Действие законов термодинамики в живом организме
Энергия макроэргических связей АТФ используется в процессах синтеза веществ с участием ферментов. При этом процесс гидролиза АТФ до АДФ катализируется тем же ферментом, что и синтез самого вещества. Такие реакции называются сопряженными. При этом Δ G отдельно взятой реакции синтеза может быть и больше нуля, а Δ G, рассчитанное вместе с распадом АТФ, будет обязательно меньше нуля. Поэтому тепло выделяется как в ходе реакций распада (катаболизма), так и синтеза веществ (анаболизма). Человек, лежа натощак, выделяет за сутки в виде тепла ~1600–1800 ккал, что достаточно, для того, чтобы вскипятить 20 л воды. Эта величина характеризует основной обмен человека. Уровень основного обмена индивидуален и во многом определяет потребность человека в пище. Во время сна энергозатраты падают на 10-15%. На величину основного обмена влияют гормоны щитовидной железы (тироксин и трийодтиронин), гормон роста (соматотропный гормон, СТГ), женские и мужские половые гормоны. При повышении уровня этих гормонов основной обмен возрастает, а при снижении – падает. При большинстве заболеваний, сопровождающихся лихорадкой, основной обменвозрастает. Энергозатраты при обычном образе жизни почти в 2 раза больше основного обмена человека. Резко увеличивается теплопродукция при физической нагрузке. При тяжелой физической работе энергозатраты организма возрастают на 30-50%. У спортсменов при очень больших нагрузках энергозатраты могут возрастать в несколько раз. Умственная работа не оказывает заметного влияния на энергозатраты организма, но стрессы резко увеличивают теплопродукцию. Постоянный уровень энтропии нашего организма поддерживается за счет окисления продуктов питания, т.е. за счет повышения энтропии окружающей среды. Живой организм является открытой неравновесной стационарной системой. Способность организма поддерживать основные характеристики постоянными (например, массу тела, состав крови и тканей, температуру тела, рН) называется гомеостазом. Концентрации многих веществ в организме поддерживаются на постоянном уровне. Баланс по данному веществу – это разность между поступившим и выделенным из организма количеством данного вещества. Баланс будет положительным, если вещество накапливается в организме, и отрицательным, если выведение вещества больше его поступления. У детей баланс положителен практически для всех веществ. У пожилых людей и у больных он часто отрицателен. У взрослых здоровых людей наблюдается равновесие – нулевой баланс. Обучающие задачи. Задача 1. Рассчитайте калорийность 200 г хлеба, если содержание белка в нем составляет 10%, жиров – 2%, углеводов – 50%. Решение: 1. Определим массы белков (б), углеводов (у), жиров (ж) в образце. По условию задачи: ω (б) = 0, 1; ω (у) = 0, 5; ω (ж) = 0, 02. Отсюда m(б) = 200*0, 1 = 20 г; m(у) = 200*0, 5 = 100 г; m(ж) = 200*0, 02 = 4 г. 2. Определим калорийность каждого компонента в образце. q(б) = 20*4, 1 = 80, 2 ккал; q(у) = 100*4, 1 = 410 ккал; q(ж) = 4*9, 1 = 36, 4 ккал. 3. Рассчитаем калорийность образца в целом. Q(хлеба) = 80, 2+410+36, 4 = 526, 5 ккал/200 г Ответ: Q(хлеба) = 526, 5 ккал/200 г Задача 2. Рассчитайте молярную калорийность углевода с формулой С5Н10О4 Решение: 1. Рассчитаем молярную массу углевода М(у). М(у) = 5*12+10*1+16*4 = 134 г/моль. 2. Рассчитаем молярную калорийность. Q(С5Н10О4) = 134*4, 1 = 549, 4 ккал/моль Ответ: Q(С5Н10О4) = 549, 4 ккал/моль Задачи для самостоятельного решения 1. Почему тепло выделяется не только в реакциях катаболизма, но и в реакциях анаболизма? 2. Как изменяется энтропия в реакциях, сопровождающихся выделением газа? 3. Как изменится энтропия в ходе гидролиза молекулы жира до глицерина и жирных кислот? 4. Как изменится энтропия в ходе синтеза ДНК из нуклеотидов? 5. Как изменится энтропия при денатурации (утере природной пространственной структуры) белка? 6. Как изменится энтропия при растворении газа в жидкости? 7. Как изменится энтальпия системы в ходе экзотермического процесса? 8. В ходе процесса Δ G возрастает. Будет ли этот процесс происходить самопроизвольно? 9. Кр> 1. Будет ли процесс происходить самопроизвольно? Что можно сказать о Δ G этого процесса? 10. Экзотермической или эндотермической будет реакция превращения фумаровой кислоты в малеиновую, если для фумаровой кислоты Δ Нобраз298 = – 811кДж/моль, а для малеиновой кислоты Δ Нобраз.298= – 790 кДж/моль? 11. Эндотермической или экзотермической будет реакция 2СО + 5Н2 ↔ С2Н6 + 2Н2О, если Δ Нобраз298(СО) = -110 кДж/моль, Δ Нобраз298 С2Н6 = –84 кДж/моль, Δ Нобраз298(Н2О) = -241 кДж/моль? Тестовые задания 1. Энтропия – это… а) Параметр беспорядка б) Параметр порядка в) Теплота химической реакции г) Часть внутренней энергии системы 2. Энтальпия – это… а) Параметр беспорядка б) Параметр порядка в) Теплота химической реакции г) Часть внутренней энергии системы 3. Энергия Гиббса - это… а) Параметр беспорядка б) Параметр порядка в) Теплота химической реакции г) Часть внутренней энергии системы 4. Как связаны между собой теплота (Q), выделяющаяся в ходе химической реакции и изменение энтальпии (Δ H) этой реакции? а) Q = Δ H б) Q = 2Δ H в) Q = –Δ H г) Q ≥ Δ H 5. Для каких термодинамических систем изменение внутренней энергии (Δ U) равно нулю? а) для закрытой изолированной системы б) для открытой изолированной системы в) только для закрытой системы г) только для изолированной системы д) для всех видов систем 6. Как изменяется энтропия в процессе кипения? а) возрастает б) уменьшается в) не изменяется 7. В ходе какого процесса энтропия уменьшается? а) гидролиз жира б) окисление глюкозы до молочной кислоты в) окисление рибозы до СО2 и Н2О г) синтез РНК 8. Самопроизвольно происходят реакции, для которых… а) Δ G = 0 б) Δ G ‹ 0 в) Δ G › 0 г) ни при каких условиях не происходят
|
