معلومة

الكائنات الحية التي تستخدم الطاقة الحرارية كمصدر وحيد للطاقة

الكائنات الحية التي تستخدم الطاقة الحرارية كمصدر وحيد للطاقة


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.

بعد رؤية هذا السؤال ، تذكرت أننا في المدرسة الثانوية شاهدنا فيلمًا وثائقيًا يوضح شيئًا ما على غرار "تستمد جميع الكائنات الحية طاقتها بشكل مباشر أو غير مباشر من الشمس. * توقف مؤقت * حسنًا ، باستثناء بعض الكائنات الحية في ثقافات أعماق البحار التي تحصل على طاقتها من البراكين الصغيرة الموجودة تحت سطح البحر" . الآن ، بعد إجراء الكثير من البحث ، تمكنت من العثور على "الدودة الأنبوبية العملاقة" ، ومع ذلك فهي لا تزال تعتمد بشكل غير مباشر على الطاقة من الشمس بالإضافة إلى أنها تعتمد على توفر الأكسجين الحر الذي يأتي في النهاية من عملية التمثيل الضوئي (إذا كان لدي الفهم الصحيح). لذا فإن سؤالي ذو شقين ، هل أنا محق في فهمي للدودة الأنبوبية العملاقة وإذا كان الأمر كذلك ، فهل هناك أي كائنات حية تعمل بطريقة لا تتطلب أي مصدر للطاقة بخلاف الطاقة الحرارية الأرضية؟


اضطررت إلى إعادة قراءة جملتك الأخيرة عدة مرات للتأكد من فهمي لها بشكل صحيح ، لكنني أعتقد أنني أفهمها الآن ، ويمكنني الإجابة على سؤالك.

ما تتحدث عنه هو محبي الحرارة. إنها كائنات صغيرة حب الظروف الحارة - ما يقرب من 250 درجة فهرنهايت. يمكن العثور عليها في أماكن بها الكثير من الماء الساخن ، مثل الينابيع الساخنة - ونعم ، فتحات المحيط. يستخدم الكثير من الكبريت كوقود أثناء التخليق الكيميائي ، مما يؤدي إلى أكسدة حمض الكبريتيك. يأخذون الطاقة من مصدر الحرارة للقيام بذلك.

لا تستخدم كل المحبة للحرارة التركيب الكيميائي. قد يتعرض الأشخاص الموجودون في الينابيع الحارة للكثير من ضوء الشمس ، ويمكنهم استخدام عملية التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، لا يمكن لمن هم في أعماق البحار الخضوع لعملية التمثيل الضوئي ، ويضطرون إلى استخدام الطاقة من الفتحات للخضوع لعملية التخليق الكيميائي. في الواقع ، يمكن بناء أنظمة بيئية كاملة عليها!

قد يكون عشاق الحرارة من أوائل الكائنات الحية على الأرض. في الوقت الذي يُعتقد فيه أن الحياة قد تشكلت لأول مرة ، لم تكن الأرض مكانًا مضيافًا للغاية. كما كتب أشويني كومار لال عن الأشكال الأولى للحياة ،

العديد منها عبارة عن آثار تطورية تسمى "العتيقة" ، ويعتقد أنها من بين أوائل أصحاب المنازل على الأرض منذ 3.8 مليار سنة. يُفترض أنها النسخة الأولى من الحياة على كوكبنا عندما كان غلافه الجوي خاليًا من الأكسجين ، وكان يتألف إلى حد كبير من الأمونيا والميثان وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون. إنها كائنات دقيقة تشبه البكتيريا في الحجم وبساطة التركيب ، لكنها تستمر كمجموعة قديمة وسيطة بين البكتيريا وحقيقيات النوى. الميكروبات المحبة للحرارة ، أو "المحبة للحرارة" ، هي من بين أفضل ما تمت دراسته من الكائنات الحية المتطرفة التي يمكن أن تتكاثر أو تنمو بسهولة في درجات حرارة تتجاوز 45 درجة مئوية ، وبعضها ، الذي يشار إليه باسم "محبي الحرارة المفرطة" ، قادر على الازدهار حتى في درجات الحرارة تصل إلى 110 درجة مئوية - أكثر من درجة حرارة الماء المغلي.

في حين أننا لا نعرف (وربما لا نعرف أبدًا) حقيقة هذه الفرضية ، فمن المؤكد أنها معقولة ، بالنظر إلى المواقع التي تم العثور فيها على بعض الأشخاص المتطرفين.


مراجع:

1: الحياة الميكروبية في البيئات شديدة الحرارة

2: http://en.academic.ru/dic.nsf/enwiki/18641 (الرابط لم يعد يعمل ، لسبب ما)

3: أصل الحياة

ملاحظة: بينما أدرج العديد من مقالات ويكيبيديا في الإجابة ، لم أستخدمها للحصول على المعلومات الواردة في هذه الإجابة. أعتقد أنها نقطة انطلاق جيدة لتقودك إليها آخر المصادر ، رغم ذلك.


