معلومة

5.1: القليل جدًا من الديناميكا الحرارية - علم الأحياء

5.1: القليل جدًا من الديناميكا الحرارية - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

في حين أن تنوع الكائنات الحية والخصائص الفريدة لكل كائن حي هي نتاج العمليات التطورية ، التي بدأت منذ مليارات السنين ، فمن المهم بنفس القدر إدراك أن جميع النظم والعمليات البيولوجية ، من النمو وانقسام الخلايا إلى الأفكار والمشاعر ، تخضع قواعد الكيمياء والفيزياء ، وعلى وجه الخصوص قوانين الديناميكا الحرارية. لذا ، قبل أن نواصل ، نكون واضحين بشأن ما يعنيه ذلك ويشير إليه عندما نقول إن النظام في حالة توازن مقابل أن يكون في حالة عدم توازن ملزم.

لفهم معنى التوازن الديناميكي الحراري ، علينا أن نتعلم رؤية العالم بشكل مختلف ، وأن نتعلم معاني جديدة لعدد من الكلمات. أولاً ، علينا أن نوضح التمييز بين العالم العياني الذي ندركه بشكل مباشر والعالم الجزيئي شبه المجهري الذي يمكننا فهمه بناءً على الملاحظات والاستنتاجات العلمية - هذا العالم الجزيئي له أهمية خاصة في سياق الأنظمة البيولوجية . يتصرف العالمان العياني والجزيئي بشكل مختلف تمامًا. لتوضيح هذه النقطة ، سنستخدم نموذجًا أبسط يعرض السلوكيات الأساسية التي نريد وضعها في الاعتبار ولكنه ليس معقدًا مثل النظام البيولوجي. في حالتنا هذه ، دعونا نفكر في غرفة صغيرة معزولة جيدًا ومليئة بالهواء بها طاولة بها شريط من الذهب - نستخدم الذهب لأنه خامل كيميائيًا إلى حد ما ، أي غير متفاعل. فالقضبان الحديدية ، على سبيل المثال ، يمكن أن تصدأ ، مما يعقد الأمور. في نموذجنا ، تكون الغرفة مبدئيًا عند 70 درجة فهرنهايت (~ 21 درجة مئوية) وشريط الذهب عند 200 درجة مئوية. ماذا سيحدث؟ هل يمكنك إنشاء رسم بياني يصف كيف سيتصرف النظام بمرور الوقت؟ مهمتنا الأولى هي تحديد النظام - أي الجزء من الكون الذي نهتم به. يمكننا تعريف النظام على أنه سبيكة الذهب أو الغرفة التي بها سبيكة الذهب. لاحظ ، نحن لسنا مهتمين حقًا بكيفية ظهور النظام على ما هو عليه ، وتاريخه. يمكننا ، إذا أردنا ، أن نثبت بشكل مقنع تمامًا أن تاريخ النظام لن يكون له أي تأثير على سلوكه المستقبلي - وهذا فرق حاسم بين النظم البيولوجية والكيميائية الفيزيائية البسيطة. في الوقت الحالي ، سوف نستخدم الغرفة المعزولة كنظام ، لكن هذا لا يهم حقًا طالما أننا نحدد بوضوح ما نعتبره النظام.

يخبرنا الفطرة السليمة أنه سيتم نقل الطاقة من سبيكة الذهب وبقية الغرفة وأن درجة حرارة سبيكة الذهب ستنخفض بمرور الوقت ؛ سلوك النظام له اتجاه زمني. لماذا تعتقد ذلك؟ لماذا لا ترتفع درجة حرارة البار الساخن وتصبح الغرفة أكثر برودة؟ سنعود إلى هذا السؤال بعد قليل. ما قد لا يكون واضحًا تمامًا هو أن درجة حرارة الغرفة سترتفع قليلاً أيضًا. في النهاية ستصل كتلة الذهب والغرفة إلى نفس درجة الحرارة وسيقال إن النظام في حالة توازن.

تذكر أننا عرّفنا النظام على أنه منعزل عن بقية الكون ، لكن ماذا يعني ذلك؟ في الأساس ، بغض النظر عن أي مادة أو طاقة تمر إلى الغرفة أو خارجها - يُقال إن مثل هذا النظام هو نظام مغلق. لأنه نظام مغلق ، بمجرد أن يصل النظام إلى درجة حرارته النهائية ، NºC ، لن يحدث أي تغيير عياني آخر. هذا لا يعني ، مع ذلك ، أنه لا شيء يحدث. إذا تمكنا من النظر إلى المستوى الجزيئي ، فسنرى أن جزيئات الهواء تتحرك ، وتتصادم باستمرار مع بعضها البعض ، وبجزيئات داخل الشريط والطاولة. تهتز الجزيئات الموجودة داخل الشريط والطاولة أيضًا. يمكن أن تغير هذه الاصطدامات سرعات تصادم الجزيئات. (ماذا يحدث إذا لم يكن هناك هواء في الغرفة؟ كيف سيغير هذا الرسم البياني الخاص بك لسلوك النظام؟) سرعة هذه الحركات الجزيئية هي دالة لدرجة الحرارة ، فكلما ارتفعت (أو انخفضت) درجة الحرارة ، زادت سرعة ( أو أبطأ) ستكون هذه الحركات. كما سننظر في المزيد ، كل الجزيئات في النظام لديها طاقة حركية ، وهي طاقة الحركة. من خلال تفاعلاتها ، ستتغير الطاقة الحركية لأي جزيء معين باستمرار. على المستوى الجزيئي ، يكون النظام ديناميكيًا ، على الرغم من أنه ثابت على المستوى المجهري. سنعود إلى هذه الرؤية مرارًا وتكرارًا في اعتباراتنا للأنظمة البيولوجية.

وهذا هو المهم بالنسبة لنظام في حالة توازن: إنه ثابت. حتى على المستوى الجزيئي ، بينما لا تزال هناك حركة ، لا يوجد تغيير صاف. طاقة الجزيئين المتصادمين هي نفسها بعد الاصطدام كما كانت من قبل ، على الرغم من أن الطاقة قد يتم توزيعها بشكل مختلف بين الجزيئات المتصادمة. لا يستطيع النظام ككل فعل أي شيء. من الناحية المادية ، لا يمكنها القيام بأي عمل - لا يمكن إجراء تغييرات عيانية. هذه فكرة غريبة ، لأن الأشياء (على المستوى الجزيئي) لا تزال تتحرك. لذا ، إذا عدنا إلى الأنظمة الحية ، والتي من الواضح أنها قادرة على القيام بالكثير من الأشياء ، بما في ذلك التحرك بشكل مجهري ، والنمو ، والتفكير ، وما إلى ذلك ، فمن الواضح أنها لا يمكن أن تكون في حالة توازن.

يمكننا أن نسأل ، ما هو الضروري لمنع النظام من الوصول إلى التوازن؟ الجواب الأكثر وضوحًا (نعتقد) هو أنه على عكس نظام الغرفة التخيلية المغلقة ، يجب أن يكون نظام عدم التوازن مفتوحًا ، أي يجب أن تكون الطاقة والمادة قادرين على الدخول والخروج منه. لم يعد النظام المفتوح معزولاً عن بقية الكون ، إنه جزء منه. على سبيل المثال ، يمكننا تخيل نظام تستطيع فيه الطاقة ، على شكل إشعاع ، الدخول إلى غرفتنا ومغادرتها. يمكننا الحفاظ على اختلاف في درجة الحرارة بين البار والغرفة عن طريق إضاءة الشريط وإزالة الحرارة من الغرفة ككل. يمكن أن ينتج عن اختلاف درجة الحرارة بين العارضة والغرفة (نظريًا) ما يُعرف بالمحرك الحراري ، والذي يمكنه القيام بعمل (أي ينتج تغييرًا عيانيًا.) طالما أننا نستمر في تسخين كتلة واحدة وإزالة الحرارة من بقية النظام ، يمكننا الاستمرار في القيام بالعمل ، أي التغييرات التي يمكن ملاحظتها بالعين المجردة يمكن أن تحدث.

