sống (kí hiệu là d
t
dSC) và sự thay đổi entropi của môi trường (kí hiệu là d
t
dSm) như thế
nào? Entropi là một hàm trạng thái và có tính chất cộng tính (tức là entropi của hệ bằng
tổng entropi của các thành phần nằm trong hệ) nên sự thay đổi entropi của hệ sẽ được xác
định theo công thức:
d
t
dS
d
t
dS
d
t
dS m
C+= (1.20)
Thành phần d
t
dSC= 0 khi các quá trình diễn ra trong cơ thể sống đều là quá trình thuận
nghịch. Song trên thực tế phần lớn các quá trình diễn ra ở cơ thể sống là những quá trình
bất thuận nghịch, do vậy d
t
dSC>0
Thành phần dt
dSm= 0 khi giữa cơ thể sống và môi trường không xảy ra quá trình trao đổi
vật chất và năng lượng. Điều này không xảy ra vì trái với thực tế. Quá trình trao đổi vật
chất và năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường là quá trình bất thuận nghịch (nhất là
quá trình trao đổi nhiệt) do vậy d
t
dSm>0. Như vậy, khi d
t
dSC>0 và d
t
dSm>0 thì d
t
dS >0.
Điều này là phù hợp với định luật II nhiệt động học.
Trong cơ thể sống xảy ra trường hợp khi quá trình đồng hóa diễn ra với cường độ mạnh
hơn so với quá trình dị hóa thì d
t
dSC<0. Trường hợp này gặp ở quá trình quang hợp của
thực vật, khi đó có d
t
dSC<0. Bù lại, quá trình trao đổi chất giữa thực vật với môi trường
nước, không khí và nhất là sự hấp thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời đã làm tăng
entropi của môi trường lên rất cao nhất là ở trung tâm mặt trời đã xảy ra các phản ứng hạt
nhân để giải phóng năng lượng ánh sáng chiếu xuống trái đất. Các phản ứng hạt nhân bao
giờ cũng có entropi vô cùng lớn. Do vậy, giá trị d
t
dSm sẽ lớn hơn không rất nhiều nên sự
thay đổi entropi của hệ là d
t
dS vẫn lớn hơn không, phù hợp với định luật II nhiệt động
học.
Tóm lại khi áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống thì ta không nên tách
rời cơ thể sống ra khỏi môi trường sống mà phải xem cơ thể sống và môi trường sống là
cùng nằm trong một hệ.
Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống, Schrodinger cho
rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểm này, theo tác giả là cơ thể
sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ
trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn. Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ
thể sống không sử dụng chúng như một nguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên
liệu để xây dựng nên cơ thể sống) mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải
thành chất để tế bào có thể hấp thu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao
(tức entropi thấp) khi được cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có
độ trật tự kém hơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn
không phản ánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật
tự cấu trúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phải
do entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thức ăn để
duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh và hình thành sự
sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tự nhiên đã hình thành
nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi trường sống. Do các nguyên
lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ thể sống thích nghi cả về mặt cấu
trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ không phải hoàn toàn do entropi quyết
định như trong hệ lý hóa.
Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm theo sự thay
đổi của entropi.
Khi xét entropi riêng của một cơ thể sống mà không gắn với entropi của môi trường
sống thì khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xác định nhưng
không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc
hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so với entropi khi ở trạng thái cân
bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợp chất (như quá trình quang hợp ở
thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phân hủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị
nhỏ hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng
tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứng phân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể
sống không vi phạm định luật II nhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không
phải là một hệ cô lập.
XI. Năng lượng tự do
Từ định luật I nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.3) là:
dU = δQ- δA
Từ định luật II nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.14) là:
T
Q
dS δ
=→ δQ = T.dS
Thay δQ = T . dS vào công thức (1.3) ta được:
dU = T . dS - δA → -δA = dU - T . dS (1.21)
Đối với quá trình đẳng nhiệt (là quá trình diễn ra ở nhiệt độ luôn không đổi) ta có thể
viết:
-δA = d(U - T.S) (1.22)
Người ta đặt F = U - T.S và gọi F là năng lượng tự do. Năng lượng tự do là một hàm
trạng thái .