لا تعيش الكائنات الحية فقط على الحرارة. تحصل الكائنات الحية المستقلة (بشكل أو بآخر) عن الشمس على طاقتها عن طريق أكسدة المركبات غير العضوية ، مثل الحديد أو الكبريت. على سبيل المثال ، تقوم بعض البكتيريا بأكسدة الحديد الحديدية (Fe $ ^ {+ 2} $) إلى حديد حديدي (Fe $ ^ {+ 3} $) ، مما يطلق بعض الطاقة التي يمكن استخدامها "لتشغيل" الخلية. توجد قائمة بالتفاعلات المختلفة التي تستخدمها هذه البكتيريا في مقالة ويكيبيديا هذه.

السبب في وجود هذه الأنواع في الفتحات الحرارية الساخنة ليس لأن الحرارة مفيدة على هذا النحو ، ولكن لأن الحديد والكبريت والمواد غير العضوية الأخرى الغنية بالطاقة يتم إطلاقها في المحيط في هذه المواقع. تكيفت البكتيريا معها يسامح الحرارة حتى يتمكنوا من حصاد المواد غير العضوية ؛ لكنهم لا يستفيدون من الحرارة في حد ذاتها.


ما أنواع الكائنات الحية التي تحصل على طاقتها من الكائنات الحية الأخرى؟

المستهلك أن الكائن الحي الذي يحصل على الطاقة عن طريق تناول الكائنات الحية الأخرى. جميع الحيوانات مستهلكة. يجب أن يأخذوا في غذاء لأنهم لا يستطيعون صنع ملكهم. محلل An الكائن الحي الذي يحصل على الطاقة عن طريق الرضاعة على الميت الكائنات الحية والنفايات.

وبالمثل ، ما هي الكائنات الحية التي تحصل على طاقتها من أي موارد؟ الفصل 13 علم الأحياء

شرط تعريف
منتج الكائنات الحية التي تحصل على طاقتها من الموارد غير الحية.
تلقائية التغذية اسم آخر للمنتجين.
مستهلك الكائنات الحية التي تحصل على طاقتها عن طريق تناول كائنات حية أخرى أو كائنات حية مرة واحدة.
مغاير التغذية اسم آخر للمستهلكين.

بعد ذلك ، قد يتساءل المرء أيضًا ، كيف تحصل الأنواع المختلفة من الكائنات الحية على طاقتها؟

الكائنات الحية تحصل على الطاقة في مختلف طرق. المنتجون الكائنات الحية الذي - التي الحصول على طاقتهم مباشرة من الشمس. الكلوروفيل الموجود في الخلايا النباتية يحبس أشعة الشمس طاقة. يستخدم النبات الشمس طاقة + ماء + ثاني أكسيد الكربون ل صنع السكر الذي يستخدمه النبات بعد ذلك إنه وظائف الحياة.

الشمس هي مصدر كل الطاقة والحرارة و ضوء. كمية ضوء الشمس في منطقة ما يحدد ماذا معيشة شيء يمكن أن يعيش هناك. جميع النباتات تستخدم ضوء الشمس لصنع الطعام (السكريات) في عملية تسمى البناء الضوئي. يقومون بتخزين الطعام في أوراقهم وتتدفق الطاقة إلى الحيوانات الأخرى التي تأكل الأوراق.


أنواع الطاقة الحرارية

عندما تهتز الذرات والجزيئات المكونة للجسم ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الداخلية للجسم (الطاقة الحرارية) ، يتم إنشاء تدرج درجة الحرارة. وبالتالي ، غالبًا ما يتم تصنيف الطاقة الحرارية إلى أنواع مختلفة على أساس كيفية انتقال هذه الطاقة الداخلية ، في شكل حرارة ، من جسم إلى آخر. فيما يلي الأنواع المختلفة:

1. التوصيل

هذا هو نوع من الطاقة الحرارية التي تنطوي على حركة الجسيمات المكونة لجسم ما ، دون حركة الجسم نفسه. يمكن عرضه بواسطة الأشياء في جميع المراحل (الصلبة والسائلة والغازية). تؤدي الحركة الاهتزازية لجزيئات الجسم إلى زيادة الطاقة الحرارية (شكل من أشكال الطاقة الداخلية) لكل ذرة أو جزيء يتم نقله عن طريق التلامس مع الذرات والجزيئات المجاورة داخل الجسم.

وبالتالي ، تنتج الطاقة الحرارية المرتبطة بالتوصيل من نقل الطاقة الداخلية المتزايدة لكل ذرة أو جزيء مكون إلى آخر حتى يتم ضبط جميع الذرات أو الجزيئات في حالة اهتزاز. في هذا النوع من الطاقة الحرارية ، يجب أن يتم الاتصال بين الجسيمات المجاورة قبل التمكن من تمرير الطاقة الحرارية على طول الجسم.

في التوصيل ، يتعرض جزء فقط من الموصل للعامل المحرض ، لكن الارتفاع أو الانخفاض في الطاقة الحرارية ينتقل بالتساوي من جسيم مكون إلى آخر. مثال نموذجي يكمن في زيادة درجة حرارة ملعقة من الفولاذ المقاوم للصدأ يتم إدخالها في قدر الطهي لبعض الوقت ، مع استمرار التسخين.