Cryptobiosis: في هذه المرحلة ، وصفنا الكائنات الحية بأنها أنظمة ديناميكية ومفتوحة وغير متوازنة. من الاستثناءات الواضحة للجانب الديناميكي للحياة الكائنات الحية التي تظهر تكيفًا ظاهريًا خاصًا إلى حد ما ، يُعرف عمومًا باسم cryptobiosis. الكائنات الحية ، مثل بطيئات المشية (أو دب الماء) ، يمكن تجميدها وتجفيفها واستمرارها في حالة تعليق الحركة لعقود. ومع ذلك ، فإن ما يجب ملاحظته هو أنه عندما لا يكون الكائن الحي في حالة التشفير الحيوي هذه في حالة توازن ، بنفس الطريقة التي لا تكون بها قطعة الخشب في الهواء في حالة توازن ، ولكنها قادرة على التفاعل. يمكن إنعاش الكائن الحي عند إعادته إلى الظروف الطبيعية147. Cryptobiosis هو تكيف قائم على الجينات يأخذ الطاقة للإنتاج وتستخدم الطاقة للخروج من الركود. في حين أن سلوك بطيئات المشية متطرف ، فإن العديد من الكائنات الحية تعرض مجموعة من السلوكيات التكيفية التي تمكنها من البقاء على قيد الحياة في ظروف بيئية معادية.


5. الديناميكا الحرارية¶

نشأت الميكانيكا الإحصائية من مجال سابق يسمى الديناميكا الحرارية ، والذي كان يهتم بالخصائص الحرارية للسوائل والغازات. نشأ حولها ، ثم صنفها. ما نسميه الآن & # 8220classical Thermodynamics & # 8221 تم تطويره على مدى عدة مئات من السنين ، ولكن تم إنجاز الكثير من أهم الأعمال في غضون بضعة عقود فقط من عشرينيات القرن التاسع عشر وحتى خمسينيات القرن التاسع عشر. ليس من قبيل المصادفة على الإطلاق ، بالطبع ، أن تزامن هذا الاندفاع في النشاط مع الثورة الصناعية وتطور القاطرة. تم تطوير الديناميكا الحرارية الكلاسيكية إلى حد كبير من قبل الأشخاص الذين أرادوا تعلم كيفية صنع محركات بخارية أفضل.

لقد قطعت الميكانيكا الإحصائية شوطًا طويلاً من هذه البدايات المتواضعة ، لكن الديناميكا الحرارية لا تزال مجالًا مهمًا في حد ذاتها. سأناقش في هذا الفصل بعض أهم نتائج الديناميكا الحرارية الكلاسيكية من وجهة نظر إحصائية حديثة.


4.1 الطاقة والتمثيل الغذائي

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لوصف مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 4.2) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا. تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد مواردها من الطاقة ، يجب أن تحصل الخلايا باستمرار على المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. معًا ، يُشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تستهلك أو تولد الطاقة ، باسم التمثيل الغذائي للخلية.

المسارات الأيضية

ضع في اعتبارك عملية التمثيل الغذائي للسكر. هذا مثال كلاسيكي لواحدة من العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكريات كمصدر رئيسي للطاقة ، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة في روابطها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تنتج الكائنات الحية مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر (مثل الجلوكوز: ج6ح12ا6). يستهلكون ثاني أكسيد الكربون وينتجون الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:

نظرًا لأن هذه العملية تنطوي على توليف جزيء لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا. أثناء التفاعلات الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة بواسطة جزيء يسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. في المقابل ، يتم استهلاك جزيئات تخزين الطاقة مثل الجلوكوز فقط ليتم تفتيتها لاستخدام طاقتها. يمكن تلخيص التفاعل الذي يحصد طاقة جزيء السكر في الخلايا التي تتطلب الأكسجين للبقاء على قيد الحياة من خلال رد الفعل العكسي لعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل ، يتم استهلاك الأكسجين ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل على النحو التالي:

كل من ردود الفعل هذه تنطوي على العديد من الخطوات.

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر مثالين على مسارات التمثيل الغذائي. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تأخذ جزيء البدء وتعديله ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية ، مما ينتج عنه في النهاية منتج نهائي. في مثال استقلاب السكر ، أول مسار استقلابي يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب طاقة والثانية منتجة للطاقة - بالمسارات الابتنائية (بناء البوليمرات) والمسارات التقويضية (تحطيم البوليمرات إلى مونومراتها) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من التوليف (الابتنائية) والتدهور (الهدم) (الشكل 4.3).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث من تلقاء نفسها. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.

طاقة

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. تسمى المسألة ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام ، ويطلق على كل شيء خارج هذه المادة اسم البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. في النظام المفتوح ، يمكن تبادل الطاقة مع محيطها. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. لا يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة مع محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم حيث يستخدمون الطاقة من الشمس لإجراء عملية التمثيل الضوئي أو استهلاك جزيئات تخزين الطاقة وإطلاق الطاقة إلى البيئة عن طريق القيام بالعمل وإطلاق الحرارة. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة للقوانين الفيزيائية. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

بشكل عام ، تُعرَّف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل ، أو إحداث نوع من التغيير. الطاقة موجودة في أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، تعد الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية أنواعًا مختلفة من الطاقة. لتقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل وخارج الأنظمة البيولوجية ، من المهم أن نفهم اثنين من القوانين الفيزيائية التي تحكم الطاقة.

الديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة ومحفوظة. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 4.2). تظهر بعض الأمثلة على تحولات الطاقة في الشكل 4.4.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي. يتم نقل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون وتحويلها من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة.

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لأداء العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. جميع عمليات نقل وتحولات الطاقة ليست فعالة تمامًا أبدًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا تعمل. على سبيل المثال ، عند تشغيل المصباح الكهربائي ، يتم فقدان بعض الطاقة التي يتم تحويلها من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية كطاقة حرارية. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي.

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى. كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا العالية تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة. الجزيئات والتفاعلات الكيميائية لها إنتروبيا متفاوتة أيضًا. على سبيل المثال ، تزداد الإنتروبيا عندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة ستُفقد دائمًا عند نقل الحرارة أو تحويلها.

يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة يتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا.

الطاقة الكامنة والحركية

عندما يكون جسم ما في حالة حركة ، هناك طاقة مرتبطة بذلك الجسم. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تسبب قدرًا كبيرًا من الضرر للأشياء الأخرى. الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة تسمى الطاقة الحركية (الشكل 4.5). الرصاصة المسرعة ، والشخص الذي يمشي ، والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) كلها لها طاقة حركية.

