năng lượng và sự chuyển đổi năng lương (tt) pdf

ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT: NĂNG
LƯỢNG KHÔNG TỰ NHIÊN
SINH RA CŨNG KHÔNG TỰ
NHIÊN MẤT ĐI
Năng lượng có thể được chuyển từ
dạng này sang dạng khác. Ví dụ
bằng cách đánh que diêm ta đã biến
hóa thế năng thành ánh sáng và
nhiệt. Định luật thứ nhất của
nhiệt động học nói rằng trong bất
kỳ biến đổi năng lượng nào như
vậy, năng lượng không sinh ra cũng
không bị phá huỷ.
Định luật một cho chúng ta biết
rằng trong bất kỳ biến đổi năng
lượng từ dạng này sang dạng khác,
tổng năng lượng trước và sau biến
đổi là như nhau (hình 6.2a). Như ta
sẽ thấy ở hai chương tiếp theo, hóa
thế năng trong các liên kết hóa học
của các carbohydrate và lipid có thể
được chuyển thành thế năng ở dạng
ATP. Năng lượng này sau đó có thể
được sử dụng để tạo thế năng ở
dạng gradient nồng độ thiết lập bởi
vận chuyển chủ động, và có thể

được chuyển thành động năng để
thực hiện công cơ học, ví dụ co cơ.
Không phải tất cả các năng lượng
có thể sử dụng và hỗn loạn có xu
thế tăng
Định luật hai của nhiệt động học
nói rằng mặc dù năng lượng không
thể được tạo ra hay phá huỷ, khi
năng lượng được chuyển từ dạng
này sang dạng khác thì một số năng
lượng trở thành dạng không có khả
năng sinh công (Hình 6.2b). Nói
cách khác, không có quá trình vật
lý hay hóa học nào là hiệu suất
100% cả và không phải tất cả năng
lượng giải phóng đều có thể chuyển
thành công. Một số năng lượng bị
lấy đi vào dạng liên quan đến sự
hỗn loạn. Định luật hai đúng cho tất
cả các biến đổi năng lượng nhưng ở
đây chúng ta sẽ tập trung vào các
phản ứng hóa học trong tế bào
sống.
KHÔNG PHẢI TẤT CẢ NĂNG
LƯỢNG ĐỀU DÙNG ĐƯỢC
Trong bất kỳ hệ nào, tổng năng
lượng bao gồm năng lượng sử dụng
được có thể sinh công và năng
lượng không sử dụng được mất đi
vào sự hỗn loạn:

tổng năng lượng = năng lượng
dùng được + năng lượng không
dùng được
Trong các hệ sinh học, tổng năng
lượng được gọi là enthalpy (H).
Năng lượng sử dụng được có khả
năng sinh công gọi là năng lượng
tự do (G). Năng lượng tự do là
những gì tế bào đòi hỏi cho mọi
phản ứng hóa học trong sinh trưởng
tế bào, phân bào và duy trì trạng
thái khỏe mạnh của tế bào. Năng
lượng không sử dụng được được
biểu diễn bởi entropy (S), là đại
lượng đo độ hỗn loạn của hệ thống,
nhân với nhiệt độ tuyệt đối (T). Vì
vậy chúng ta có thể viết lại phương
trình chữ trên một cách chính xác
hơn là
H = G + TS
Vì chúng ta quan tâm đến năng
lượng sử dụng được, chúng ta biến
đổi biểu thức trên thành:
G= H - TS
Mặc dù chúng ta không thể đo G, H
hay S một cách tuyệt đối, chúng ta
có thể xác định sự biến đổi của mỗi
đại lượng ở nhiệt độ không đổi.
Những biến đổi năng lượng này
được đo bằng calories (cal) hoặc

joules (J)(Xem chương 2). Đại
lượng biến đổi trong năng lượng
được biễu diễn bằng chữ delta (Δ)
ΔG
phảnứng
= G
sảnphẩm
- G
thamgia

