Ενέργεια:η ικανότητα επιτέλεσης έργου. Μορφές ενέργειας. η αιτία εµφάνισης φυσικών, χηµικών βιολογικών φαινοµένων

Transcript

1 Ενέργεια -Μεταβολισµός

2 Ενέργεια:η ικανότητα επιτέλεσης έργου Μορφές ενέργειας η αιτία εµφάνισης φυσικών, χηµικών βιολογικών φαινοµένων ηλιακή, θερµότητα, χηµική, ηλεκτρική, πυρηνική. κινητική η ενέργεια που αφορά τη σχετική κίνηση των σωµάτων παράδειγµα: µπάλα µπιλιάρδου δυναµική η ενέργεια που έχει ένα ακίνητο σώµα λόγω της θέση του ή που έχει υποστεί παραµόρφωση παράδειγµα: νερό σε υδροηλεκτρικό εργοστάσιο

3 Η κινητική ενέργεια που αφορά την τυχαία κίνηση ατόµων λέγεται θερµότητα Στη βιολογία χρησιµοποιείται ο όρος χηµική ενέργειαπου υποδηλώνει τη δυναµική ενέργεια που απελευθερώνεται σε µια χηµική αντίδραση. Τα µόρια κατέχουν ενέργεια εξαιτίας της δοµής τους

4 Θερµοδυναµική: κλάδος της φυσικής που ασχολείται µε την ενέργεια και τις µετατροπές της

5 Οξείδωση-Αναγωγή Στο βιολογικό κόσµο υπάρχει συνεχής ροή ενέργειας. Η ενέργεια που προέρχεται από τον ήλιο (κινητική) δεσµεύεται και µετατρέπεται σε χηµική ενέργεια στους οργανισµούς (δυναµική) Σε µια χηµική αντίδραση γίνεται µεταφορά ενέργειας καθώς δηµιουργούνται νέοι χηµικοί δεσµοί Οξείδωση: απώλεια ηλεκτρονίου από ένα άτοµο Αναγωγή: η πρόσληψη ηλεκτρονίων

6 Πρώτος νόµος θερµοδυναµικήςνόµος ιατήρησης της Ενέργειας Το ολικό ποσό ενέργειας στο σύµπαν είναι σταθερό. Η ενέργεια ούτε δηµιουργείται, ούτε καταστρέφεται, αλλά µόνο µετατρέπεται από µία µορφή σε άλλη παράδειγµα. υδροηλεκτρικό εργοστάσιο: δυναµική ενέργεια του νερού κινητική ενέργεια ηλεκτρική ενέργεια, πράσινα φυτά : ενέργεια του φωτός (κινητική ενέργεια) χηµική ενέργεια στο µόριο της γλυκόζης

7 Κατά τη µετατροπή της ενέργειας από µια µορφή σε άλλη, ένα τµήµα της µετατρέπεται σε µη χρήσιµη µορφή (θερµότητα). Για να παραχθεί έργο από θερµότητα θα πρέπει να υπάρχει διαφορά θερµοκρασίας. Στους ζωντανούς οργανισµούς η µόνη χρήση της θερµότητας είναι η αύξηση της θερµοκρασίας Η απώλεια ενέργειας κατά το µετασχηµατισµό της κάνει το σύµπαν λιγότερο διατεταγµένο (περισσότερο άτακτο) Εντροπία: το µέτρο της αταξίας ενός συστήµατος Η θερµότητα θεωρείται ενέργεια στην πιο αποδιοργανωµένη µορφή που προάγει την αταξία της ύλης.

8 εύτερος νόµος της θερµοδυναµικής: η εντροπία, δηλαδή η αταξίαενός συστήµατος τείνει, αν αφεθεί µόνο του, να αυξηθεί Οργανισµοί: παράβαση του 2ου θερµοδυναµικού νόµου ; Κλειστό σύστηµα: αποµονωµένο σύστηµα θερµικά-δυναµικά Όχι ο νόµος δεν ισχύει για Ανοιχτό σύστηµα που είναι σε αλληλεπίδραση µε το περιβάλλον

9 Η ροή της ενέργειας Περικλής µέσα ρίλλιας στους οργανισµούς

10 Η περίπτωση των βιολογικών συστηµάτων Χηµικοί δεσµοί: αύξηση της τάξης στα µόρια Θερµότητα: αύξηση της αταξίας Ελεύθερη ενέργεια(g): το ποσοστό της ενέργειας ενός συστήµατος που µπορεί να επιτελέσει έργο Αυθόρµητη : κάθε διεργασία που διενεργείται χωρίς προσθήκη ενέργειας Μη αυθόρµητη: κάθε διεργασία που δεν µπορεί να διενεργηθεί µόνη της Περισσότερη ελεύθερη ενέργεια λιγότερη σταθερότητα