الآن ماذا لو رفعت كرة التحطيم نفسها طابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة ثابتة ، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب نعم. الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المدمرة لم تختف ، لكنها مخزنة الآن في كرة التحطيم بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل 4.5). إذا سقطت الكرة ، فإن الطاقة الكامنة ستتحول إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح الكرات المدمرة أيضًا مثل البندول من خلال التأرجح ، فهناك تغير مستمر في الطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من التأرجح) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من التأرجح). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة الماء الموجودة خلف السد أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

لا ترتبط الطاقة الكامنة بموقع المادة فحسب ، بل ترتبط أيضًا ببنية المادة. حتى الزنبرك الموجود على الأرض لديه طاقة كامنة إذا تم ضغطه ، وكذلك الشريط المطاطي المشدود. على المستوى الجزيئي ، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة لها طاقة كامنة. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتصنيع جزيئات معقدة من جزيئات أبسط وأن المسارات التقويضية تطلق الطاقة عند تكسير الجزيئات المعقدة. حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها من خلال انهيار روابط كيميائية معينة تعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، والتي يتم تسخيرها في النهاية للاستخدام. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يُطلق على نوع الطاقة الكامنة الموجودة داخل الروابط الكيميائية ، والتي يتم إطلاقها عندما تنكسر تلك الروابط ، الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.

المفاهيم في العمل

قم بزيارة الموقع وحدد "بندول" من قائمة "العمل والطاقة" لمشاهدة الطاقة الحركية المتغيرة والطاقة الكامنة للبندول أثناء الحركة.

الطاقة المجانية والتفعيل

بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو ما يلي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل واحد بتفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان قدر من الطاقة في صورة غير قابلة للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل كيميائي متاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متوفرة للقيام بالعمل.

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن التغيير في الطاقة الحرة ، والمشار إليه بـ ∆G (دلتا G) سيكون رقمًا سالبًا. يعني التغيير السلبي في الطاقة الحرة أيضًا أن منتجات التفاعل لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. ردود الفعل التي لها تغير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي تطلق الطاقة الحرة تسمى التفاعلات الخارجية. يفكر: السابقergonic تعني الطاقة السابقiting النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا على أنها تفاعلات عفوية ، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز بين المصطلح تلقائي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء ، شيئًا فشيئًا ، بمرور الوقت.

إذا كان التفاعل الكيميائي يمتص الطاقة بدلاً من إطلاق الطاقة بالتوازن ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات بمثابة جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات endergonic وهي غير عفوية. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه بدون إضافة طاقة حرة.

اتصال مرئي

انظر إلى كل من العمليات الموضحة وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

هناك مفهوم آخر مهم يجب مراعاته فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. تتطلب التفاعلات المفرطة قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة للبدء ، قبل أن يتمكنوا من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لحدوث جميع التفاعلات الكيميائية تسمى طاقة التنشيط.

المفاهيم في العمل

شاهد رسمًا متحركًا للانتقال من الطاقة الحرة إلى حالة رد الفعل الانتقالية.

الانزيمات

تسمى المادة التي تساعد في حدوث تفاعل كيميائي محفزًا ، وتسمى الجزيئات التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية بالإنزيمات. معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات وتؤدي المهمة الحاسمة المتمثلة في خفض طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية داخل الخلية. تحدث معظم التفاعلات الحرجة للخلية الحية ببطء شديد في درجات الحرارة العادية بحيث لا تكون ذات فائدة للخلية. بدون إنزيمات لتسريع ردود الفعل هذه ، لا يمكن للحياة أن تستمر. تقوم الإنزيمات بذلك عن طريق الارتباط بجزيئات المتفاعلة والاحتفاظ بها بطريقة تجعل عمليات تكسير وتشكيل الروابط الكيميائية تتم بسهولة أكبر. من المهم أن تتذكر أن الإنزيمات لا تتغير سواء كان التفاعل طاردًا للطاقة (عفويًا) أو مسببًا للطاقة. هذا لأنها لا تغير الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أو المنتجات. إنها تقلل فقط من طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل للمضي قدمًا (الشكل 4.7). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإنزيم نفسه لا يتغير بالتفاعل الذي يحفزه. بمجرد تحفيز تفاعل واحد ، يكون الإنزيم قادرًا على المشاركة في تفاعلات أخرى.

تسمى المتفاعلات الكيميائية التي يرتبط بها الإنزيم ركائز الإنزيم. قد يكون هناك ركيزة واحدة أو أكثر ، اعتمادًا على تفاعل كيميائي معين. في بعض التفاعلات ، يتم تقسيم الركيزة المتفاعلة الواحدة إلى منتجات متعددة. في حالات أخرى ، قد تتحد ركيزتان لتكوين جزيء أكبر. قد يدخل مفاعلان متفاعلان أيضًا في التفاعل ويتم تعديل كلاهما ، لكنهما يتركان التفاعل كمنتجين. يسمى الموقع داخل الإنزيم حيث ترتبط الركيزة بالموقع النشط للإنزيم. الموقع النشط هو المكان الذي يحدث فيه "الإجراء". نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، فهناك مزيج فريد من سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية داخل الموقع النشط. تتميز كل سلسلة جانبية بخصائص مختلفة. يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة ، حمضية أو قاعدية ضعيفة ، محبة للماء أو كارهة للماء ، موجبة أو سالبة الشحنة ، أو محايدة. يخلق المزيج الفريد من السلاسل الجانبية بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط. هذه البيئة المحددة مناسبة للارتباط بركيزة كيميائية محددة (أو ركائز).

المواقع النشطة تخضع لتأثيرات البيئة المحلية. تؤدي زيادة درجة حرارة البيئة بشكل عام إلى زيادة معدلات التفاعل ، المحفز بالإنزيم أو غير ذلك. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة خارج النطاق الأمثل تقلل من المعدل الذي يحفز به الإنزيم التفاعل. ستؤدي درجات الحرارة الساخنة في النهاية إلى تغيير طبيعة الإنزيمات ، وهو تغيير لا رجعة فيه في الشكل ثلاثي الأبعاد وبالتالي وظيفة الإنزيم. الأنزيمات مناسبة أيضًا للعمل بشكل أفضل ضمن نطاق تركيز درجة حموضة وملح معين ، وكما هو الحال مع درجة الحرارة ، يمكن أن تتسبب تركيزات الأس الهيدروجيني والملح في تغيير طبيعة الإنزيمات.

لسنوات عديدة ، اعتقد العلماء أن ارتباط الركيزة الإنزيمية يحدث بطريقة "القفل والمفتاح" البسيطة. أكد هذا النموذج أن الإنزيم والركيزة يتناسبان معًا تمامًا في خطوة لحظية واحدة. ومع ذلك ، يدعم البحث الحالي نموذجًا يسمى الملاءمة المستحثة (الشكل 4.8). يتوسع نموذج الملاءمة المستحثة في نموذج القفل والمفتاح من خلال وصف ارتباط أكثر ديناميكية بين الإنزيم والركيزة. عندما يجتمع الإنزيم والركيزة معًا ، يتسبب تفاعلهما في حدوث تحول طفيف في بنية الإنزيم التي تشكل ترتيبًا مثاليًا للربط بين الإنزيم والركيزة.