Giá trị của đại lượng biến đổi có
thể âm hoặc dương.
Ở nhiệt độ không đổi, ΔG được
định nghĩa theo sự biến đổi của
năng lượng tổng số và sự biến đổi
của entropy (Δ):
ΔG = ΔH - TΔS
Phương trình này nói cho ta biết
năng lượng được giải phóng hay
tiêu thụ bởi một phản ứng hóa học:
 Nếu ΔG âm (ΔG < 0) năng
lượng được giải phóng
 Nếu ΔG dương (ΔG > 0) phản
ứng đòi hỏi năng lượng (tiêu thụ).
Nếu năng lượng tự do không có
sẵn thì phản ứng sẽ không tự xẩy
ra
Dấu và độ lớn của ΔG phụ thuộc
vào hai đại lượng bên phải của
phương trình:

 ΔH: trong một phản ứng ΔH là
tổng năng lượng thêm vào phản
ứng (ΔH > 0) hoặc giải phóng
(ΔH <0).
 ΔS: Phụ thuộc vào dấu và độ lớn
của ΔS, đại lượng TΔS có thể âm
hoặc dương, lớn hoặc nhỏ. Nói
các khác trong các hệ thống sống
ở nhiệt độ không đổi (T không
đổi), độ lớn và dấu của ΔG có thể
phụ thuộc rất nhiều vào entropy.
Biến đổi lớn về entropy làm cho
ΔG âm hơn như đã cho thấy bằng
dấu trừ ở trước thừa số TΔS.
Nếu một phản ứng hóa học tăng
entropy thì sản phẩm của nó sẽ hỗn
loạn hơn chất tham gia phản ứng.
Nếu có nhiều sản phẩm hơn chất
tham gia phản ứng như trong phản
ứng thủy phân của một protein
thành các amino acid, các sản phẩm
có khá nhiều tự do để có thể
chuyển động xung quanh. Độ hỗn
loạn của một dung dịch amino acid
sẽ lớn hơn so với độ hỗn loạn của
protein trong đó các liên kết
peptide và các lực khác ngăn cản sự
chuyển động tự do. Vì vậy trong
phản ứng thủy phân thay đổi về
entropy (ΔS) sẽ dương.

Nếu có ít sản phẩm hơn và chúng
bị hạn chế chuyển động hơn so với
chất tham gia phản ứng thì ΔS sẽ
âm. Ví dụ một protein lớn liên kết
bởi các liên kết peptide ít có tự do
trong di chuyển hơn một dung dịch
của hàng trăm hay hàng ngàn
amino acid tổng hợp nên nó.
Độ hỗn loạn có xu thế tăng
Định luật thứ hai của nhiệt động
học cũng dự đoán rằng, độ hỗn loạn
có xu hướng tăng như một hệ quả
của sự chuyển đổi năng lượng.
Biến đổi hóa học, vật lý và các quá
trình sinh học tất cả đều có xu
hướng tăng entropy và vì vậy có xu
hướng đi đến hỗn loạn (Hình 6.2b).
Xu hướng đi đến hỗn loạn này cho
ta chiều hướng xảy ra của một quá
trình vật lý hoặc hóa học. Nó giải
thích tại sao một số phản ứng xảy
ra theo một chiều nào đó mà không
phải chiều khác.
Định luật hai áp dụng như thế nào
đối với các sinh vật? Lấy cơ thể
con người với các cấu trúc có độ
phức tạp cao được tạo nên từ những
phân tử đơn giản. Sự tăng về độ
phức tạp rõ ràng trái với định luật
hai. Nhưng điều này không phải

như ta nghĩ! Tạo nên một 1 kg cơ
thể con người đòi hỏi 10 kg vật liệu
sinh học được chuyển hóa và trong
quá trình đó chúng được chuyển
thành CO
2
, H
2
O và các phân tử đơn
giản hơn và các biến đổi này đòi
hỏi rất nhiều năng lượng. Quá trình
chuyển hóa này tạo ra nhiều hỗn
loạn hơn trật tự trong 1 kg cơ thể.
Sự sống đòi hỏi sự nạp năng lượng
thường xuyên để duy trì trật tự.
Không có sự trái ngược nào với
định luật hai của nhiệt động học cả.
Sau khi đã thấy các định luật vật lý
về năng lượng áp dụng cho các sinh
vật sống, chúng ta sẽ chuyển sang
xem xét các định luật này áp dụng
cho các phản ứng hóa học như thế
nào.