον τους εφόσον μάλιστα είναι συστήματα που από την κατασκευή και λειτουργία τους απαιτούν ενέργεια υψηλής ποιότητας, άρα όσο είναι δυνατόν χαμηλής εντροπίας.
Σαν τέτοια ανταλλάσουν με διάφορους τρόπους ενέργεια με το περιβάλλον και η ελεύθερη ενέργεια εισέρχεται στο σώμα υπό μορφή προϊόντων διατροφής, διαφόρων ακτινοβολιών κ.λ.π.
Η εισροή ελεύθερης ενέργειας βοηθά στη μείωση της εντροπίας του συστήματος και επομένως την απομάκρυνση από την ισορροπία.
(Στην ισορροπία έχουμε την μέγιστη εντροπία για απομονωμένο σύστημα) .
Αυτό με τη σειρά του σημαίνει αύξηση των κλίσεων και μείωση της εντροπίας και της υποβαθμισμένης ενέργειας με αύξηση της ωφέλιμης ενέργειας (αύξηση του φαινόμενου της ζωής )
Έτσι παρ ότι με την εισροή ελεύθερης ενέργειας που συμβαίνει στους οργανισμούς σαν ανοικτά ενεργειακά συστήματα μειώνει την εντροπία τους, αυτά , συμβαίνει να βρίσκονται μακρυά από την θερμοδυναμική ισορροπίας τους.
Έτσι εδώ συμβαίνουν διαδικασίες αυτοοργάνωσης και εμφανίζονται συγκεκριμένες δυναμικές δομές
Αν το φαινόμενο της εισροής ελεύθερης ενέργειας συμβεί πολύ έντονα, τα συστήματα χαρακτηρίζονται διασκορπιστικά και αντιδρούν με σκέδαση και διασπορά ενέργειας
Όμως τα επίπεδα των ενεργειακών καταστάσεων ενός οργανισμού είναι συγκεκριμένα και επιλεγμένα και προέκυψαν από την διαδικασία της εξέλιξης έτσι ώστε να παρέχουν τον πιο ωφέλιμο δυνατό μεταβολισμό στις επικρατούσες συνθήκες
Έτσι κι εφόσον τα συστήματα χρειάζονται κάποιο βαθμό σταθερότητας, ώστε να διατηρούν την σταθερότητα των παραμέτρων τους και την απόδοσή τους.
Αυτό διατυπώθηκε από τον Prigogine (Ρώσος φυσικοχημικός Βελγικής υπηκοότητας (1917-2003) Πήρε βραβείο Νομπελ Χημείς 1977 για τις συνεισφορές του στη Θερμοδυναμική εκτός ισορροπίας ) κατά την θεωρία του οποίου, αν dS/dt είναι η μεταβολη της εντροπίας σε ανοικτό σύστημα (όπως οι οργανισμοί) , diS/dt είναι ο ρυθμός σχηματισμού εντροπίας μέσα στο σύστημα (όπως οι οργανισμοί αν θεωριθούν μερικώς απομονωμένα συστήματα λόγω εσωτερικών μη ανατρέψιμων μεταβολών) και deS/dt ο ρυθμός ανταλλαγής εντροπίας με το εξωτερικό περιβάλλον,
Ο Prigogine απέδειξε ότι, εάν το σύστημα δεν απέχει πολύ από την κατάσταση ισορροπίας ο όρος , diS/dt (εφόσον πρόκειται για απομονωμένο σύστημα ), διατηρεί μεν την θετική τιμή του αλλά τείνει στο ελάχιστο
Κι αφού αυτό το "δεν απέχει πολύ" όπως το διατύπωσε ο Prigogine δεν διασαφηνίζεται.... ας αναλογιστούμε αυτό που γράφτηκε σε προηγούμενη παράγραφο,
" Όμως τα επίπεδα των ενεργειακών καταστάσεων ενός οργανισμού είναι συγκεκριμένα και επιλεγμένα και προέκυψαν από την διαδικασία της εξέλιξης έτσι ώστε να παρέχουν τον πιο ωφέλιμο δυνατό μεταβολισμό στις επικρατούσες συνθήκες
Η θέση του συστήματος στο ένα άκρο που αντιστοιχεί στην ελάχιστη παραγωγή εντροπίας μελετήθηκε από τον βιοενεργειακό Α Kashalsky
ΑΠΟ ΤΙΣ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ.
ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ ΣΥΝΑΝΤΑΜΕ ΣΥΝΗΘΩΣ ΤΙΣ ΜΗ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ
Συνήθως οι ενεργειακές μεταβολές θερμοδυναμικών συστημάτων που μελετάμε και για τις οποίες έχει βασίσει το μεγάλο μέρος από η θεωρία της κλασσικής Θερμοδυναμικής είναι αντιστρέψιμες μεταβολές, δηλαδή μεταβολές που συμβαίνουν εφόσον προχωρούν πολύ αργά ώστε το σύστημα να διέρχονται μέσα από διαδοχικές μεταβολές που βρίσκονται πολύ κοντά σε καταστάσεις ισορροπίας. Βέβαια αυτό εξυπονοεί ότι η εντροπία έχει διαρκώς την μέγιστη τιμή της και επομένως η ελεύθερη ενέργεια που είναι διαθέσιμη για οποιαδήποτε μορφή μετατροπής (εκτός από θερμική) δηλαδή χημική, ηλεκτρική κ.λ.π. είναι μηδενική
Επόμενο είναι στους οργανισμούς οι θερμοδυναμικές διεργασίες να είναι μη αντιστρέψιμες . Για παράδειγμα μια μηχανική μετατροπή όπως η μυϊκή σύσπαση ένα μέρος της καταβαλόμενης ελεύθερης ενέργειας χάνεται σαν θερμότητα λόγω τριβών.
ΣΤΙΣ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΕΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΕΧΟΥΜΕ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΑΥΞΗΣΗ ΕΝΤΡΟΠΙΑ
ΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΑΝΑΠΛΗΡΏΝΟΥΝ ΤΙΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΑΥΤΕΣ ΣΑΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΕΙΣΑΓΟΥΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ
Όπως φαίνεται οι οργανισμοί χρησιμοποιούν την ελεύθερη ενέργεια που εισέρχεται είτε μέσω τροφικών μορίων μέσω ακτινοβολιών κ.λ.π. για την εκτέλεση βιολογικών διεργασιών, όπως μυϊκες συσπάσεις, μεταβολισμοί, αναπνοή, φωτοσύνθεση, μεταφορά ουσιών κ.α. ΣΕ αυτές υπάρχει μια απώλεια ενέργειας υπό μορφή θερμότητας πράγμα που έχει συνέπεια την αύξηση της εντροπίας τους.
Ο λόγος της ενέργειας που αποδίδεται προς αυτήν που χρησιμοποιείται λέγεται συντελεστής απόδοσης και για τα βιολογικά συστήματα είναι συνήθως μικρός. Για παράδειγατα για την Μυϊκή σύσπαση έχουμε αποτελεσματικότητα 30% ή α=0,3, για την γλυκόλυση (που είναι μεταβολική διαδικασία ) 36%
Κατά περίεργο τρόπο κάποιες διαδικασίες άλλων οργανισμών έχουν πολύ υψηλή απόδοση όπως η λάμψη τροπικών εντόμων 98-99% η ηλεκτρική εκκένωση ψαριών 98% κ.λ.π.
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΟΥ ΕΧΟΥΝ ΥΙΟΘΕΤΗΣΕΙ ΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΜΕΣΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ
ΩΣΤΕ ΝΑ ΠΡΟΩΘΟΥΝ ΤΗΝ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΧΩΡΙΣ ΤΗΝ ΠΑΡΑΒΙΑΣΗ ΤΟΥ ΔΕΥΤΕΡΟΥ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΥ ΝΟΜΟΥ
Παρ όλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις που ο αγώνας εναντίον της αύξησης της εντροπίας συμβαίνει ακόμα και μέσα στους οργανισμούς όταν εκλαμβάνονται σαν μερικώς απομονωμένοι. Οι φυσικοί αναβολικοί μηχανισμοί άλλωστε από την σύνθεση σύνθετων ενώσεων από απλούστερες έως την σύνθεση πλούσιων σε ενέργεια μακρομορίων, η οργάνωσή τους σε υποκυτταρικές δομές και εν τέλει σε κύτταρα η εν συνεχεία οργάνωση σε συνθετότερους οργανισμούς όλα αυτά είναι διεργασίες που αυξάνοουν την οργανωμένη ενέργεια και μειώνουν την εντροπία φαινομενικά αντίθετα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.
