5806256261

Część III: Termodynamika układów biologicznych

2N₂ + 50₂ + 2H₂0 = 4H⁺ + 4N0₃'

Standardowa zmiana entalpii swobodnej tej reakcji wynosi AG⁰ = +7,7 kJ/mol. Tak więc w warunkach standardowych reakcja ta nie może zachodzić samorzutnie. Jednakże w komórce tych bakterii stężenie jonów azotanowych wynosi ok. 10^-4 M, pH » 7, a ciśnienia parcjalne tlenu i azotu wynoszą odpowiednio 200 i 800 hP. W tych warunkach zmiana entalpii swobodnej wynosi AG = -32,6 kJ/mol. Tak więc reakcja może przebiegać spontanicznie, o ile tylko obecne są odpowiednie katalizatory (enzymy).

Również w przypadku hydrolizy ATP do ADP i fosforanu będącej podstawowym źródłem energii w komórce znaczenie warunków lokalnych jest kluczowe. Standardowa zmiana entalpii swobodnej tej reakcji wynosi AG⁰ = -5,4, kJ/mol. Może więc ona przebiegać samorzutnie jednak nie może być źródłem energii. W warunkach wnętrza komórki zmiana entalpii swobodnej jest prawie 10 razy większa, AG = -47,7 kJ/mol, co uzasadnia znaczenie tej reakcji jako źródła energii.

Termodynamika procesów nieodwracalnych

Klasyczna termodynamika opisuje w pełni jedynie procesy odwracalne, a więc takie, w których dS = 0. Badanie procesów nieodwracalnych, zwłaszcza w układach otwartych, ograniczało się do niedawna do analizy występujących w nich stanów równowagi. Bowiem w stanach równowagi dS = 0. Ponadto, w stanach równowagi nie dochodzi do zmian stężeń lub ilości substancji, a więc w pewnym sensie stan równowagi tworzy układ „zamknięty”.

Układy biologiczne nie znajdują się w stanie równowagi termodynamicznej i są zawsze układami otwartymi:

■ wymieniają materię z otoczeniem

■ produkuj ą entropię

Do układów takich opis klasyczny jest nieprzydatny. Ale nie jest to cecha charakterystyczna układów ożywionych. Również martwe układy znajdujące się z dala od stanu równowagi nie dają się opisać na gruncie termodynamiki klasycznej.

Układy otwarte

Pierwszej udanej próby wyjścia poza opis stanów równowagowych dokonano dla układów otwartych. Rozważmy zmiany entropii w układzie otwartym. Całkowitą szybkość zmian entropii układu dS/dt można opisać równaniem: dS _ dS^ d^ dt dt dt

gdzie: S_c - entropia wymieniana z otoczeniem,

Sj - entropia produkowana przez układ.

Drugi z członów powyższego równania, dSj/dt, opisujący szybkość produkcji entropii w układzie

oznacza się często symbolem a. Wtedy równanie przyjmuje postać:

dS dS.

—■ = —^Ł + a dt dt