المفاهيم في العمل

عندما يربط الإنزيم ركائزه ، يتم تكوين مركب ركيزة إنزيم. يقلل هذا المركب من طاقة تنشيط التفاعل ويعزز تقدمه السريع بإحدى الطرق المتعددة الممكنة. على المستوى الأساسي ، تعزز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على أكثر من ركيزة واحدة عن طريق تجميع الركائز معًا في الاتجاه الأمثل للتفاعل. الطريقة الأخرى التي تعزز بها الإنزيمات تفاعل ركائزها هي خلق بيئة مثالية داخل الموقع النشط لحدوث التفاعل. الخواص الكيميائية التي تظهر من الترتيب الخاص لمجموعات الأحماض الأمينية R داخل موقع نشط تخلق بيئة مثالية لركائز الإنزيم المحددة للتفاعل.

يمكن لمركب الركيزة الإنزيمية أيضًا خفض طاقة التنشيط عن طريق الإضرار ببنية الرابطة بحيث يسهل كسرها. أخيرًا ، يمكن للإنزيمات أيضًا تقليل طاقات التنشيط من خلال المشاركة في التفاعل الكيميائي نفسه. في هذه الحالات ، من المهم أن تتذكر أن الإنزيم سيعود دائمًا إلى حالته الأصلية عند اكتمال التفاعل. إحدى السمات المميزة للإنزيمات هي أنها تظل في النهاية دون تغيير من خلال التفاعلات التي تحفزها. بعد أن يحفز الإنزيم التفاعل ، يطلق منتجه (منتجاته) ويمكن أن يحفز تفاعلًا جديدًا.

قد يبدو من المثالي أن يكون لديك سيناريو تتواجد فيه جميع إنزيمات الكائن الحي بكميات وفيرة وتعمل على النحو الأمثل في جميع الظروف الخلوية ، في جميع الخلايا ، في جميع الأوقات. ومع ذلك ، هناك مجموعة متنوعة من الآليات التي تضمن عدم حدوث ذلك. تختلف الاحتياجات والظروف الخلوية باستمرار من خلية إلى أخرى ، وتتغير داخل الخلايا الفردية بمرور الوقت. تختلف الإنزيمات المطلوبة لخلايا المعدة عن تلك الموجودة في خلايا تخزين الدهون وخلايا الجلد وخلايا الدم والخلايا العصبية. علاوة على ذلك ، تعمل خلية الجهاز الهضمي بشكل أكثر صعوبة في معالجة وتفكيك العناصر الغذائية خلال الوقت الذي يلي الوجبة عن كثب مقارنة بساعات عديدة بعد الوجبة. نظرًا لاختلاف هذه المتطلبات والظروف الخلوية ، يجب أن تختلف كميات ووظائف الإنزيمات المختلفة.

نظرًا لأن معدلات التفاعلات الكيميائية الحيوية يتم التحكم فيها بواسطة طاقة التنشيط ، وتنخفض الإنزيمات وتحدد طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية ، فإن الكميات النسبية وعمل مجموعة متنوعة من الإنزيمات داخل الخلية تحدد في النهاية التفاعلات التي ستستمر وبأي معدلات. يتم التحكم في هذا التحديد بإحكام في الخلايا. في بعض البيئات الخلوية ، يتم التحكم في نشاط الإنزيم جزئيًا بواسطة عوامل بيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيز الملح ، وفي بعض الحالات ، العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة.

يمكن أيضًا تنظيم الإنزيمات بطرق تعزز أو تقلل من نشاط الإنزيم. هناك العديد من أنواع الجزيئات التي تثبط أو تعزز وظيفة الإنزيم ، والآليات المختلفة التي تقوم بذلك من خلالها. في بعض حالات تثبيط الإنزيم ، يكون جزيء المثبط مشابهًا بدرجة كافية للركيزة التي يمكنها الارتباط بالموقع النشط ومنع الركيزة ببساطة من الارتباط. عندما يحدث هذا ، يتم تثبيط الإنزيم من خلال التثبيط التنافسي ، لأن جزيء المثبط يتنافس مع الركيزة للارتباط بالموقع النشط.

من ناحية أخرى ، في التثبيط غير التنافسي ، يرتبط جزيء المثبط بالإنزيم في مكان آخر غير الموقع النشط ، المسمى موقع التباين ، ولكنه لا يزال قادرًا على منع ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ترتبط بعض جزيئات المثبط بالإنزيمات في مكان يؤدي فيه ارتباطها إلى حدوث تغيير في التركيب يقلل من نشاط الإنزيم لأنه لم يعد يحفز تحويل الركيزة إلى منتج بشكل فعال. يسمى هذا النوع من التثبيط التثبيط الخيفي (الشكل 4.9). تتكون معظم الإنزيمات الخاضعة للتنظيم الخيفي من أكثر من عديد ببتيد واحد ، مما يعني أن لديهم أكثر من وحدة بروتينية فرعية. عندما يرتبط مثبط خيفي بمنطقة على إنزيم ، يتم تغيير جميع المواقع النشطة في الوحدات الفرعية للبروتين بشكل طفيف بحيث تربط ركائزها بكفاءة أقل. هناك منشطات خيفي وكذلك مثبطات. ترتبط المنشطات الخيفية بالمواقع الموجودة على إنزيم بعيدًا عن الموقع النشط ، مما يؤدي إلى تغيير توافقي يزيد من تقارب الموقع (المواقع) النشطة للإنزيم مع الركيزة (الركيزة) (الشكل 4.9).

الاتصال الوظيفي

مطور أدوية

الإنزيمات هي المكونات الرئيسية لمسارات التمثيل الغذائي. يعد فهم كيفية عمل الإنزيمات وكيفية تنظيمها من المبادئ الأساسية وراء تطوير العديد من الأدوية الصيدلانية في السوق اليوم. يتعاون علماء الأحياء العاملون في هذا المجال مع علماء آخرين لتصميم الأدوية (الشكل 4.10).

ضع في اعتبارك العقاقير المخفضة للكوليسترول على سبيل المثال - الستاتين هو الاسم الذي يطلق على فئة واحدة من الأدوية التي يمكن أن تقلل مستويات الكوليسترول في الدم. هذه المركبات هي مثبطات لإنزيم اختزال HMG-CoA ، وهو الإنزيم الذي يصنع الكوليسترول من الدهون في الجسم. عن طريق تثبيط هذا الإنزيم ، يمكن خفض مستوى الكوليسترول المركب في الجسم. وبالمثل ، فإن عقار الأسيتامينوفين ، الذي يتم تسويقه بشكل شائع تحت الاسم التجاري تايلينول ، هو مثبط لإنزيم سيكلوأوكسيجيناز. في حين أنه يستخدم لتخفيف الحمى والالتهابات (الألم) ، إلا أن آلية عمله لا تزال غير مفهومة تمامًا.

كيف يتم اكتشاف الأدوية؟ أحد أكبر التحديات في اكتشاف الأدوية هو تحديد الهدف الدوائي. الهدف الدوائي هو الجزيء الذي هو حرفيًا هدف الدواء. في حالة الستاتينات ، فإن اختزال HMG-CoA هو الهدف الدوائي. يتم تحديد أهداف الأدوية من خلال البحث المضني في المختبر. تحديد الهدف وحده ليس كافيًا يحتاج العلماء أيضًا إلى معرفة كيفية عمل الهدف داخل الخلية والتفاعلات التي تنحرف في حالة المرض. بمجرد تحديد الهدف والمسار ، تبدأ العملية الفعلية لتصميم الدواء. في هذه المرحلة ، يعمل الكيميائيون وعلماء الأحياء معًا لتصميم وتوليف الجزيئات التي يمكنها منع أو تنشيط تفاعل معين. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى البداية: إذا وعندما نجح نموذج أولي للدواء في أداء وظيفته ، فإنه يخضع للعديد من الاختبارات من التجارب المخبرية إلى التجارب السريرية قبل أن يحصل على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ليتم تشغيله. السوق.

