Năng lượng sinh học

Năng lượng sinh học Hệ thống sống cần năng lượng để chuyển động, lớn lên, tổng hợp các phân tử sinh học và vận chuyển ion, phân tử qua màng. Các cơ thể lấy năng lượng từ môi trường sống và sử dụng năng lượng đó để thực hiện các quá trình sống có hiệu quả. Để nghiên cứu năng lượng sinh học đòi hỏi phải có hiểu biết về nhiệt động học, một số định luật, nguyên lý mô tả nguồn, trao đổi nhiệt, năng lượng và vật chất trong hệ thống nghiên cứu. 2 Nhiệt động học cho chúng ta xác định quá trình hoá học và phản ứng có thể tự xảy ra hay không. Mặc dù nhiệt động học là khái niệm phức tạp, nhưng nó dựa trên ba định luật tương đối đơn giản và dễ hiểu. Một vài nguyên lý của nhiệt động học cơ bản được đưa ra trong chương này bao gồm phân tích nguồn nhiệt, sản sinh entropy, hàm năng lượng tự do và mối liên quan giữa entropy và thông tin. Chương này cũng đề cập đến ATP và những hợp chất cao năng khác. Khái niệm về nhiệt động học cơ bản Bất kỳ sự quan tâm nào của nhiệt động học cũng phải phân biệt giữa hệ thống và môi trường. Hệ thống là một phần của vũ trụ mà chúng ta quan tâm, trong khi đó môi trường là gồm tất cả những gì còn lại. Có ba trạng thái cơ bản: hệ thống cô lập, hệ thống đóng và hệ thống mở. Hệ thống cô lập: Không có sự trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Hệ thống đóng: Có trao đổi năng lượng, nhưng không có trao đổi chất với môi trường. Hệ thống mở: Có trao đổi chất và năng lượng với môi trường. Cơ thể sống là hệ thống mở điển hình có trao đổi chất (dinh dưỡng và sản phẩm thải ra) và năng lượng (nhiệt từ trao đổi chất) với môi trường. Định luật 1: Nhiệt, công và các dạng năng lượng khác Trước đây trong sự phát triển của nhiệt động học người ta cho rằng nhiệt độ có thể biến đổi thành những dạng năng lượng khác và tất cả các dạng năng lượng một cách cơ bản có thể biến đổi thành một số dạng khác. Định luật 1 nói rằng: tổng năng lượng của một hệ thống cô lập là không thay đổi. Các nhà nhiệt động học đã mô phỏng thành một hàm toán học để nghiên cứu sự biến đổi nhiệt và sử dụng công trong những hệ thống nhiệt động học. Hàm này được gọi là năng lượng nội năng, thường ký hiệu là E hoặc U. Năng lượng này chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của một hệ thống và vì vậy được coi là hàm trạng thái. Năng lượng nội năng không phụ thuộc vào hệ thống xảy ra như thế nào và vì vậy không phụ thuộc vào đường hướng. Nói một cách khác là chúng ta có thể thay đổi hệ thống bằng bất cứ con đường nào 3 và cho đến khi nào hệ thống trở về trạng thái ban đầu, năng lượng nội năng sẽ không thay đổi. Năng lượng nội năng, E của hệ thống có thể thay đổi nếu nguồn năng lượng vào hoặc ra khỏi hệ thống ở dạng nhiệt hoặc công cho quá trình nào biến đổi một trạng thái này (1) sang một trạng thái khác (2) thay đổi năng lượng nội năng là: E = E2 - E1 = q + w (1.1) q là lượng nhiệt được hệ thống hấp thụ từ môi trường w là công thực hiện trên hệ thống do môi trường Công cơ học được định nghĩa là sự chuyển động từ chỗ này đến chỗ khác, gây ra do sử dụng lực. Cả hai phải xảy ra công mới được thực hiện. Ví dụ: Một tàu chở khách đã chứa đầy khách nhưng không di chuyển, theo định nghĩa nhiệt động học công không được thực hiện. Trong hệ thống hoá sinh học và hoá học công thường liên quan với áp suất và thể tích của hệ thống. Công cơ học được xác định w = -PV Nếu định nghĩa công được giới hạn bởi công cơ học, trong trường hợp này E chỉ là thay đổi nhiệt ở thể tích không đổi. Vì vậy nếu V không đổi, công không được thực hiện. E = q. Vì vậy E là một định lượng rất tiện lợi trong quá trình thể tích không thay đổi. E không cần thiết bằng biến đổi nhiệt. Vì lý do này các nhà hoá sinh học, hoá học đã xác định một hàm đặc biệt phù hợp cho quá trình áp suất không đổi. Nó được gọi là enthalpy, H được định nghĩa: H = E + PV (1.2) Nếu áp suất không thay đổi chúng ta có: H = E + PV = q + w + PV = q - PV + PV = q (1.3) Rõ ràng H tương đương với biến đổi nhiệt trong quá trình áp suất không đổi. Vì các phản ứng hoá sinh thường xảy ra trong thể lỏng hoặc rắn hơn là thể khí nên thay đổi thể tích là nhỏ và enthalpy và năng lượng nội năng thường là như nhau. 4 Để thuận lợi khi so sánh các chỉ số nhiệt động học của các phản ứng khác nhau thì người ta xác định ở điều kiện tiêu chuẩn. Một dung dịch hoà tan ở trạng thái tiêu chuẩn, thường sử dụng đơn vị đơn giản là nồng độ 1M. Enthalpy, năng lượng nội năng và những định lượng nhiệt động học khác thường đưa ra hoặc xác định cho những điều kiện tiêu chuẩn và được ký hiệu là H0, E0... Enthalpy thay đổi ở các quá trình hoá sinh có thể được xác định bằng việc đo nhiệt độ hấp thụ (hoặc toả ra) bằng một calorimeter. Mặt khác cho bất kỳ quá trình nào A B ở trạng thái cân bằng, sự thay đổi enthalpy ở trạng thái tiêu chuẩn được xác định từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ và hệ số cân bằng: d (ln Keq) H0 = ---------------- (1.4) Ở đây R là hằng số khí = 8.314 J/mol K Ví dụ: trong sự biến tính nhiệt của protein chymotripsinogen (quá trình thuận nghịch). Trạng thái nguyên thuỷ (N) Trạng thái biến tính (D) Keq = D / N John F. Brandts đo hằng số cân bằng cho sự biến tính của một số protein ở một số giá trị pH và nhiệt độ khác nhau (bảng 1.1). Giá trị H0 có ý nghĩa gì đối với biến tính của protein? Giá trị dương của H0 biểu diễn sự bẻ gãy liên kết hydro cũng như giải phóng những nhóm ưa nước từ bên trong phân tử protein ban đầu trong qúa trình biến tính, như vậy sẽ nâng năng lượng của dung dịch protein. Bảng 1.1 Các chỉ số nhiệt động học cho sự biến tính protein Protein (và điều kiện) H0 kJ/mol S0 kJ/mol.K G0 kJ/mol Gp kJ/mol.K Chymotrypsinogen (pH 3; 250C) 164 0,440 31 10,9 b- Lactoglobulin (5 M urea; pH 3; 250C) -88 -0,300 2,5 9,0 Myoglobin (pH 9; 250C) 180 0,400 57 5,9 Ribonuclease (pH 2,5; 300C) 240 0,780 3,8 8,4