الذرات أو الجزيئات الموجودة داخل الملعقة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والتي تكون في اتصال مباشر مع الجزء الأكثر سخونة من إناء الطهي تصبح مهتزة وتمتلك طاقة داخلية أكبر بسبب حركتها. يتم نقل هذه الطاقة إلى الذرات أو الجزيئات المجاورة حتى يتم ضبط الذرات والجزيئات الموجودة في الملعقة في حالة اهتزاز مع زيادة ناتجة عن الطاقة الداخلية ، والتي تظهر كزيادة في درجة حرارة الملعقة.

2. الحمل الحراري

في حين أن الحمل الحراري لا يحدث فقط داخل الجسم ولكن أيضًا بين جسدين متلامسين. إذا كانت إحدى المواد سائلة أو غازية ، فمن المؤكد أن حركة السوائل ستحدث. يسمى نقل الطاقة بين سطح صلب ومتحرك سائل أو غاز بالحمل الحراري.

يخضع السائل إما للحمل الحراري الطبيعي أو القسري. عندما يتم تسخين سائل أو غاز ، تقل كتلته لكل وحدة حجم بشكل عام. في الحالات التي يكون فيها السائل أو الغاز في مجال الجاذبية ، يرتفع السائل الأكثر سخونة والأخف وزناً بينما يغرق السائل الأكثر برودة والأثقل. هذا النوع من الحركة ، بسبب عدم انتظام درجة حرارة المائع في وجود مجال الجاذبية ، يسمى الحمل الحراري الطبيعي.

يتم تحقيق الحمل القسري عن طريق تعريض السائل لتدرج ضغط وبالتالي إجبار الحركة على الحدوث وفقًا لقانون ميكانيكا الموائع. مثال نموذجي لهذا النوع من الحمل الحراري هو كما يلي: يتم تسخين الماء في المقلاة من الأسفل ، ويتمدد السائل الأقرب إلى القاع وتقلل كثافته من الماء الساخن ، ونتيجة لذلك ، يرتفع إلى الأعلى وبعض المبردات ينزل السائل نحو القاع ، وبالتالي تكوين حركة دورانية.

وبالمثل ، في حجرة رأسية مملوءة بالغاز ، مثل الفراغ الهوائي بين لوحين من النوافذ في نافذة زجاجية مزدوجة ، أو نافذة Thermopane ، يتحرك الهواء بالقرب من الجزء الخارجي البارد لأسفل ويرفع الهواء بالقرب من الجزء الداخلي الأكثر دفئًا ، مما يؤدي إلى حركة الدورة الدموية (يشار إليها باسم "الحمل الحراري")

3. الإشعاع

يختلف هذا النوع من الطاقة الحرارية اختلافًا جوهريًا عن كل من التوصيل والحمل الحراري في أن المواد التي تتبادل الحرارة لا تحتاج إلى الاتصال ببعضها البعض. في الواقع ، يحدث نقل الطاقة الحرارية عن طريق الإشعاع بين جسمين على الرغم من فصلهما بفراغ.

ينطبق مصطلح "إشعاع" بشكل عام على جميع أنواع ظواهر الموجات الكهرومغناطيسية. ينص قانون Planck & # 8217s في الفيزياء على أن: جميع المواد تبعث طاقة مشعة بمجرد وجود درجة حرارة مطلقة موجبة. وبالتالي ، تنتج درجات الحرارة المرتفعة كميات أكبر من الطاقة.

بالإضافة إلى الانبعاث ، فإن جميع المواد قادرة على امتصاص الإشعاع. يتضح هذا من خلال حقيقة أنه على الرغم من أن مكعب الثلج يبعث طاقة مشعة باستمرار ، فإنه يذوب عندما يركز عليه المصباح المتوهج لأنه سيمتص قدرًا أكبر من الحرارة مما يمكن أن ينبعث منه.


ما هو ATP؟

دع & rsquos نلقي نظرة فاحصة على جزيء ATP ، الموضح في الشكل ( PageIndex <2> ). على الرغم من أنه يحمل طاقة أقل من الجلوكوز ، إلا أن تركيبته أكثر تعقيدًا. & ldquoA & rdquo في ATP يشير إلى غالبية الجزيء & ndash adenosine & ndash مزيج من قاعدة نيتروجينية وسكر خماسي الكربون. & ldquoT & rdquo و & ldquoP & rdquo تشير إلى الفوسفات الثلاثة ، المرتبطة بروابط تحمل الطاقة التي تستخدمها الخلايا بالفعل. عادة ، ينكسر الرابط الخارجي فقط لإطلاق أو إنفاق الطاقة للعمل الخلوي.

يشبه جزيء ATP بطارية قابلة لإعادة الشحن: يمكن للخلية استخدام طاقتها عندما تنفصل إلى ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) والفوسفات ، ومن ثم يمكن إعادة شحن البطارية و ldquoworn-out و rdquo ADP باستخدام طاقة جديدة لإرفاق فوسفات جديد و إعادة بناء ATP. المواد قابلة لإعادة التدوير ، لكن تذكر أن الطاقة ليست كذلك! يمكن اختزال ADP بشكل أكبر إلى AMP (أدينوسين أحادي الفوسفات والفوسفات ، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة إضافية. كما هو الحال مع ADT & Quated & quot إلى ATP ، يمكن إعادة شحن AMP إلى ADP.