11 Ελεύθερη ενέργεια G: Το ποσοστό της ενέργειας ενός συστήµατος που µπορεί να επιτελέσει έργο όταν η θερµοκρασία και ή πίεση είναι σταθερή σε όλη την έκταση του (π.χ. ζωντανό κύτταρο) Μεταβολή ελεύθερης ενέργειας= ελεύθερη ενέργεια προϊόντων- ελεύθερη ενέργεια αντιδρώντων G= Η- TS Η: η συνολική ενέργεια του συστήµατος. Η χηµική ενέργεια των δεσµών (ενθαλπία) S: χηµική ενέργεια που µετατρέπεται σε θερµότητα (εντροπία) Τ: απόλυτη θερµοκρασία

12 Με βάση τις µεταβολές στην ελεύθερη ενέργεια οι αντιδράσεις ταξινοµούνται σε: Εξεργονικές (εξώθερµες) Ενδεργονικές (ενδόθερµες) πραγµατοποιούνται µε απελευθέρωση ελεύθερης ενέργειας αυθόρµητες πραγµατοποιούνται µε απορρόφηση ελεύθερης ενέργειας µη αυθόρµητες

13 Αναλυτικότερα όταν: G < 0 Περισσότερη ελεύθερη ενέργεια στα αντιδρώντα Λιγότερη σταθερότητα Μεγαλύτερη ικανότητα παραγωγής έργου ιενέργεια αυθόρµητης µεταβολής Η ελεύθερη ενέργεια των προϊόντων είναι µικρότερη Περισσότερη σταθερότητα Μικρότερη ικανότητα παραγωγής έργου Campbell Reece, Βιολογία, τόµος I

14 Συµπερασµατικά G<0 ελεύθερη ενέργεια προϊόντων µικρότερη από των αντιδρώντων: εξεργονικές αντιδράσεις αυθόρµητες, απελευθέρωση θερµότητας εξώθερµες παράδειγµα: διάσπαση της γλυκόζης G>0 ελεύθερη ενέργεια προϊόντων µεγαλύτερη από των αντιδρώντων:µη αυθόρµητες αντιδράσεις (ενδεργονικές= απαιτούν ενέργεια-ενδόθερµες

15 Cambpell Reeece, Βιολογία, τόµος I Ενεργειακά διαγράµµατα εξεργονικών και ενδεργονικών αντιδράσεων

16 Ενεργειακά διαγράµµατα εξεργονικών και ενδεργονικών αντιδράσεων Cambpell Reeece, Βιολογία, τόµος I

17 Μορφές κυτταρικού έργου Χηµικό έργο: παρέχεται ενέργεια στις ενδόθερµες αντιδράσεις που δεν µπορούν να γίνουν αυθόρµητα(παράδειγµα σύνθεση πολυµερών) Μεταφορικό έργο: παρέχεται ενέργεια για τη µεταφορά ουσιών διαµέσου της πλασµατικής µεµβράνης αντίθετα προς την κατεύθυνση της αυθόρµητης κίνησης τους (παράδειγµα αντλία Κ + -Να + ) Μηχανικό έργο: παρέχεται ενέργεια σε λειτουργίες όπως η συστολή µυϊκών κυττάρων, η κίνηση µαστιγίων, η κίνηση χρωµοσωµάτων κ.α Η διαχείριση της ενέργειας από τα κύτταρα για την επιτέλεση των παραπάνω µορφών έργου είναι η σύζευξη ΕΞΕΡΓΟΝΙΚΏΝ- ΕΝ ΕΡΓΟΝΙΚΏΝ αντιδράσεων µέσω ATP

18 Campbell Reece, Βιολογία, τόµος I Η δοµή της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ)

19 Υδρόλυση ΑΤΡ Campbell Reece, Βιολογία, τόµος I ATP + H 2 O ADP + Ρ i, G= -7,3 Kcal/mole

20 αναγέννηση- υδρόλυση ATP ATP/sec

21 Μεταβολισµός Το σύνολο των χηµικών αντιδράσεων του οργανισµού Καταβολισµός Αναβολισµός ιάσπαση χηµικών ενώσεων Σύνθεση χηµικών ενώσεων Απελευθέρωση ενέργειας (εξεργονικές αντιδράσεις) Απαίτηση ενέργειας (ενδεργονικές αντιδράσεις)