Thay F vào (1. 22) ta được: - dF = δA (1.23)
Dấu trừ thể hiện quá trình sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công. Đối với quá trình
thuận nghịch, năng lượng tự do, được chuyển toàn bộ thành công. Từ vật lí đã xác định
được đối với quá trình đẳng áp (là quá trình diễn ra ở áp suất luôn không đổi) nếu công
sinh ra chỉ để chống lại áp suất bên ngoài thì công được tính theo công thức:
δA = P . dV (1.24)
δA: Công thực hiện
P: Áp suất
dV: Sự thay đổi thể tích
Thay (1.24) vào (1.3) ta có:
dU = δQ - P . dV → δQ = dU + P . dV (1.25)
Đối với quá trình đẳng áp (P=hằng số), công thức (1.25) có thể viết:
δQ = d(U + P . V) (1.26)
Người ta đặt H = U + P . V và gọi H là hàm entanpi. Entanpi là một hàm trạng thái. Công
thức (1.26) có thể viết lại như sau:
δQ = dH (1.27)
Đối với quá trình diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không thay đổi, người ta đưa vào
hàm thế nhiệt động, kí hiệu là Z và được tính theo công thức:
dZ = dH - T . dS (1.28)
Hàm thế nhiệt động của phản ứng được tính theo công thức:
ΔZ = ΔZo + R.T.lnK (1.29)
ΔZo: Thế nhiệt động chuẩn khi phản ứng diễn ra ở nhiệt độ là 25oC.
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ Kelvin (oK)
K: Hệ số cân bằng của phản ứng
Dựa trên nghiên cứu sự phụ thuộc hệ số cân bằng của phản ứng vào nhiệt độ sẽ xác định
được sự thay đổi của entanpi theo công thức:
2
RT
Q
dT
Klnk δ
= (1.30)
→ dT
Klnd
.T.RQ 2
=δ (1.31)
Xác định được δQ, dựa vào công thức (1.27) sẽ tính ra dH.
1. Quá trình hình thành năng lượng tự do trong cơ thể sống
Năng lượng tự do được hình thành trong cơ thể sống là do quá trình phân hủy các chất
dinh dưỡng. Theo Crebs và Gonberg quá trình hình thành năng lượng tự do chia làm 3
giai đoạn chính sau đây:
- Phân hủy các cao phân tử sinh học tới monome (đơn phân tử), như từ Protein tới axit
amin, từ Gluxit tới glucose, từ Lipit tới glixerin và axit béo. Năng lượng tự do được giải
phóng ra ở giai đoạn này chỉ chiếm từ 0,1% đến 0,5% năng lượng dự trữ có trong cao
phân tử.
- Sự chuyển hóa của các monome kể trên tới axit Piruvic và axetyl coenzim A (là axit
Axetic đã hoạt hóa) và một số hợp chất nằm trong chu trình Crebs đã giải phóng ra năng
lượng tự do đạt từ 15% đến 30% năng lượng dự trữ có trong monome.
- Quá trình oxy hóa axetyl coenzim A tới khí CO2 và H2O trong chu trình Crebs, năng
lượng tự do được giải phóng ra đạt từ 70% đến 80% năng lượng dự trữ có trong axetyl
coenzim A. Hay quá trình oxy hóa axit palmatic, năng lượng tự do được giải phóng ra
chiếm 60%.
2. Sử dụng năng lượng tự do của cơ thể sống
- Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để cung cấp nhiệt cho cơ thể (ổn định nhiệt độ
cơ thể vào mùa hè cũng như mùa đông).
- Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công cơ học (co cơ), công thẩm
thấu (hấp thụ hay bài tiết nước và các sản phẩm chất dinh dưỡng), công hô hấp, công điện
(duy trì điện thế tĩnh hay phát xung điện thế hoạt động)...
- Quan trọng hơn cả là cơ thể sống có khả năng tích lũy năng lượng tự do ở dạng các hợp
chất cao năng (ATP). Hợp chất cao năng ATP chính là nguồn năng lượng vạn năng của
mọi cơ thể sống nên được ví là "tiền tệ năng lượng".
3. Trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái cân bằng dừng
Trạng thái cân bằng nhiệt động: Là trạng thái chỉ đặc trưng cho hệ cô lập. Khi hệ ở
trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu và không đổi do
vậy hệ không có khả năng sinh ra công. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có
entropi đạt giá trị cực đại, do vậy hệ có độ mất trật tự cao nhất. Trên thực tế khó bắt gặp
trạng thái cân bằng nhiệt động vì khó tìm thấy hệ cô lập hoàn toàn.
Trạng thái cân bằng dừng: Là trạng thái đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ sinh vật
nói riêng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng thì sự thay đổi năng lượng tự do luôn xảy ra
nhưng với một tốc độ không đổi. Sở dĩ như vậy là do hệ luôn nhận năng lượng tư do từ
bên ngoài qua con đường thức ăn. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng, entropi của hệ đạt
giá trị xác định và nhỏ hơn giá trị cực đại. Cơ thể sống luôn có xu hướng duy trì trạng
thái cân bằng dừng. Ví dụ như ở động vật ổn nhiệt luôn duy trì thân nhiệt ổn định theo
thời gian (ở người là 37oC).
1
Chương 2
ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG SINH VẬT
Động học của các phản ứng sinh vật là nghiên cứu những cơ chế và các
qui luật tiến triển theo thời gian của các phản ứng hóa sinh diễn ra trong
cơ thể sống.
Trong cơ thể sống thường xuyên diễn ra các phản ứng của quá trình trao
đổi chất. Phản ứng diễn ra có thể là phản ứng bậc không, bậc một, bậc 2...,
phản ứng tự xúc tác, phản ứng nối tiếp, phản ứng song song, phản ứng
vòng, phản ứng dây chuyền...Tùy điều kiện ban đầu và với sự tham gia
của chất xúc tác hay chất ức chế mà các phản ứng hóa sinh xảy ra với tốc
độ khác nhau và bằng các con đường khác nhau.
I. Bậc phản ứng và tốc độ phản ứng
Bậc phản ứng: Bậc của phản ứng bằng số lượng các loại phân tử (hay
nguyên tử) tham gia trong một đơn vị cơ bản của chuyển biến hoá học mà
nồng độ hay áp suất của chúng quyết định tốc độ phản ứng. Theo Gunberd
và Vaag thì tốc độc của phản ứng: A = M+ N
Được xác định bằng công thức:
dt
dC
v−= = k . C
v: Tốc độ phản ứng
k: Hằng số tốc độ phản ứng
C: Nồng độ chất A
Dấu trừ thể hiện sự giảm nồng độ chất A theo thời gian diễn ra phản ứng.
Với phản ứng tổng quát: aA + bB = mM + nN
Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức:
v = k. [A]aB]b (2.1)
[A] và [B] là nồng độ chất A và nồng độ chất B còn a và b là các hệ số
của chất A và của chất B còn k là hằng số tốc độ phản ứng.
Bậc của phản ứng (n) là tổng các số mũ của nồng độ các chất ở trong biểu
thức tính tốc độ phản ứng (2.1), tức là n = a + b
Dựa vào đó, người ta chia ra phản ứng bậc một, phản ứng bậc hai, phản
ứng bậc ba.
Ví dụ 1: Phản ứng:N2O = N2 + 1/2 O2 có v = k [N2O]là phản ứng bậc một.