العديد من الإنزيمات لا تعمل على النحو الأمثل ، أو حتى على الإطلاق ، ما لم تكن مرتبطة بجزيئات مساعدة أخرى غير بروتينية. قد تترابط إما مؤقتًا من خلال روابط أيونية أو هيدروجينية ، أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات الشكل والوظيفة الأمثل للأنزيمات الخاصة بكل منها. مثالان على هذه الأنواع من الجزيئات المساعدة هما العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة. العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية مثل أيونات الحديد والمغنيسيوم. الإنزيمات المساعدة هي جزيئات عضوية مساعدة ، تلك التي لها بنية ذرية أساسية تتكون من الكربون والهيدروجين. مثل الإنزيمات ، تشارك هذه الجزيئات في التفاعلات دون أن تتغير بنفسها ويتم إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في النهاية. الفيتامينات هي مصدر الإنزيمات المساعدة. بعض الفيتامينات هي سلائف الإنزيمات والبعض الآخر يعمل مباشرة مثل الإنزيمات المساعدة. فيتامين ج هو أنزيم مباشر للعديد من الإنزيمات التي تشارك في بناء النسيج الضام المهم ، وهو الكولاجين. لذلك ، يتم تنظيم وظيفة الإنزيم ، جزئيًا ، من خلال وفرة العديد من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، والتي قد يتم توفيرها من خلال النظام الغذائي للكائن الحي أو ، في بعض الحالات ، التي ينتجها الكائن الحي.

تثبيط ردود الفعل في المسارات الأيضية

يمكن للجزيئات تنظيم وظيفة الإنزيم بعدة طرق. ومع ذلك ، يبقى السؤال الرئيسي: ما هي هذه الجزيئات ومن أين أتت؟ بعضها من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، كما تعلمت. ما هي الجزيئات الأخرى في الخلية التي توفر تنظيمًا إنزيميًا مثل التعديل الخيفي والتثبيط التنافسي وغير التنافسي؟ ربما تكون أهم مصادر الجزيئات التنظيمية ، فيما يتعلق بالاستقلاب الخلوي الأنزيمي ، هي منتجات التفاعلات الأيضية الخلوية نفسها. وبطريقة أكثر فاعلية وأناقة ، تطورت الخلايا لتستخدم نواتج ردود أفعالها لتثبيط التغذية الراجعة لنشاط الإنزيم. يتضمن تثبيط التغذية المرتدة استخدام منتج التفاعل لتنظيم إنتاجه الإضافي (الشكل 4.11). تستجيب الخلية لوفرة المنتجات عن طريق إبطاء الإنتاج أثناء التفاعلات الابتنائية أو التقويضية. قد تثبط منتجات التفاعل هذه الإنزيمات التي حفزت إنتاجها من خلال الآليات الموضحة أعلاه.

يتم التحكم في إنتاج كل من الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات من خلال تثبيط التغذية الراجعة. بالإضافة إلى ذلك ، ATP هو منظم خيفي لبعض الإنزيمات المشاركة في انهيار تقويضي للسكر ، العملية التي تخلق ATP. بهذه الطريقة ، عندما يكون ATP متوفرًا بكثرة ، يمكن للخلية أن تمنع إنتاج ATP. من ناحية أخرى ، يعمل ADP كمنظم خيفي إيجابي (منشط خيفي) لبعض الإنزيمات نفسها التي تثبطها ATP. وبالتالي ، عندما تكون المستويات النسبية لـ ADP عالية مقارنة بـ ATP ، يتم تشغيل الخلية لإنتاج المزيد من ATP من خلال هدم السكر.


تحليل الورق NEET 2019

وفقًا لمقدمي الطلبات ، كانت ورقة أسئلة NEET 2019 صعب نوعا ما. وجده بعض الطلاب طويل. كانت الأقسام الثلاثة صعبة بعض الشيء. كان قسم الفيزياء معقدًا بعض الشيء. كما وُجد أن قسم الكيمياء صعب إلى حد ما. كان قسم الأحياء سهلاً مقارنة بالأقسام الأخرى ولكن بعض الأسئلة كانت صعبة.

NEET 2019 تحليل ورقة الفيزياء

  • الفيزياء هي اصعب قسم من بين الأقسام الثلاثة في امتحان NEET 2019.
  • سيحتاج الطامحون إلى حل الأسئلة المستندة إلى المفاهيم والصعوبة في الاختبار.
  • كانت أسئلة الفيزياء عادةً حرجة وكان على الطامحين القيام بها حسابات ثقيلة.

NEET 2019 تحليل ورقة الكيمياء

  • قسم الكيمياء كان معقد إلى حد ما. ومن ثم ، حصل الطامحون على بعض الأسئلة المباشرة من كتاب NCERT النصي.
  • كان هذا قسم التهديف في امتحان NEET 2019.
  • وفقًا لتحليل الخبير المتعمق NEET ، كانت الكيمياء NEET 2019 أسهل نسبيًا من السنوات السابقة.

NEET 2019 تحليل ورقة علم الأحياء

  • عادة ، يعتبر علم الأحياء هو أسهل قسمومع ذلك ، لم يكن قسم علم الأحياء في العام الماضي بهذه السهولة.
  • كان اتجاه أسئلة علم الأحياء NEET 2019 استهلاك الوقت وصفي.
  • كانت الفصول ذات الوزن المرتفع لقسم الأحياء في NEET 2019 من الميكروبات في رفاهية الإنسان والخلية. هذا هو فصلا علم النبات وعلم الحيوان على التوالي.
  • للحصول على درجة عالية في قسم علم الأحياء ، يتعين على الطامحين أن يكون لديهم معرفة متعمقة بالمفاهيم.

NEET 2019 Topic Wise Analysis (الفيزياء وكيمياء أمبير)

المواضيع سهل متوسط صعب ٪ جزء
الفيزياء
علم الميكانيكا 3 4 2 22%
السوائل 1 0 0 1%
الفيزياء الحرارية 1 3 2 15%
SHM & Waves 1 0 0 5%
Electrodynamics 2 3 5 22%
Optics 4 2 1 12%
Modern & Electronics 4 2 1 16%
كيمياء
غير عضوي 4 5 3 50%
بدني 5 3 2 30%
عضوي 7 5 1 35%

NEET 2019 Topic Wise Analysis (Biology)

علم النبات

المواضيع سهل واسطة صعب المجموع
Plant Diversity 2 5 1 8
علم البيئة 3 8 0 11
Cell Biology and Cell division 1 4 0 5
Plant Morphology 2 0 0 2
Biomolecule 0 1 0 1
فيزياء النبات 3 3 1 7
تكاثر النبات 3 2 0 5
Genetics & Biotechnology 9 7 0 16
تشريح النبات 3 1 0 4
المجموع 26 31 2 59

علم الحيوان

المواضيع سهل واسطة صعب المجموع
التنوع الحيواني 2 2 0 4
Structural Organisation in Animal 1 0 0 1
فسيولوجيا الإنسان 8 6 1 15
Human Reproduction and Reproductive health 3 0 2 5
Origin and Evolution 3 0 0 3
Human Health and Diseases 2 0 1 3
المجموع 19 8 4 31

NEET 2019 Paper Analysis by Allen Kota

According to Allen Kota’s experts, NEET 2019 paper ranked moderate to easy paper. Physics and Chemistry were easy according to Allen Kota analysis whereas the Biology paper of NEET 2019 UG exam, was somewhat lengthy. Below given table represents subject-wise difficulty level analysis by Allen Kota:

موضوعات No. of Easy Questions No. of Medium Questions No. of Difficult Questions
الفيزياء 21 21 3
كيمياء 27 13 5
علم النبات 32 17 1
علم الحيوان 24 11 5

NEET 2019 Paper Analysis by Resonance

As per analysis by Resonance, the difficulty of Physics in NEET 2019 was higher than Chemistry and Biology. Among the total 45 multiple choice questions in Physics, 9 were difficult and tricky whereas Chemistry had only one very difficult question. The Biology section had a total of 17 difficult questions out of 90 multiple choice questions.