ما مقدار الطاقة التي يكلفها القيام بعمل جسمك و rsquos؟ تستخدم خلية واحدة حوالي 10 ملايين جزيء ATP في الثانية وتعيد تدوير جميع جزيئات ATP كل 20-30 ثانية تقريبًا.

الشكل ( PageIndex <2> ): يتكون التركيب الكيميائي لـ ATP من سكر مكون من 5 كربون (ريبوز) متصل بقاعدة نيتروجينية (أدينين) وثلاثة فوسفات. عندما تنكسر الرابطة التساهمية بين مجموعة الفوسفات الطرفية ومجموعة الفوسفات الوسطى ، يتم إطلاق الطاقة التي تستخدمها الخلايا للقيام بالعمل.


الملخص

استراتيجيات التنظيم الحراري والتحكم البيئي الموجودة في الطبيعة لا تعد ولا تحصى. في هذه المقالة ، يتم تعريف التوازي بين الحيوانات وأنظمة طاقة البناء من أجل تحديد والتأكيد على الفرص الفورية التي توفرها المحاكاة الحيوية للبحث في المستقبل. كان الدافع هو الحاجة إلى إيجاد حلول بديلة لمعالجة المشاكل بشكل رئيسي في كفاءة أنظمة التدفئة والتهوية والتبريد. نظرًا للمجموعة الواسعة من الاحتمالات التي توفرها الحيوانات ، فإن هذه الدراسة تقتصر إلى حد كبير على الاستراتيجيات التي طورتها الحيوانات ذوات الدم البارد من خلال التكيف التطوري مع البيئة.

تعتمد الطريقة المستخدمة في التحليل على نهج قائم على الحلول. أولاً ، يتم تحديد استراتيجيات مختلفة لتنظيم حرارة الحيوانات (المجال البيولوجي). ثم يتم تحليل الاستراتيجية وتصنيفها إلى ثلاث فئات. هذا التصنيف ضروري من أجل صياغة التوازي مع أنظمة البناء (مرحلة النقل). الخطوة الأخيرة هي تحديد التنفيذ المحتمل (المجال التكنولوجي).

وقد تم اعتبار هذا النهج مفيدًا في خلق فرص بحثية جديدة تعتمد على التقليد الحيوي. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تقديم الحلول المناسبة الناشئة عن أبحاث الفريق متعدد التخصصات كإجابات واعدة للتحديات التي يواجهها بناء أنظمة الطاقة في الوقت الحاضر.


الإلكترونات والطاقة

يسمح نقل الإلكترونات بين الجزيئات عن طريق الأكسدة والاختزال للخلية بنقل واستخدام الطاقة للوظائف الخلوية.

أهداف التعلم

وصف الدور الذي تلعبه الإلكترونات في إنتاج الطاقة وتخزينها

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • عند إضافة إلكترونات إلى مركب ، يتم تقليل المركب ، وهو مركب يقلل من مركب آخر يسمى عامل الاختزال.
  • عندما يتم إزالة الإلكترونات من مركب ، يعتبر المركب مؤكسد مركب يؤكسد آخر يسمى عامل مؤكسد.
  • يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بطريقة تدريجية.
  • حاملات الإلكترون الرئيسية هي NAD + و NADH لأنها يمكن أن تتأكسد بسهولة وتختزل ، على التوالي.
  • NAD + هو الشكل المؤكسد للنياسين و NADH هو الشكل المختزل بعد قبول إلكترونين وبروتون.

الشروط الاساسية

  • أكسدة: رد فعل تفقد فيه ذرات عنصر الإلكترونات ويزداد تكافؤ العنصر.
  • تخفيض: رد فعل يتم فيه اكتساب الإلكترونات وتقليل التكافؤ غالبًا عن طريق إزالة الأكسجين أو إضافة الهيدروجين.
  • نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد: (NAD) أنزيم عضوي يشارك في تفاعلات الأكسدة والاختزال البيولوجية.
  • المكوك الإلكتروني: الجزيئات التي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات الخلوية

الإلكترونات والطاقة

ينتج عن إزالة الإلكترون من الجزيء عبر عملية تسمى الأكسدة انخفاض في الطاقة الكامنة المخزنة في المركب المؤكسد. عندما تحدث الأكسدة في الخلية ، فإن الإلكترون (أحيانًا كجزء من ذرة الهيدروجين) لا يظل غير مرتبط في السيتوبلازم. بدلاً من ذلك ، ينتقل الإلكترون إلى مركب ثانٍ ، مما يقلل من المركب الثاني (تحدث أكسدة أحد الأنواع دائمًا جنبًا إلى جنب مع اختزال نوع آخر).

يؤدي انتقال الإلكترون من مركب إلى آخر إلى إزالة بعض الطاقة الكامنة من المركب الأول (المركب المؤكسد) وزيادة الطاقة الكامنة للمركب الثاني (المركب المختزل). يعد نقل الإلكترونات بين الجزيئات عن طريق الأكسدة والاختزال أمرًا مهمًا لأن معظم الطاقة المخزنة في الذرات تكون في شكل إلكترونات عالية الطاقة ، وهذه الطاقة هي التي تستخدم لتغذية الوظائف الخلوية. يسمح نقل الطاقة على شكل إلكترونات للخلية بنقل الطاقة واستخدامها بطريقة تدريجية: في حزم صغيرة بدلاً من دفعة واحدة مدمرة.

