BİYOLOJİK TERMODİNAMİK

Biyolojik termodinamik , canlı organizmalar , yapılar ve hücreler arasında veya arasında meydana gelen enerji transdüksiyonlarının ve bu transdüksiyonların altında yatan kimyasal proseslerin doğası ve fonksiyonunun nicel çalışmasıdır . Biyolojik termodinamik, belirli bir fenotipik özellik ile ilişkili faydanın ihtiyaç duyduğu enerji yatırımına değip değmediği sorusunu ele alabilir .

TARİHÇE

Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyacı Hans Krebs’in 1957 tarihli Yaşayan Maddede Enerji Dönüşümleri ( Hans Kornberg ile yazılmış) ^[1] biyokimyasal reaksiyonların termodinamiği üzerine ilk büyük yayın oldu. Ek olarak, ekte, Kenneth Burton tarafından yazılan ve henüz oluşmamış biyokimyasal reaksiyonları hesaplayabilen kimyasal türler için denge sabitlerini ve Gibbs serbest oluşum enerjisini içeren ilk yayınlanan termodinamik tablolar vardı.

Biyolojik organizmaların düzensizlikten nasıl gelişebileceğini açıklamak için denge dışı termodinamik uygulanmıştır. Ilya Prigogine , bu tür sistemlerin termodinamik tedavisi için yöntemler geliştirdi. Bu sistemleri enerji tüketen sistemler olarak adlandırdı , çünkü bunlar, sistem ve çevresi arasında enerji alışverişi yapan enerji tüketen süreçler tarafından oluşturulmuş ve korunuyor ve bu değişim durursa ortadan kayboluyorlar. Çevreleriyle ortak yaşam içinde yaşadıkları söylenebilir. Biyolojideki enerji dönüşümleri öncelikle fotosenteze bağlıdır . Güneş ışınlarından yeşil bitkilerde fotosentez tarafından yakalanan toplam enerji yılda yaklaşık 2 x 10 ²³ jul enerjidir. ^[2]Yeşil bitkilerde fotosentezle yakalanan yıllık enerji , Dünya’ya ulaşan toplam güneş ışığının yaklaşık% 4’üdür. Hidrotermal menfezleri çevreleyen biyolojik topluluklardaki enerji dönüşümleri istisnadır; enerjisini fotosentez yerine kemosentez yoluyla elde ederek sülfürü oksitlerler .

TERMODİNAMİĞİN BİYOLOJİDE ODAĞI

Biyolojik termodinamiğin alan ilkeleri kimyasal termodinamik içinde biyoloji ve biyokimya üzerine odaklanmıştır. Örtülü İlkeler dahil termodinamiğin birinci yasasını , termodinamiğin ikinci kanunu , Gibbs serbest enerjisi , istatistik termodinamik, reaksiyon kinetiği ve hayatın kökeni hipotezler üzerinde. Günümüzde biyolojik termodinamik, iç biyokimyasal dinamiklerin incelenmesi ile ilgilenmektedir: ATP hidrolizi, protein stabilitesi, DNA bağlanması, membran difüzyonu, enzim kinetiği, ^[3]ve diğer gerekli enerji kontrollü yollar. Termodinamik açısından, bir kimyasal reaksiyon sırasında iş yapabilen enerji miktarı, Gibbs serbest enerjisindeki değişiklik ile nicel olarak ölçülür . Fiziksel biyolog Alfred Lotka , Gibbs serbest enerjisindeki değişimi evrim teorisi ile birleştirmeye çalıştı.

Biyolojik sistemlerde enerji dönüşümü

Güneş, canlı organizmalar için birincil enerji kaynağıdır. Bitkiler gibi bazı canlı organizmalar doğrudan güneş ışığına ihtiyaç duyarken, insanlar gibi diğer organizmalar dolaylı olarak güneşten enerji alabilirler. ^[4] bazı bakteriler göllerde buz kalın katmanları altında mavi-yeşil yosunlar ile kanıtlandığı üzere Antarktika gibi sert ortamlarda başarılı olabilir, ancak bir kanıt yoktur. Yaşayan türlerin türü ne olursa olsun, tüm canlı organizmalar yaşamak için enerjiyi yakalamalı, üretmeli, depolamalı ve kullanmalıdır.