Overall NEET 2019 was found to be quite easier as compared to NEET 2018.The subject matter experts of Resonance said that questions from all subjects were found to be easier than the exam conducted in the last three years, therefore the cutoff should increase and is expected to be around 565 to 570.


Laws of Thermodynamics in Bioenergetics (With Diagram)

Thermodynamics is the study of energy changes, that is, the conversion of energy from one form into an­other. Such changes obey the first two laws of thermo­dynamics.

The First Law of Thermodynamics:

The first law is concerned with the conversion of en­ergy within a “system,” where a system is defined as a body (e.g., a cell or an organism) and its surround­ings.

This law, which applies to both biological and non-biological systems, states the following: Energy cannot be created or destroyed but can be converted from one form into another: during such a conversion, the total amount of the energy of the system remains constant.

This law applies to all levels of organization in the liv­ing world it applies to organisms, cells, organelles, and to the individual chemical reactions that char­acterize metabolism. In practice, it is difficult to measure the energy possessed by cells (i.e., to limit the “system” to an individual cell), because energy may escape into the environment surrounding the cell during the measurement.

Similarly, energy may be ac­quired by the cell from its environment for example, a photosynthesizing cell absorbs energy from its envi­ronment in the form of light. A cell’s acquisition of en­ergy from its environment (or its loss to the environment) should not be confused with the destruc­tion or creation of energy, which according to the first law of thermodynamics does not occur.

From a biological viewpoint, the first law of thermo­dynamics indicates that at any given moment a cell possesses a specific quantity of energy.

This energy takes several forms it includes:

(1) Potential energy (e.g., the energy of the bonds that link atoms together in a molecule or the pressure-volume relationships within the cell as a whole or within membrane- enclosed intracellular components)

(2) Electrical en­ergy (e.g., the distribution of different amounts of electrical charge across cellular membranes) and

(3) Thermal energy (e.g., the temperature-dependent constant and random motions of molecules and at­oms).

According to the first law, these forms of energy may be inter-converted for example, some of the cell’s potential energy can be converted into electrical or thermal energy, but the cell cannot create or destroy energy. When a cell breaks down a polysaccharide to ultimately form CO2 و ح2O, some of the potential energy present in the carbohydrate is conserved as potential energy by phosphorylating ADP, thereby forming ATP.

The ATP so produced represents a new energy source (and also one that is of greater immedi­ate utility for the cell). However, not all of the energy of the original carbohydrate is conserved as potential energy some of it becomes thermal energy and is transferred to the surroundings as heat. It is impor­tant to recognize that none of the energy is destroyed and it should be possible to account for all of the en­ergy originally present in the polysaccharide in other forms within the system (i.e., in the ATP that is pro­duced and in the heat that is released).

القانون الثاني للديناميكا الحرارية:

The first law of thermodynamics tells us that the total energy of an isolated system consisting of a cell (or or­ganism) and its surroundings is the same before and after a series of events or chemical reactions has taken place. What the first law does not tell us is the direction in which the reactions proceed.

This prob­lem can be illustrated using a simple example. Sup­pose we place a small cube of ice in a liter of hot water, seal the combination in an insulated container (e.g., a vacuum bottle), and allow the system (i.e., the ice and the water) to reach an equilibrium.

In such a system, we would not be surprised to find that the ice melts and that this is accompanied by a decrease in the tem­perature of the water. When we later examine the sys­tem, we find that we are left only with water (no ice) and that the water is at a reduced temperature.

The flow of heat, which is thermal energy, from the hot wa­ter to thrice thereby causing the ice to melt is sponta­neous and the energy that is “lost” by the water is “gained” by the melting ice so that the total energy of the system remains the same.

We certainly would not expect ice to form spontaneously in a sealed system that contains warm water, even though such an eventu­ality is not prohibited by the first law. Consequently, the important lessons to be learned from this illustra­tion are that energy changes have direction and may be spontaneous.

To anticipate the spontaneity of a reaction and pre­dict its direction, one must take into account a func­tion called entropy. Entropy is a measure of the de­gree of randomness or disorder of a system, the entropy increasing with increasing disorder. Accord­ingly, the second law of thermodynamics states: In all processes involving energy changes within a system, the entropy of the system increases until an equilibrium is attained.

In the illustration that was presented above, the highly ordered distribution of energy (i.e., large amounts of energy in the hot water and smaller amounts of energy in the ice) was lost as the ice melted to form water. In the resulting warm water, the energy was more randomly and uniformly distrib­uted among the water molecules.

The units of entropy are J/mole (or cal/mole), indi­cating that entropy is measured in terms of the amount of substance present. When equal numbers of moles of a solid, liquid, and gas are compared at the same temperature, the solid has less entropy than the liquid and the liquid has less entropy than the gas (the gaseous state is the state of greatest disorder).

En­tropy can be thought of as the energy of a system that is of no value for performing work (i.e., it is not “use­ful” energy). For example, the catabolism of sucrose or other sugars by a cell is accompanied by the forma­tion of energy-rich ATP.

Although superficially it may appear as though useful energy has increased in the form of the ATP gained by the cell, the total amount of useful energy has actually decreased and the amount of unavailable energy increased. It is true that some of the potential energy of the sugar has been converted to potential energy in the form of ATP, but some has also been converted to thermal energy, which tends to raise the temperature of the cell and therefore its en­tropy.

Suggestions that cells can decrease entropy by carrying out photosynthesis are misleading. Although it is true that during photosynthesis cells convert mol­ecules with very little potential energy (CO2 و ح2O) into larger molecules with considerably more poten­tial energy (sugars) and that there is an accompanying decrease in the entropy of the cell, energy in the form of light was absorbed from the cell’s environment.

Be­cause the light energy consumed during photosynthe­sis is a part of the whole system (i.e., the cell and its surroundings), it is clear that there has actually been an overall decrease in useful energy and an increase in entropy (see Fig. 9-4).

The entropy change during a reaction may be quite small. For example, when sucrose undergoes hydroly­sis to form the sugars glucose and fructose, much of the potential energy of the original sucrose is present in the resulting glucose and fructose molecules. Changes in entropy are extremely difficult to calcu­late, but the difficulty can be circumvented by employ­ing two other thermodynamic functions: enthalpy or heat content (denoted H) and free energy (denoted G).

The change in a system’s enthalpy (∆H) is a measure of the total change in energy that has taken place, whereas the change in free energy (∆G) is the change in the amount of energy available to do work. Changes in entropy (∆S), enthalpy, and free energy are related by the equation in which T is the absolute temperature of the system.