ناقلات الإلكترون

في الأنظمة الحية ، تعمل فئة صغيرة من الجزيئات كمكوكات إلكترونية: فهي تربط وتحمل إلكترونات عالية الطاقة بين المركبات في المسارات الخلوية. حوامل الإلكترون الرئيسية التي سنأخذها في الاعتبار مشتقة من مجموعة فيتامين ب ، وهي مشتقات من النيوكليوتيدات. يمكن اختزال هذه المركبات بسهولة (أي أنها تقبل الإلكترونات) أو تتأكسد (تفقد الإلكترونات). مشتق نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD) من فيتامين ب 3 ، النياسين. NAD + هو الشكل المؤكسد من النياسين NADH هو الشكل المختزل بعد قبول إلكترونين وبروتون (وهما معًا ما يعادل ذرة هيدروجين مع إلكترون إضافي). يشار إلى أن NAD + يجب قبول إلكترونين في وقت واحد لا يمكن أن يعمل كحامل إلكترون واحد.

هيكل NADH و NAD +: يظهر الشكل المؤكسد لحامل الإلكترون (NAD +) على اليسار والشكل المختزل (NADH) يظهر على اليمين. تحتوي القاعدة النيتروجينية في NADH على أيون هيدروجين واحد واثنين من الإلكترونات أكثر من NAD +.

يمكن أن يقبل NAD + الإلكترونات من جزيء عضوي وفقًا للمعادلة العامة:

RH (عامل الاختزال) + NAD + (عامل مؤكسد) → NADH (مخفض) + R (مؤكسد)

عندما تضاف الإلكترونات إلى مركب ، يتم تقليل المركب. يسمى المركب الذي يقلل من الآخر عامل الاختزال. في المعادلة أعلاه ، RH هو عامل مختزل ويتم تقليل NAD + إلى NADH. عندما تتم إزالة الإلكترونات من المركب ، يتأكسد المركب. في المعادلة أعلاه ، NAD + هو عامل مؤكسد ويتأكسد RH إلى R. يعتبر جزيء NADH حاسمًا للتنفس الخلوي ومسارات التمثيل الغذائي الأخرى.

وبالمثل ، فإن فلافين الأدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD +) مشتق من فيتامين ب2، ويسمى أيضًا الريبوفلافين. شكله المصغر هو FADH2. يحتوي الشكل الثاني من NAD ، NADP ، على مجموعة فوسفات إضافية. يستخدم كل من NAD + و FAD + على نطاق واسع في استخراج الطاقة من السكريات ، ويلعب NADP دورًا مهمًا في التفاعلات الابتنائية والتمثيل الضوئي.


الفصل 8 & # 8211 مقدمة في مخطط محاضرة الأيض

· مجموع التفاعلات الكيميائية للكائن يسمى التمثيل الغذائي.

· التمثيل الغذائي هو خاصية ناشئة للحياة تنشأ من التفاعلات بين الجزيئات داخل البيئة المنظمة للخلية.

· تبدأ مسارات التمثيل الغذائي بجزيء معين ، ثم يتم تغييره في سلسلة من الخطوات المحددة لتشكيل منتج معين.

· إنزيم معين يحفز كل خطوة من المسار.

· تطلق المسارات التقويضية الطاقة عن طريق تكسير الجزيئات المعقدة إلى مركبات أبسط.

° المسار الرئيسي للتقويض هو التنفس الخلوي ، حيث يتم تكسير جلوكوز السكر في وجود الأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء.

· مسارات الابتنائية تستهلك الطاقة لبناء جزيئات معقدة من مركبات أبسط. وتسمى أيضًا مسارات التخليق الحيوي.

° يعتبر تخليق البروتين من الأحماض الأمينية مثالاً على الابتنائية.

· يمكن تخزين الطاقة المنبعثة من المسارات التقويضية ثم استخدامها لقيادة المسارات الابتنائية.

· الطاقة أساسية لجميع عمليات التمثيل الغذائي ، وبالتالي فإن فهم الطاقة هو المفتاح لفهم كيفية عمل الخلية الحية.

° الطاقة الحيوية هي دراسة كيفية إدارة الكائنات الحية لموارد طاقتها.

2. الكائنات الحية تحول الطاقة.

· طاقة هي القدرة على القيام بالعمل.

° توجد الطاقة بأشكال مختلفة ، وتحول الخلايا الطاقة من نوع إلى آخر.

· الطاقة الحركية هي الطاقة المرتبطة بالحركة النسبية للأشياء.

° يمكن للكائنات المتحركة أداء العمل عن طريق نقل الحركة إلى مادة أخرى.

° يمكن التقاط فوتونات الضوء وتسخير طاقتها لتشغيل التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء.

° يسخن أو طاقة حرارية هي طاقة حركية مرتبطة بالحركة العشوائية للذرات أو الجزيئات.

· الطاقة الكامنة هي الطاقة التي تمتلكها المادة بسبب موقعها أو هيكلها.

