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 в ході 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) є низка 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 = ∑S⁰_{298 (прод.)} - ∑S⁰_{298 (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.) - ∑Н⁰₂₉₈ згор_{. (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.

Калорійність і вміст поживних речовин у продуктах харчування

Продукти	Загальна калорій­ність	Вміст, %			Вміст вітамінів і мінеральних речовин, мг
		білки	вуглеводи	жири	вітамін А	вітамін С	вітамін В	ССа	FFе
Какао, ¾ стакана (188г)	164	17	47	336	239	11,8	00,077	2224	00,59
Сметана. 1 ст. ложка (12г)	26	6	8	886	95	00,1	00,004	114	00,1
Йогурт, 1 стакан (222г)	225	15	75	110	111	11,36	00,077	3314	00,14
Молоко, 1 стакан (244г)	150	21	30	449	307	22,29	00,093	2291	00,12
Яєчня. з 1 яйця (46г)	83	26	2	770	286	0 0	00,033	226	00,92
Яблуко (138г)	80	1,3	90	8 8	124	6 6	00,04	110	00,4
Банан (119г)	101	4	94	11,7	226	112	00,06	110	00,8
Буряк 1/2 стакана (83г)	31	7	90	3 3	17	2 2	00,01	116	00,6
Морква. 1/2 стакана (73г)	22	9	87	44	7613	44	00,04	224	00,4
Ананас (122г)	90	1,5	95	00,9	61	99	00,1	11,3	00,4