The change in free energy can also be defined as the total amount of free energy in the products of a reac­tion minus the total amount of free energy in the reactants, that is,

∆G = G (products) – G(reactants) …(9-2)

A reaction that has a negative ∆G value (i.e., the sum of the free energy of the products is less than that of the reactants) will occur spontaneously, a reaction for which the ∆G is zero is at equilibrium and a reaction that has a positive AG value will not occur spontane­ously and proceeds only when energy is supplied from some outside source.

The hydrolysis of sucrose

Sucrose + H2O → glucose + fructose

has a negative AG value, and therefore when sucrose is added to water, there is the spontaneous conversion of some of the sucrose molecules to glucose and fruc­tose. However, the reverse reaction

glucose + fructose →sucrose + H2ا

has an equal but positive ∆G value and therefore does not occur without an input of energy. Hence, special attention must be paid to the direction in which the reaction is written (i.e., the direction of the arrow) and the sign of the ∆G value. If 5 moles of sucrose are mixed with water, the formation of glucose and fruc­tose will take place spontaneously and the ∆G may be determined this value is, of course, greater than if 4 or 2 miles of sucrose are used.

Thus, ∆G values are dependent on the amounts and concentrations of reac­tants and products. More uniform standards of refer­ence that have been established by convention are the standard free energy changes, ∆G 0 and ∆G 0 ‘ values. ∆G 0 represents the change in free energy that takes place when the reactants and products are maintained at 1.0 molar concentrations (strictly speaking, 1.0 molar) during the course of the reaction and the reaction proceeds under standard conditions of temperature (25°C) and pressure (1 atmosphere) and at pH 0.0.

The ∆G 0 ‘ value is a much more practical term for use with biological systems in which reactions take place in an aqueous environment and at a pH that usually is either equal or close to 7.0. The ∆G 0 ‘ value is defined as the standard free energy change that takes place at pH 7.0 when the reactants and products are main­tained at 1.0 molar concentration (Table 9-2).

The changes in standard free energy are indepen­dent of the route that leads from the initial reactants to the final products. For example, glucose can be con­verted to carbon dioxide and water either by combus­tion in the presence of oxygen or through the actions of cellular enzymes.

Changes in standard free energy are the same, regardless of the method that is used thus, the value of the standard free energy change provides no information about the reaction sequence by which the change has taken place. By the same to­ken, the values obtained for changes in standard free energy tell us nothing about the rate at which the changes have taken place.

The ∆G 0 ‘ can be calculated from the equilibrium constant, K’مكافئ, of a reaction using the relationship

Where R is the gas constant (8.314 J/mole/degree), T is the absolute temperature (in degrees Kelvin), -and K’مكافئ is the equilibrium constant. Table 9-3 lists a num­ber of ∆G 0 ‘ values for common reactions.

The equilibrium constant is defined as

Where [A] and [J3] are the concentrations of the reac­tants and [C] and [D] are the concentrations of the products. If the equilibrium constant is 1.0, then the ∆G 0 ‘ value equals zero. If the equilibrium constant is greater than 1.0, then the ∆G 0 ‘ value is negative (e.g., -11.41 kJ/mole for a K’مكافئ value of 100), and the reac­tion is said to be exergonic (i.e., “energy releasing”) because it proceeds spontaneously in the direction written when starting with unimolar concentrations of reactants and products.

When the K’مكافئ value is less than 1.0, the ∆G 0 ‘ value is positive (e.g., 5.71 kJ/mole for a K’مكافئ of 0.1), and the reaction is said to be endergonic (i.e., “energy consuming”) because it does not proceed spontaneously in the direction written when starting with unimolar concentrations of reactants and products.

Calculations of AG 0 ‘ values are usually based on ex­perimental measurements of isolated reactions, that is, with reactions that take place independently of other reactions and that are not associated with cells. ∆G 0 and ∆G 0 ‘ values do not provide information about the free energy changes of reactions as they might take place in cells or under conditions in which the concentrations of reactants and prod acts, pH, etc., may change. This may be dramatically illustrated by considering the following example. At pH 7.0 and 25°C, the equilibrium constant for the reaction dihydroxyacetone phosphate → glyceraldehyde-3-phosphate is 0.0475. Therefore, using equation 9-3,

= – 2.303 (8.314 J/mole/degree) (298) log10 (0.0475)

The positive value indicates that this reaction does not proceed spontaneously in the direction written. How­ever, in cells, this reaction is but one of a series of re­actions in a metabolic pathway called glycolysis. Other reactions of glycolysis that occur prior to this one and that have negative ∆G 0 ‘ values produce additional substrate (i.e., dihydroxyacetone phosphate) and reactions with negative ∆G 0 ‘ values that occur after this step remove the product glyceraldehyde-3-phosphate.

As a result, the reaction proceeds in the direction written under the conditions specified above, even though the ∆G 0 ‘ value is positive. This example illustrates the important point that the ∆G 0 ‘ value for a specific biological reaction cannot be used to predict reliably whether or not that particular reaction is actually taking place within the cell.


الزبائن الذين اشتروا هذا المنتج اشتروا أيضا

إعادة النظر

&ldquoThe second law of thermodynamics may be the most poorly understood and taught of all of our laws. This bold book meets this admirable challenge, explaining thermodynamics to a popular audience.&rdquo&mdashJohn Wettlaufer, Yale University

&ldquoThis concise and lucid book pays tribute to the utility and majesty of thermodynamics, evolved from puffs of steam to rank among the mightiest of the sciences.&rdquo&mdashDudley Herschbach, Nobel Laureate in Chemistry, 1986

&ldquoThe author draws on his mastery of thermodynamics to produce a valuable contribution that is entertaining, informative, and eminently readable.&rdquo&mdashDavid J. Wales FRS, University of Cambridge

&ldquoThis is a fascinating, thoughtful, and carefully constructed journey through the concepts, development, and significance of a fundamental part of science, its interdependence on technological development, and science&rsquos continuing evolution.&rdquo&mdashIlan Chabay, Institute for Advanced Sustainability Studies

&ldquoWhether you&rsquore new to this fundamental science or a seasoned pro, this terrific book makes thermodynamics come alive.&rdquo&mdashHarry Gray, California Institute of Technology


Theoretical Foundations of Molecular Magnetism

2.2.2 Heat capacities

In classical thermodynamics dealing with the volume work, two types of heat capacity are distinguished: جالخامس و جص. ال specific heat cالخامس [J g − 1 K − 1 ] and the molar heat capacity Cالخامس [J mol − 1 K − 1 ] are interrelated through

أين مص is the molar mass.

الفرق بين جالخامس و جص for solids is

Making use of the relationship among state variables ص = ص(الخامس, تي) in the differential form

at constant pressure, dp = 0, and thus we get

Then the difference between the molar heat capacities becomes

أين الخامسم is the molar volume. ال isothermal compressibility, measured at constant temperature, is introduced through the formula

و ال coefficient of volumetric expansion يكون

For isotropic solids, β is related to the coefficient of linear thermal expansion α بواسطة

أين ل is the dimension of a cube of the solid. The mechanical stability of a solid requires كتي > 0 and consequently جصجالخامس. Although data on linear thermal expansion are available for many solids over a broad interval of temperature, experimental values of compressibility are often known around room temperature only.