° الطاقة الكيميائية هو شكل من أشكال الطاقة الكامنة المخزنة في الجزيئات بسبب ترتيب ذراتها.

· يمكن تحويل الطاقة من شكل إلى آخر.

° على سبيل المثال ، عندما يصعد صبي إلى منصة غوص ، فإنه يطلق الطاقة الكيميائية المخزنة في خلاياه من الطعام الذي تناوله على الغداء.

° يتم تحويل الطاقة الحركية لحركة عضلاته إلى طاقة كامنة أثناء صعوده إلى أعلى.

° أثناء الغوص ، يتم تحويل الطاقة الكامنة مرة أخرى إلى طاقة حركية.

° تنتقل الطاقة الحركية إلى الماء عند دخوله إليه.

° يتم تحويل بعض الطاقة إلى حرارة بسبب الاحتكاك.

3. تخضع تحولات الطاقة في الحياة لقانونين للديناميكا الحرارية.

· الديناميكا الحرارية هي دراسة تحولات الطاقة.

· في هذا المجال ، يشير مصطلح "النظام" إلى الموضوع قيد الدراسة وتشمل المناطق المحيطة كل شيء خارج النظام.

· يتم عزل النظام المغلق ، الذي يقترب من السائل في الترمس ، عن محيطه.

· في نظام مفتوح ، يمكن نقل الطاقة والمواد بين النظام ومحيطه.

· الكائنات الحية أنظمة مفتوحة.

° تمتص الطاقة - طاقة ضوئية أو كيميائية على شكل جزيئات عضوية - وتطلق الحرارة ومنتجات النفايات الأيضية مثل اليوريا أو ثاني أكسيد الكربون إلى محيطها.

· ال القانون الأول للديناميكا الحرارية تنص على أنه يمكن نقل الطاقة وتحويلها ، لكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.

° يُعرف القانون الأول أيضًا باسم مبدأ الحفاظ على الطاقة.

° لا تنتج النباتات طاقة فهي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

· أثناء كل عملية نقل أو تحويل للطاقة ، يتم تحويل بعض الطاقة إلى حرارة ، وهي الطاقة المرتبطة بالحركة العشوائية للذرات والجزيئات.

· يمكن للنظام استخدام الحرارة لأداء العمل فقط عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة ينتج عنه تدفق الحرارة من مكان أكثر دفئًا إلى مكان أكثر برودة.

° إذا كانت درجة الحرارة موحدة ، كما هو الحال في الخلية الحية ، فلا يمكن استخدام الحرارة إلا لتدفئة الكائن الحي.

· عمليات نقل الطاقة وتحولاتها تجعل الكون أكثر اضطرابًا بسبب فقدان الطاقة القابلة للاستخدام.

· غير قادر علي هي كمية تستخدم كمقياس للاضطراب أو العشوائية.

° كلما كانت مجموعة المادة أكثر عشوائية ، زادت إنتروبياها.

· ال القانون الثاني للديناميكا الحرارية تنص على أن كل نقل للطاقة أو تحول يزيد من إنتروبيا الكون.

° بينما يمكن أن يزداد النظام محليًا ، هناك اتجاه لا يمكن إيقافه نحو التوزيع العشوائي للكون.

° يأخذ الكثير من الانتروبيا المتزايدة للكون شكل زيادة الحرارة ، وهي طاقة الحركة الجزيئية العشوائية.

· في معظم تحولات الطاقة ، يتم تحويل أشكال الطاقة المرتبة جزئياً على الأقل إلى حرارة.

° تقوم السيارات بتحويل 25٪ فقط من الطاقة الموجودة في البنزين إلى حركة ، بينما يُفقد الباقي كحرارة.

° تقوم الخلايا الحية بتحويل أشكال منظمة من الطاقة إلى حرارة لا مفر منها.

· لكي تحدث العملية من تلقاء نفسها ، دون مساعدة خارجية في شكل مدخلات الطاقة ، يجب أن تزيد من إنتروبيا الكون.

· تصف كلمة عفوية عملية يمكن أن تحدث بدون مدخل للطاقة.

° لا يجب أن تحدث العمليات العفوية بسرعة.

° تكون بعض العمليات التلقائية فورية ، مثل حدوث انفجار. بعضها بطيء جدًا ، مثل صدأ سيارة قديمة.

· هناك طريقة أخرى لتوضيح القانون الثاني للديناميكا الحرارية وهي أن تحدث العملية بشكل عفوي ، يجب أن تزيد من إنتروبيا الكون.

· تنشئ الأنظمة الحية هياكل مرتبة من مواد بدائية أقل طلبًا.

° على سبيل المثال ، يتم ترتيب الأحماض الأمينية في سلاسل متعددة الببتيد.

° هيكل الجسم متعدد الخلايا منظم ومعقد.

· ومع ذلك ، فإن الكائن الحي يأخذ أيضًا أشكالًا منظمة من المادة والطاقة من محيطه ويستبدلها بأشكال أقل ترتيبًا.

° على سبيل المثال ، يستهلك الحيوان الجزيئات العضوية كغذاء ويقوضها إلى ثاني أكسيد الكربون منخفض الطاقة والماء.