ΑΠΟ ΤΙΣ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ ΚΑΙ ΜΗ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ.
ΣΤΟΥΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥΣ ΣΥΝΑΝΤΑΜΕ ΣΥΝΗΘΩΣ ΤΙΣ ΜΗ ΑΝΑΤΡΕΨΙΜΕΣ
Συνήθως οι ενεργειακές μεταβολές θερμοδυναμικών συστημάτων που μελετάμε και για τις οποίες έχει βασίσει το μεγάλο μέρος από η θεωρία της κλασσικής Θερμοδυναμικής είναι αντιστρέψιμες μεταβολές, δηλαδή μεταβολές που συμβαίνουν εφόσον προχωρούν πολύ αργά ώστε το σύστημα να διέρχονται μέσα από διαδοχικές μεταβολές που βρίσκονται πολύ κοντά σε καταστάσεις ισορροπίας. Βέβαια αυτό εξυπονοεί ότι η εντροπία έχει διαρκώς την μέγιστη τιμή της και επομένως η ελεύθερη ενέργεια που είναι διαθέσιμη για οποιαδήποτε μορφή μετατροπής (εκτός από θερμική) δηλαδή χημική, ηλεκτρική κ.λ.π. είναι μηδενική
Επόμενο είναι στους οργανισμούς οι θερμοδυναμικές διεργασίες να είναι μη αντιστρέψιμες . Για παράδειγμα μια μηχανική μετατροπή όπως η μυϊκή σύσπαση ένα μέρος της καταβαλόμενης ελεύθερης ενέργειας χάνεται σαν θερμότητα λόγω τριβών.
μπορούμε να δούμε περισσότερες λεπτομέριες
μεταφέρω:..
Αμφίδρομες και μη αμφίδρομες βιοχημικές αντιδράσεις
Θεωρητικά υπάρχουν οι αντιστρεπτές μεταβολές που προχωρούν μέσα από διαδοχικές καταστάσεις ισρροπίας, καί η συνολική μεταβολή της Εντροπίας είναι μηδέν. ΔS =0 -> (αντιστρεπτή μεταβολή)
Στην πραγματικότητα όμως και ιδιέταιρα στις βιοχημικές μεταβολές στους ζωντανούς οργανισμούς οι αντιδρασεις είναι μη αντιστρεπτές (μη αμφίδρομες).
Κατά τον μεταβολισμό της τροφής υπάρχουν χημικές αντιδράσεις αντιστρεπτές αλλά και άλλες μη αντιστρεπτές, αναλόγως με τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου που διεξάγονται με τα ίδια ένζυμα και προς την μια και προς την άλλη κατεύθυνση.
Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις όσον αφορά την αντιστρεπτότητα των αντιδράσεων:
- Στο πρώτο στάδιο του καταβολισμού όπου τα πολυμερή πρωτείνες, υδατάνθρακες, λιποειδή, διασπώνται σε αμινοξέα, μονομερή και και λιπαρά οξέα, ενώ οι αντιδράσεις είναι μη αντιστρεπτές. Εδώ δεν απορροφάται ελεύθερη ενέργεια από τις τροφές.
- Στο δεύτερο ενδιάμεσο στάδιο όπου τα μονομερή διασπώνται σε μικρότερα μόρια 2-3 ατόμων άνθρακα οι αντιδράσεις είναι αμφίδρομες (αντιστρεπτές) και απορροφάται το 1/3 της ελεύθερης ενέργειας των συστατικών της τροφής.
- Στο τρίτο που είναι κοινό και για τις τρεις κατηγορίες τροφής αποδίδουν στα μιτοχόνδρια τα υπόλοιπα 2/3 της ενέργειάς τους με αντιδράσεις που στην πλειοψηφία τους είναι μη αντιστρεπτές.
