6. Особенности термодинамики биологических систем
Законы термодинамики универсальны и справедливы для любых систем. Однако живые организмы как объект термодинамических исследований имеют ряд особенностей.
1. Живой организм – это открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.
2. Все биохимические процессы протекают при постоянных температуре и давлении и в отсутствии значительных изменений концентрации и объема.
3.
Стандартное состояние для биологических
систем отличается от стандартного
состояния химических систем. В
биологических системах при стандартном
состоянии концентрации всех веществ
в растворе равны 1 моль/л, парциальные
давления газов 1 атм. Отличие касается
концентрации ионов Н+,
которая принимается равной 10-7
моль/л, что соответствует рН 7, характерному
для большинства биологических сред.
G0/
-
стандартная энергия Гиббса для
биологических процессов.
4. Живой организм – это открытая система, находящаяся в стационарном состоянии.
Стационарное состояние – это такое состояние системы, при котором все ее параметры постоянны по причине равенства скоростей притока и удаления вещества и энергии.
Таким образом, при стационарном состоянии увеличение энтропии, связанное с процессами усвоения пищи, компенсируется отдачей ее в окружающую среду, а убыль энергии Гиббса восполняется за счет поступления энергии с пищевыми продуктами из окружающей среды. В результате поддерживается постоянство внутренней среды организма, которое в биологии называют гомеостазисом.
В биоэнергетике используются понятия экзергонические и эндергонические процессы. Экзергоническими называют процессы, протекающие в направлении уменьшения энергии Гиббса (G<0). Процессы, протекающие в направлении увеличения энергии Гиббса (G>0) называют эндергоническими.
В живых организмах одновременно протекают как экзергонические (расщепление пищевых веществ), так и эндергонические (синтез высокомолекулярных соединений и макроэргических веществ) процессы, что, на первый взгляд, противоречит второму закону термодинамики. Однако это противоречие кажущееся. Эндергонические процессы протекают не изолированно, а в сопряжении с экзергоническими процессами. Свободная энергия, выделяющаяся при окислении пищевых веществ, используется в процессах синтеза сложных биологических молекул, которые сопровождаются поглощением энергии Гиббса. В результате энергия Гиббса системы в целом не меняется или уменьшается в соответствии со вторым законом термодинамики.
Две реакции, из которых одна возможна лишь при условии протекания другой реакции, называют сопряженными.
Сопряжение между анаболическими (процессы синтеза) и катаболическими (процессы распада) процессами осуществляется за счет общих промежуточных соединений. В ходе экзергонических процессов синтезируются макроэргические вещества, которые обладают большими запасами свободной энергии в подвижной форме. Важнейшими макроэргическими вещества являются АТФ, АДФ, креатинфосфат.
Большинство биохимических процессов в организме осуществляется благодаря сопряжению с процессом окисления глюкозы. Процесс окисления глюкозы сопряжен с синтезом макроэргического вещества – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Образующаяся молекула АТФ содержит макроэргические связи, которые легко расщепляются в результате гидролиза:
Выделяющаяся при гидролизе АТФ свободная энергия обеспечивает протекание сопряженных с ее гидролизом термодинамически невыгодных анаболических процессов.