Gelen güneş ışığının enerjisi ile dalga boyu $λ$ veya frekans $ν$ arasındaki ilişki ,

E = {\ frac {hc} {\ lambda}} = h \ nu,

burada h , Planck sabiti (6.63×10 ⁻³⁴ Js) ve c , ışık hızıdır (2.998×10 ⁸ m / s). Bitkiler bu enerjiyi güneş ışığından yakalar ve fotosentez geçirerek güneş enerjisini etkili bir şekilde kimyasal enerjiye dönüştürür. Enerjiyi bir kez daha transfer etmek için hayvanlar bitkilerle beslenecek ve biyolojik makromoleküller oluşturmak için sindirilmiş bitki materyallerinin enerjisini kullanacaklar.

Termodinamik Evrim Teorisi

Biyolojik evrim bir termodinamik teori ile açıklanabilir. Termodinamiğin dört kanunu, evrimin arkasındaki biyolojik teoriyi çerçevelemek için kullanılır. Termodinamiğin birinci yasası enerji oluşturulan veya yok edilemez belirtiyor. Hiçbir yaşam enerji yaratamaz, ancak onu çevreden elde etmek zorundadır. Termodinamiğin ikinci yasası enerji dönüştürülebilir devletler ve bu yaşam formlarının içinde her gün ortaya çıkar. Organizmalar çevrelerinden enerji aldıklarında onu faydalı enerjiye dönüştürebilirler. Bu tropik dinamiklerin temelidir.

Genel örnek, açık sistemin enerjinin yayılımını en üst düzeye çıkarmaya doğru hareket eden herhangi bir ekosistem olarak tanımlanabilmesidir. Her şey , biyoçeşitliliği artırmak için DNA’daki değişikliklerde meydana gelen, evrim açısından maksimum entropi üretimine çabalamaktadır . Böylece, çeşitlilik termodinamiğin ikinci yasası ile ilişkilendirilebilir. Çeşitliliğin entropiyi en üst düzeye çıkarmak için dinamik bir dengeye doğru yayılan bir difüzyon işlemi olduğu da iddia edilebilir. Bu nedenle, termodinamik, evrimin yönünü ve hızını ve ardıllık yönünü ve hızını açıklayabilir. ^[5]

ÖRNEKLER

Termodinamiğin Birinci Yasası

Termodinamiğin Birinci Yasası, enerjinin korunmasının bir ifadesidir; bir formdan diğerine değiştirilebilse de, enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir. ^[6] Birinci yasadan Hess Yasası adı verilen bir ilke ortaya çıkar. Hess Yasası, belirli bir reaksiyonda emilen veya gelişen ısının daima reaksiyonun gerçekleşme biçiminden sürekli ve bağımsız olması gerektiğini belirtir. Bazı ara reaksiyonlar endotermik ve diğerleri ekzotermik olabilse de, toplam ısı değişimi, işlem doğrudan gerçekleşmişse ısı değişimine eşittir. Bu prensip kalorimetrenin temelidir, bir kimyasal reaksiyondaki ısı miktarını belirlemek için kullanılan bir cihazdır. Gelen tüm enerji vücuda yiyecek olarak girdiğinden ve nihayetinde oksitlendiğinden, toplam ısı üretimi, bir kalorimetrede gıdanın oksidasyonu ile üretilen ısıyı ölçerek tahmin edilebilir. Bu ısı, beslenme etiketlerinde bulunan yaygın gıda enerjisi birimi olan kilokalori cinsinden ifade edilir. ^[7]