Σε κάθε σειρά αμφίδρομων αντιδράσεων, παρεμβάλονται στην αρχή και στο τέλος μη αμφίδρομες που συμβάλουν στην σταθερότητα των συστημάτων και την ισορροπία του οργανισμού.
Ακόμα, στο ίδιο κεφάλαιο φαίνεται πως αυτό μπορεί να συμβαίνει μέσα από πολλαπλούς θερμοδυναμικούς περιορισμούς οι οργανισμοί να επιζούν, να οργανόνωνται και να αποφεύγουν την μεγιστοποίηση της εντροπίας ;
Υπάρχουν οι απαντήσεις:
. Ο οργανισμός έχουν δημιουργήσει "έξυπνους" μηχανισμούς ώστε να οργανώνονται εσωτερικά χωρίς να καταστρατηγείται το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα. Οι σύζευξη των βιοχημικών αντιδράσεων είναι ένας από τους μηχανισμούς αυτούς. Μεταφέρω από το παραπάνω κεφάλαιο:
Οι αντιδράσεις του μεταβολισμού και η ελεύθερη ενέργεια στους ζωντανούς οργανισμούς
Όλες όμως οι αντιδράσεις ακολουθούν τους νόμους της Χημικής Θερμοδυναμικής.
Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της Θερμοδυναμικής, ένα απομονωμένο σύστημα που δεν ανταλλάσει ενέργεια με το περιβάλλον τείνει πρς την φθορά, δηλαδή υπάρχει η αυθόρμητη τάση για την αύξηση της αταξίας ΔS >0
Σε ανοικτό σύστημα όπου ΔSολικό = ΔSσυστήματος + ΔSπεριβάλλοντος υπάρχει η πιθανότητα να έχουμε ΔSσυστήματος<0 δηλαδή μείωση της αταξίας και αύξηση της διαθέσιμης ενέργειας, αρκεί το ΔSολικό>0.
Αν το ολικό θεωρείται το Σύμπαν τότε;
Σύμφωνα με τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής της διατήρησης της ολικής ενέργειας ΔΗσυστήματος+ ΔΗπεριβάλλοντος =0 άρα
ΔΗ συστήματος =-ΔΗπεριβάλλοντος
Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής για την αύξηση της ολικής Εντροπίας (αταξίας) ΔSσυστήματος +ΔSπεριβάλλοντος >0
και επίσης για αυθόρμητες φυσικές μεταβολές είναι εξεργονικές δηλαδή ΔGσυστημα+περιβάλλον <0
Οι βιοσυνθετικές όμως αντιδράσεις του μεταβολισμού, είναι κυρίως ενδεργονικές δηλαδή μη αυθόρμητες. Η αύξηση της οργάνωσης στην ζωή, έχει συνέπεια την ελάττωση της εντροπίας. Ο τρόπος να πραγματοποιούνται τέτοιες αντιδράσεις είναι η σύζευξή τους , όπως είπαμε, με άλλες. Αν από το σώμα Ααρχικό πρέπει να παραχθεί το Ατελικό η διαδικασία μπορεί να τροποποιηθεί ώστε να παρεμβάλλονται ενδιάμεσα στάδια: Ααρχικό->Α1->Α2->Ατελικό.
Παράδειγμα η φωσφωρυλιώσεις με δότη φωσφορικής ομάδας το ATP. Ενώ η φωσφορυλίωση με φωσφορικό οξύ είναι μη αυθόρμητη, η φωσφορυλίωση με το ATP γίνεται αυθόρμητα.