· على مر الزمن التطوري ، تطورت الكائنات الحية المعقدة من الكائنات الأبسط.

° هذه الزيادة في التنظيم لا تنتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

° قد تتناقص إنتروبيا نظام معين ، مثل الكائن الحي ، طالما أن الانتروبيا الكلية للكون - النظام بالإضافة إلى محيطه - تزداد.

° الكائنات الحية عبارة عن جزر ذات إنتروبيا منخفضة في كون عشوائي بشكل متزايد.

° يتوافق تطور النظام البيولوجي تمامًا مع قوانين الديناميكا الحرارية.

4. يخبرنا تغيير الطاقة الحرة للتفاعل ما إذا كان تلقائيًا.

· كيف يمكننا تحديد التفاعلات التي تحدث بشكل تلقائي وأي التفاعلات تتطلب مدخلًا من الطاقة؟

· يوفر مفهوم الطاقة الحرة وظيفة مفيدة لقياس عفوية النظام.

· طاقة حرة هو جزء من طاقة النظام القادر على أداء العمل عندما تكون درجة الحرارة والضغط منتظمين في جميع أنحاء النظام ، كما هو الحال في الخلية الحية.

· ترتبط الطاقة الحرة (G) في نظام ما بإجمالي المحتوى الحراري (في الأنظمة البيولوجية ، ما يعادل الطاقة) (H) والإنتروبيا (S) من خلال هذه العلاقة:

° G = H - TS ، حيث T هي درجة الحرارة بوحدات كلفن.

° تؤدي الزيادات في درجة الحرارة إلى تضخيم مصطلح الانتروبيا.

° ليست كل الطاقة في النظام متاحة للعمل لأنه يجب طرح مكون الانتروبيا من مكون المحتوى الحراري.

° ما تبقى هو الطاقة المجانية المتوفرة للعمل.

· يمكن اعتبار الطاقة الحرة مقياسًا لاستقرار النظام.

° الأنظمة عالية الطاقة الحرة - الينابيع المضغوطة ، والشحنات المنفصلة ، والبوليمرات العضوية - غير مستقرة وتميل إلى التحرك نحو حالة أكثر استقرارًا ، مع طاقة أقل حرية.

° الأنظمة التي تميل إلى التغيير تلقائيًا هي تلك التي تحتوي على محتوى عالٍ أو إنتروبيا منخفضة أو كليهما.

· في أي عملية تلقائية ، تقل الطاقة الحرة للنظام.

· يمكننا تمثيل هذا التغيير في الطاقة الحرة من بداية العملية حتى نهايتها من خلال:

° DG = الحالة Gfinal - حالة Gstarting

· لكي تكون العملية عفوية ، يجب أن يتخلى النظام عن المحتوى الحراري (انخفاض في H) ، أو التخلي عن النظام (زيادة في S) ، أو كليهما.

° يجب أن تكون قيمة DG سالبة حتى تكون العملية تلقائية.

§ تتميز كل عملية عفوية بانخفاض الطاقة الحرة للنظام.

§ العمليات التي تحتوي على موجب أو صفر DG لا تكون تلقائية أبدًا.

° كلما زاد الانخفاض في الطاقة الحرة ، زاد العمل الذي يمكن أن تؤديه العملية العفوية.

· النظام في حالة توازن يكون في أقصى ثبات.

° في تفاعل كيميائي عند التوازن ، تكون معدلات التفاعلات الأمامية والخلفية متساوية ، ولا يوجد تغيير في تركيز المنتجات أو المواد المتفاعلة.

° عند التوازن DG = 0 ، ولا يمكن للنظام القيام بأي عمل.

° تكون العملية عفوية ولا يمكنها أداء العمل إلا عندما تتحرك نحو التوازن.

° الحركات بعيدًا عن التوازن غير تلقائية وتتطلب إضافة طاقة من مصدر طاقة خارجي (المناطق المحيطة).

· يمكن تصنيف التفاعلات الكيميائية على أنها إما طاردة للطاقة أو ماصة للطاقة على أساس الطاقة الحرة.

· أن رد فعل مفرط تستمر مع صافي إطلاق الطاقة الحرة DG سلبي.

· مقدار DG للتفاعل المطرد للطاقة هو أقصى قدر من الشغل الذي يمكن أن يؤديه التفاعل.

· كلما زاد انخفاض الطاقة الحرة ، زاد مقدار العمل الذي يمكن القيام به.

° للتفاعل الكلي للتنفس الخلوي: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O

° لكل مول (180 جم) من الجلوكوز ينقسم عن طريق التنفس ، يتم توفير 686 سعرة حرارية من الطاقة للقيام بالعمل في الخلية.

§ تحتوي المنتجات على طاقة حرة أقل بمقدار 686 كيلو كالوري من المواد المتفاعلة.

· أن رد فعل مائي هو الذي يمتص الطاقة المجانية من محيطه.

° تخزن تفاعلات Endergonic الطاقة في جزيئات DG موجبة.

° التفاعلات الاندرجونية غير تلقائية ، وحجم DG هو كمية الطاقة المطلوبة لدفع التفاعل.

