Биология в 3 томах. Tом 3 - Тейлор Д.
ISBN 5-03-003687-3
Скачать (прямая ссылка):
П. 1.6. Законы термодинамики
Все химические превращения подчиняются законам термодинамики. Первый закон, называемый законом сохранения энергии, гласит, что для любого химического процесса общая энергия системы и ее окружения всегда остается постоянной. Это означает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, так что если какая-либо химическая система приобретает энергию, то такое же количество энергии должно изыматься из ее окружения, и наоборот. Энергия, следовательно, может перераспределяться, переходить в другую форму или претерпевать оба этих превращения, но она не может исчезать.
Из второго закона термодинамики следует, что система и ее окружение, будучи предоставлены самим себе, приближаются обычно к состоянию максимальной неупорядоченности (энтропии). Это значит, что высокоупо-рядоченные системы легко разрушаются, если на поддержание их упорядоченности не затрачивается энергия. Все биологические процессы подчиняются этим двум законам термодинамики и управляются ими.
_Приложения 373
П. 1.6.1. Энергетические соотношения в живых системах
Рассмотрим разложение пероксида водорода на кислород и воду:
2H2O2 r=± 2H2O + O2
Вообще чистый пероксид водорода может существовать в течение длительного времени и заметно не разлагаться. Для того чтобы произошло разложение, его молекулы при столкновении должны иметь энергию, превышающую определенный уровень, называемый энергией активации, Еа. Когда этот активационный барьер достигнут, в молекулах изменяется характер связей и реакция генерирует достаточно энергии для того, чтобы идти спонтанно. Величина энергии активации для разных реагентов различна.
Нагревание — самый простой способ достичь энергии активации; большей части реагентов необходимы гораздо большие количества тепловой энергии, нежели те, какими они обладают при обычных температурах. Так, разложение пероксида водорода уже при 150 °С идет настолько быстро, что реакция становится взрывоподоб-ной. В этой рекации образуются вода и кислород и выделяется энергия. Общее изменение энергии, происходящее в результате реакции, называют изменением свободной энергии (AG). Поскольку данная реакция протекает очень быстро, а ее продукты — вода и кислород — в обычных условиях не соединяются вновь, т. е. обратной реакции не происходит, высвободившаяся энергия фактически теряется — переходит от этой химической системы в окружающую среду. Величина AG является, таким образом, отрицательной (рис. П.1.З.).
Для биологических систем высокие температуры губительны, и здесь их действие заменяется действием ферментов. Выступая в качестве катализаторов, ферменты снижают энергию активации, необходимую данным реагентам, и таким путем обеспечивают более высокие скорости реакций без добавления энергии извне, т. е., в частности, без повышения температуры. В живых системах быстрое разложение пероксида водорода происходит под действием фермента каталазы.
Время H2O + O2
Рис. П. 1.3. Энергия активации.
БОТАНИКА
ММА им. И.М. Сеченова
Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. БИОЛОГИЯ, т. 3
374 Приложения__
П. 1.6.2. Потенциальная энергия
Потенциальная энергия — это та энергия, которой обладает система в силу своего положения и существующих условий. Представим себе шар, неподвижно лежащий у края наклонной плоскости (рис. П. 1.4). Этот шар обладает гравитационной потенциальной энергией, эквивалентной той работе, которую пришлось выполнить, чтобы поместить его в данное место. Если шар скатится вниз, то часть его потенциальной энергии превратится в кинетическую. Когда теперь он остановится внизу, его потенциальная энергия будет меньше, чем она была наверху. Чтобы восстановить потенциальную энергию шара до ее исходного значения, потребуется снова поднять шар наверх за счет энергии, заимствованной из окружения.
Рис. П. 1.4. Потенциальная и кинетическая энергия.
Потенциальную энергию для биологических систем накапливают зеленые растения в процессе фотосинтеза, когда они синтезируют сахара (рис. ПЛ.5.). Во время этого процесса некоторые электроны под действием солнечной энергии переходят на другой, более высокий энергетический уровень, приобретая таким образом потенциальную энергию. Затем, когда при дыхании происходит окисление Сахаров, потенциальная энергия этих электронов используется в различной форме живыми системами.
Свободная энергия, поставляемая эндергоническим реакциям
А
л АДФ + фНх \ АТФ *
А
Дыхание (экзергонический процесс)
А
Сахар
(потенциальная энергия)
Фотосинтез зеленых растений (эндергонический процесс)
А
Солнце
(источник свободной энергии)
Рис. П. 1.5. Поток энергии в биологических системах.
П. 1.7. Хроматография
Хроматография — это метод, применяемый для разделения различных смесей на составляющие их компоненты. Метод основан на том, что в неподвижной среде, через которую протекает растворитель, каждый из компонентов, увлекаемых растворителем, движется со своей собственной скоростью независимо от других. Если, например, смесь пигментов, обусловливающих зеленую окраску растений, растворить в соответствующем растворителе и пропустить через какую-либо неподвижную среду, скажем, молотый мел, то эта смесь разделится на несколько различным образом окрашенных пигментов. Такого рода разделение описано в опыте П. 1.3.