|
|
D G o = + 9,2 kJ
|
(2) |
|
+ |
|
D G o = - 30,5 kJ
|
(3) |
|
|
|||
|
|
D G o = - 21,3 kJ
|
(4) |
|
Τότε για να πάρουμε τα φυσικοχημικά μεγάθη τους Η, G, S, F, αθροίζουμε τα επιμέρους κατά βήματα αντίστοιχα μεγάθη. ΔΗολικό=ΔΗ1+ΔΗ2+ΔΗτελικό
Αντίστοιχα ΔGολικό =ΔG1+ΔG2+ΔGτελικό και ΔSολικό =ΔS1+ΔS2+ΔSτελικό
Από το ίδιο κεφάλαιο ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον έχει η επόμενη παράγραφος όπου αναφέρεται ότι δεν πρόκειται απλά για αντιδράσεις που αρχικά θεωρούνται μη επιτρεπτές, όμως με την σύζευξη πραγματοποιούνται χωρις υπέρβαση του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου, αλλά για σειρές βιοχημικών αντιδράσεων, για ολόκληρους μεταβολικούς κύκλους. Τον πρώτο ρόλο παίζουν βοηθητικές βιοχημικές ουσίες όπως ένζυμα και συνένζυμα με κυρίαρχο το ΑΤΡ
Μεταβολικές οδοί
Έτσι οι αντιδράσεις να μη γίνονται άμεσα, αλλά να φτάνουν στο τελικό στάδιο με μια σειρά από διαδοχικές αντιδράσεις που αποτελούν τις μεταβολικές οδούς. Στις αντιδράσεις αυτές, γίνονται με την χρήση ενζύμων έχει σαν αποτέλεσμα, να υπερβαίνονται τα εμπόδια για την διεξαγωγή των όχι ευνοικών αντιδράσεων του μεταβολισμού.
Κατά την διάρκεια των διαδοχικών αυτών αντιδράσεων, κατάλληλες ουσίες παρεμβάλλονται ώστε να απορροφήσουν και να προμηθεύσουν ή να προσροφήσουν ελεύθερη ενέργεια από τις οξειδώσεις και τις αναγωγές
Αυτές αποτελούν τον συζευγμένον φορέα που θα προσλάβει ενέργεια από μια ευνοική αντίδραση για την μεταφέρει σε άλλη όχι ευνοική. ...Συνεχίζεται στο άρθρο
.jpg)
Δήμητρα Σπανού
ΠΗΓΕΣ
Εντροπία Βιοσυστημάτων - OPRITOV V.A. (pereplet.ru)
Νόμος Joule–Lenz - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)
ακατέργαστο
Ενεργειακό ισοζύγιο για σταθερή κατάσταση[επεξεργασία | επεξεργασία πηγής]Επεξεργασία πηγής]
- Για σταθερή κατάσταση, ισχύουν τα εξής: και
-
-
ή, συνοψίζοντας τις εξωτερικές ενέργειες σε έναν μόνο όρο:
- επιπλέον αδιαβατική (π.χ. ατμοστρόβιλος):
Στο πλαίσιο αυτό, είναι σημαντικό την ισχύ άξονα του μηχανήματος. Δεδομένου ότι οι ενέργειες που εκπέμπονται από το σύστημα ορίζονται αρνητικά στη θερμοδυναμική, η απόδοση ενός στροβίλου γίνεται αρνητική από αυτή την εξίσωση. Επομένως, στην πράξη, το σημείο αλλάζει. Σε απλοποιημένους υπολογισμούς, οι εξωτερικές ενέργειες παραμελούνται επίσης.
https://ebooks.edu.gr/ebooks/v/html/8547/2668/Biologia_B-Lykeiou_html-empl/index1_2.html
Όλα τα φορτισμένα στοιχειώδη σωματίδια έχουν αντισωματίδια που είναι ακριβώς τα ίδια με αυτά σε όλες τις ιδιότητες, εκτός από το ότι φέρουν αντίθετα φορτία. Τα τέσσερα μη φορτισμένα στοιχειώδη σωματίδια φωτόνιο, το μποζόνιο Z0, το μποζόνιο Higgs και δύο γκλουόνια είναι τα δικά τους αντισωματίδια. Ένα σωματίδιο και ένα αντισωματίδιο του ίδιου είδους μπορούν να εξαϋλώσουν το ένα το άλλο. Με αυτόν τον τρόπο, μόνο όλη η ενέργεια, η ορμή και η στροφορμή τους διατηρούνται. Αυτά μεταφέρονται σε νεοδημιουργηθέντα σωματίδια (βλ. Εκμηδένιση ζευγών, δημιουργία ζευγών).
Στοιχειώδη σωματίδια - Βικιπαίδεια (wikipedia.org)