Termodinamiğin İkinci Kanunu

Termodinamiğin İkinci Kanunu öncelikle verilen bir sürecin mümkün olup olmadığı ile ilgilidir. İkinci Kanun, evrenin entropisinde bir artışa eşlik etmedikçe hiçbir doğal sürecin gerçekleşemeyeceğini belirtir. ^[8] Başka bir deyişle, izole edilmiş bir sistem her zaman düzensizlik eğilimi gösterecektir. Yaşayan organizmaların, yanlışlıkla örgütlenme seviyelerini arttırabildikleri için, İkinci Yasa’ya aykırı olduklarına inanılmaktadır. Bu yanlış yorumlamayı düzeltmek için, sadece sistemlerin ve sınırların tanımına atıfta bulunulmalıdır.. Canlı bir organizma, hem madde hem de enerjiyi çevresiyle değiştirebilen açık bir sistemdir. Örneğin, bir insan yiyecekleri alır, bileşenlerine ayırır ve daha sonra bunları hücreler, dokular, bağlar vb. Oluşturmak için kullanır. Bu işlem vücuttaki düzeni arttırır ve böylece entropiyi azaltır. Bununla birlikte, insanlar da 1) temas ettikleri kıyafetlere ve diğer nesnelere ısı iletir, 2) vücut sıcaklığı ve çevre farklılıkları nedeniyle konveksiyon üretir, 3) ısıyı uzaya yayır, 4) enerji içeren maddeleri tüketir (yani ve 5) atıkları ortadan kaldırır (örn. karbondioksit, su ve diğer nefes, idrar, dışkı, ter vb.). Tüm bu süreçler göz önüne alındığında, daha büyük sistemin (yani insan ve çevresi) toplam entropisi artar. İnsan yaşamayı bıraktığında,

Gibbs Serbest Enerjisi

Biyolojik sistemlerde, genel olarak enerji ve entropi birlikte değişir. Bu nedenle, bu değişiklikleri aynı anda açıklayan bir durum işlevi tanımlamak gerekir. Bu durum fonksiyonu Gibbs Serbest Enerji, olan G .

G = H – TS

nerede:

H olan entalpisi (SI birim: jul)
T bir sıcaklık (SI birim: Kelvin )
S olan entropi (: jul başına kelvin SI birim)

Gibbs Serbest Enerjisindeki değişiklik, belirli bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden oluşup oluşmayacağını belirlemek için kullanılabilir. Eğer ∆ G negatifse, reaksiyon kendiliğinden ortaya çıkabilir . Benzer şekilde, eğer ∆ G pozitif ise, reaksiyon spontan değildir. ^{[9] Ara} kimyasalları paylaşırlarsa kimyasal reaksiyonlar birlikte “birleştirilebilir”. Bu durumda, toplam Gibbs Serbest Enerji değişikliği, her bir reaksiyon için ∆G değerlerinin toplamıdır. Bu nedenle, uygun olmayan bir tepki (pozitif Δ G ₁) (negatif Δ ikinci, son derece olumlu reaksiyon ile tahrik edilebilir G₂ burada Ô büyüklüğü G ₂ > Δ büyüklüğü G₁ ). Örneğin, glukozun fruktoz ile sükroz oluşturmak üzere reaksiyonu, ∆G değerinin +5.5 kcal/mol’e sahiptir. Bu nedenle, bu reaksiyon kendiliğinden gerçekleşmeyecektir. ATP’nin ADP ve inorganik fosfat oluşturmak üzere parçalanması, -7.3 kcal / mol’lük bir ∆ G değerine sahiptir. Bu iki reaksiyon birbirine bağlanabilir, böylece glikoz ATP ile glikoz-1-fosfat ve ADP oluşturmak üzere bağlanır. Glikoz-1-fosfat daha sonra fruktoz veren sakaroz ve inorganik fosfat ile bağlanabilir. Birleştirilmiş reaksiyonun ∆ G değeri -1.8 kcal/mol’dür, bu reaksiyonun kendiliğinden gerçekleşeceğini gösterir. Gibbs Serbest Enerjisindeki değişimi değiştirmek için reaksiyonları birleştirme prensibi, biyolojik organizmalardaki tüm enzimatik etkilerin arkasındaki temel prensiptir. ^[10]