By introducing the adiabatic compressibility measured at constant entropy

one can derive an expression

In thermodynamics dealing with the magnetic work the following types of heat capacity are defined

It is of interest to express جحجم و جح/جم in terms of observables (Η, Μ, تي). Making use of expressions for entropy

and taking into account the relationships listed in Table 2.3 , we get

This equation can be rewritten as

and compared with the identity

The same coefficients of dم require the validity of

The boundary between observables allows us to eliminate

and finally we arrive at the formula

The second expression for entropy can also be written in the form of

and compared with the identity

yielding the same coefficient at dح, i.e.

The first expression for entropy can be rearranged as

and again compared with the identity

giving the same coefficient at dم, viz.

The ratio of the magnetic heat capacities stands

Now we introduce the isothermal susceptibility (measured at constant temperature)

و ال adiabatic susceptibility (measured at constant entropy)

The ratio of the magnetic heat capacities is just the ratio of the magnetic susceptibilities

Important relationships among heat capacities are collected in Table 2.4 . It is worth noting that the relations between heat capacities and compressibilities in classical thermodynamics have an analogy in the relations between magnetic heat capacities and magnetic susceptibilities.

الجدول 2.4. Relationships for heat capacities

Function a Heat capacityتعبير
(أ) Volume work
يو(س,الخامس) C V = ∂ U ∂ T V C V = N A ∂ ∂ T k T 2 ∂ ln Z ∂ T V V
ه(س, ص) C p = ∂ E ∂ T p C p = N A ∂ ∂ T k T 2 ∂ ln Z ∂ T V + k T ∂ ln Z ∂ ln Z T p
جصجالخامس T ∂ p ∂ T V ∂ V ∂ T p = − T ∂ p ∂ V T ∂ V ∂ T p 2
جص/جالخامس ∂ V ∂ p T / ∂ V ∂ p S = K T / K S
س(تي, الخامس) d S = C V T d T + ∂ p ∂ T V d V
س(تي, ص) d S = C p T d T − ∂ p ∂ T p d p
(ب) Magnetic work
يو(س, م) C M = ∂ U ∂ T M C M = N A ∂ ∂ T k T 2 ∂ ln Z ∂ T M M
ه(س, ح) C H = ∂ E ∂ T H C H = N A ∂ ∂ T k T 2 ∂ ln Z ∂ T M + k T ∂ ln Z ∂ ln M T H
جحجم − μ 0 T ∂ H ∂ T M ∂ M ∂ T H = μ 0 T ∂ H ∂ M T ∂ M ∂ T H 2
جح/جم ∂ M ∂ H T / ∂ M ∂ H S = χ T / χ S
س(تي, م) d S = C M T d T − μ 0 ∂ H ∂ T M d M
س(تي, ح) d S = C H T d T + μ 0 ∂ M ∂ T H d H

الفيزياء في علم الأحياء والطب

Physics in Biology and Medicine, Fourth Edition, covers topics in physics as they apply to the life sciences, specifically medicine, physiology, nursing and other applied health fields. This is a concise introductory paperback that provides practical techniques for applying knowledge of physics to the study of living systems and presents material in a straightforward manner requiring very little background in physics or biology. Applicable courses are Biophysics and Applied Physics.

This new edition discusses biological systems that can be analyzed quantitatively, and how advances in the life sciences have been aided by the knowledge of physical or engineering analysis techniques. The volume is organized into 18 chapters encompassing thermodynamics, electricity, optics, sound, solid mechanics, fluid mechanics, and atomic and nuclear physics. Each chapter provides a brief review of the background physics before focusing on the applications of physics to biology and medicine. Topics range from the role of diffusion in the functioning of cells to the effect of surface tension on the growth of plants in soil and the conduction of impulses along the nervous system. Each section contains problems that explore and expand some of the concepts. The text includes many figures, examples and illustrative problems and appendices which provide convenient access to the most important concepts of mechanics, electricity, and optics in the body.

Physics in Biology and Medicine will be a valuable resource for students and professors of physics, biology, and medicine, as well as for applied health workers.


Babies with very low or very high birth weight are less likely to survive. The graph shows the percentage of babies bom at different weights. % Babies Born at Different Weights - Babies Born in that فئة 53.5 lb I56-06 10.0 10.5 1b 4.0-4.5 5.0-5.5 lb 6.0-6.5 in 7.0-7.5 lb Which statement is a valid claim that could be made using the data in the graph? Directional selection is occurring because the graph favors an extreme. Mark this and return Save and Exit Next يقدم

Stabilizing selection is occurring because the average is favored.

There are different types of natural selection: sexual selection, stabilizing selection, directional selection, frequency-dependent selection, and disruptive selection.

Balancing selection, also called Stabilizing selection, eliminates individual with extreme traits and favors individual that exhibit medium-range characteristics, that gets to survive.

In the exposed example, babies with very low or very high birth weight have fewer possibilities to survive. Stabilizing selection eliminates individuals with extreme weight and favors individuals that exhibit medium weight, which are the ones that get to survive.

The information provided clearly shows that the babies with average weights form a stable selection, the average is favoured.

Stabilizing selection is occurring because the average is favored.

Concluding Part of the question

A graph entitled Percentage of Babies born at Different Weights has weight in pounds on the horizontal axis, and percentage on the vertical axis. A small percentage of babies are born at the low and higher birth weights, and a greater amount are around 7 to 8 pounds.

Which statement is a valid claim that could be made using the data in the graph?

A) Directional selection is occurring because the graph favors an extreme.

B) Disruptive selection is occurring because the two extremes are favored.

C) Stabilizing selection is occurring because the average is favored.

D) Biodiversity variation is occurring because there is an increase in trait variation.

Stabilizing selection represents a form of natural selection where the intermediate variants of a trait, that is the non-extreme trait values are the ones that ensure the survival and subsequent formation of stable population of the species with this average traits.

In this question, it is given through the data from the graph that babies with very low or very high weights are less likely to survive.

And it is logical as very low weight babies are most likely to be very weak, fragile and susceptible to being on the wrong side of natural selection and very high weight babies have all sorts of overweight issues plus the fact that they have to literally be squeezed out of the womb through a very narrow canal, really pushing their oversight bodies to its limits very early making them also susceptible to being on the wrong side of natural selection.

The average weight babies on the other hand do not experience any of the issues discussed in the last paragraph, they are usually healthy and thus have a high survival rate. So, it is evident to see that the population of babies stabilizes based on a particular non-extreme trait value (baby weight) through stabilizing selection.


Maximum entropy production principle in physics, chemistry and biology

The tendency of the entropy to a maximum as an isolated system is relaxed to the equilibrium (the second law of thermodynamics) has been known since the mid-19th century. However, independent theoretical and applied studies, which suggested the maximization of the entropy production during nonequilibrium processes (the so-called maximum entropy production principle, MEPP), appeared in the 20th century. Publications on this topic were fragmented and different research teams, which were concerned with this principle, were unaware of studies performed by other scientists. As a result, the recognition and the use of MEPP by a wider circle of researchers were considerably delayed. The objectives of the present review consist in summation and analysis of studies dealing with MEPP. The first part of the review is concerned with the thermodynamic and statistical basis of the principle (including the relationship of MEPP with the second law of thermodynamics and Prigogine's principle). Various existing applications of the principle to analysis of nonequilibrium systems will be discussed in the second part.


شاهد الفيديو: - Thermodynamics Tables كيف تبحث في جداول الديناميكا الحرارية (قد 2022).