KAYNAKÇA

Alberty R (2004). “Enzim katalizli reaksiyonların termodinamiğinin kısa bir tarihi” . J Biol Chem . 279 (27): 27831-6. doi : 10.1074 / jbc.X400003200 . PMID 15073189 .
Akihiko Ito ve Takehisa Oikawa. “Karasal Birincil Verimlilik ve Süreç Tabanlı Modelle Hafif Kullanım Verimliliğinin Küresel Haritalandırılması”. M. Shiyomi’de; vd. (Eds.). Denizde ve Karada Küresel Çevre Değişimi (PDF) . sayfa 343-358.
MJ Farabee. “Reaksiyonlar ve Enzimler”. On-Line Biyoloji Kitabı . Estrella Dağ Topluluğu Koleji. Arşivlenmiş orijinal 2012-12-28 tarihinde . Erişim tarihi: 2006-09-26 .
Haynie, Donald T. (2001). Biyolojik Termodinamik . Cambridge Üniversitesi Yayınları. s. 1 -16.
Skene, Keith (31 Temmuz 2015). “Hayat Bir Gaz: Termodinamik Biyolojik Evrim Teorisi” . Entropi . 17 (12): 5522-5548. doi : 10.3390 / e17085522 . S2CID 2831061 .
Haynie, Donald T. (2001). Biyolojik Termodinamik . Cambridge UP. ISBN 9780521795494.
Stacy, Ralph W., David T. Williams, Ralph E. Worden ve Rex O. McMorris. Biyolojik ve Tıbbi Fiziğin Temelleri. New York: McGraw-Hill Kitabı, 1955. Yazdırın.
Haynie, Donald T. Biyolojik Termodinamik. Cambridge: Cambridge UP, 2001. Yazdırın.
Bergethon, PR Biyokimyanın Fiziksel Temelleri: Moleküler Biyofiziğin Temelleri. New York: Springer, 1998. Yazdır.
Alberts, Bruce. Temel Hücre Biyolojisi. New York: Garland Science, 2009. Yazdır.

[1] Alberty R (2004). “Enzim katalizli reaksiyonların termodinamiğinin kısa bir tarihi” . J Biol Chem . 279 (27): 27831-6. doi : 10.1074 / jbc.X400003200 . PMID 15073189 .

[2] Akihiko Ito ve Takehisa Oikawa. “Karasal Birincil Verimlilik ve Süreç Tabanlı Modelle Hafif Kullanım Verimliliğinin Küresel Haritalandırılması”. M. Shiyomi’de; vd. (Eds.). Denizde ve Karada Küresel Çevre Değişimi (PDF) . sayfa 343-358.

[3] MJ Farabee. “Reaksiyonlar ve Enzimler”. On-Line Biyoloji Kitabı . Estrella Dağ Topluluğu Koleji. Arşivlenmiş orijinal 2012-12-28 tarihinde . Erişim tarihi: 2006-09-26 .

[4] Haynie, Donald T. (2001). Biyolojik Termodinamik . Cambridge Üniversitesi Yayınları. s. 1 -16.

[5] Skene, Keith (31 Temmuz 2015). “Hayat Bir Gaz: Termodinamik Biyolojik Evrim Teorisi” . Entropi . 17 (12): 5522-5548. doi : 10.3390 / e17085522 . S2CID 2831061 .

[6] Haynie, Donald T. (2001). Biyolojik Termodinamik . Cambridge UP. ISBN 9780521795494.

[7] Stacy, Ralph W., David T. Williams, Ralph E. Worden ve Rex O. McMorris. Biyolojik ve Tıbbi Fiziğin Temelleri. New York: McGraw-Hill Kitabı, 1955. Yazdırın.

[8] Haynie, Donald T. Biyolojik Termodinamik. Cambridge: Cambridge UP, 2001. Yazdırın.

[9] Bergethon, PR Biyokimyanın Fiziksel Temelleri: Moleküler Biyofiziğin Temelleri. New York: Springer, 1998. Yazdır.

[10] Alberts, Bruce. Temel Hücre Biyolojisi. New York: Garland Science, 2009. Yazdır.