· إذا أطلق التنفس الخلوي 686 سعرة حرارية ، فإن البناء الضوئي ، التفاعل العكسي ، يجب أن يتطلب استثمارًا مكافئًا للطاقة.

° لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكر ، DG = +686 kcal / mol.

· يعتبر التمثيل الضوئي شديد القوة ، ويتم تشغيله عن طريق امتصاص الطاقة الضوئية.

· ردود الفعل في نظام مغلق تصل في النهاية إلى التوازن ولا يمكنها القيام بأي عمل.

° الخلية التي وصلت إلى التوازن الأيضي لها DG = 0 وهي ميتة!

· يعد عدم التوازن الأيضي أحد السمات المميزة للحياة.

· الخلايا تحافظ على عدم التوازن لأنها أنظمة مفتوحة. يمنع التدفق المستمر للمواد داخل وخارج الخلية مسارات التمثيل الغذائي من الوصول إلى حالة توازن.

° تستمر الخلية في القيام بالعمل طوال حياتها.

· تطلق عملية تقويضية في الخلية طاقة حرة في سلسلة من التفاعلات ، وليس في خطوة واحدة.

· يتم "سحب" بعض تفاعلات التنفس القابلة للانعكاس باستمرار في اتجاه واحد ، حيث لا يتراكم ناتج تفاعل واحد ولكنه يصبح المادة المتفاعلة في الخطوة التالية.

· يوفر ضوء الشمس مصدرًا يوميًا للطاقة المجانية لكائنات التمثيل الضوئي.

· تعتمد الكائنات غير التركيبية الضوئية على نقل الطاقة الحرة من كائنات التمثيل الضوئي في شكل جزيئات عضوية.

5. يقوي ATP العمل الخلوي عن طريق اقتران ردود الفعل المطلقة للتفاعلات endergonic.

· تؤدي الخلية ثلاثة أنواع رئيسية من العمل:

1. العمل الميكانيكي ، مثل ضرب الأهداب ، وتقلص خلايا العضلات ، وحركة الكروموسومات أثناء التكاثر الخلوي.

2. عمل النقل ، وهو ضخ المواد عبر الأغشية عكس اتجاه الحركة التلقائية.

3. العمل الكيميائي ، يقود التفاعلات endergonic مثل تخليق البوليمرات من المونومرات.

· تدير الخلايا موارد طاقتها للقيام بهذا العمل اقتران الطاقة ، استخدام عملية مفرطة الطاقة لدفع عملية مفعمة بالحيوية.

· في معظم الحالات ، المصدر المباشر للطاقة لتشغيل العمل الخلوي هو ATP.

· ATP (ثلاثي فوسفات الأدينوزين) هو نوع من النيوكليوتيدات يتكون من القاعدة النيتروجينية الأدينين ، وريبوز السكر ، وسلسلة من ثلاث مجموعات فوسفاتية.

· يمكن كسر الروابط بين مجموعات الفوسفات بواسطة التحلل المائي.

° يشكل التحلل المائي لمجموعة الفوسفات النهائية ثنائي فوسفات الأدينوزين.

§ يطلق هذا التفاعل 7.3 كيلو كالوري من الطاقة لكل مول من ATP في ظل الظروف القياسية (1 متر من كل مادة متفاعلة ومنتج ، 25 درجة مئوية ، الرقم الهيدروجيني 7).

° في الخلية ، يكون DG للتحلل المائي لـ ATP حوالي 13 كيلو كالوري / مول.

· بينما يشار أحيانًا إلى روابط الفوسفات الخاصة بـ ATP على أنها روابط فوسفات عالية الطاقة ، إلا أنها في الواقع روابط تساهمية ضعيفة إلى حد ما.

° ومع ذلك ، فهي غير مستقرة ، وتنتج تحللها المائي طاقة لأن المنتجات أكثر استقرارًا.

· يأتي إطلاق الطاقة أثناء التحلل المائي لـ ATP من التغير الكيميائي إلى حالة طاقة حرة أقل ، وليس من روابط الفوسفات نفسها.

· لماذا ينتج عن التحلل المائي لـ ATP الكثير من الطاقة؟

° كل مجموعة من مجموعات الفوسفات الثلاث لها شحنة سالبة.

° تتكدس هذه الرسوم الثلاثة المتشابهة معًا ، ويساهم تنافرها المتبادل في عدم استقرار هذه المنطقة من جزيء ATP.

· في الخلية ، تقترن الطاقة الناتجة عن التحلل المائي لـ ATP مباشرة بعمليات endergonic عن طريق نقل مجموعة الفوسفات إلى جزيء آخر.

° هذا الجزيء المتلقي الآن فسفرة.

° هذا الجزيء الآن أكثر تفاعلًا (أقل استقرارًا) من الجزيئات الأصلية غير المفسفرة.

· يتم تشغيل الأعمال الميكانيكية ، والنقل ، والكيميائية في الخلية دائمًا تقريبًا بواسطة التحلل المائي لـ ATP.

° في كل حالة ، يتم نقل مجموعة الفوسفات من ATP إلى جزيء آخر ويخضع الجزيء المُفسفر لتغيير يؤدي العمل.

· ATP هو مورد متجدد يمكن تجديده بإضافة مجموعة فوسفات إلى ADP.

° تأتي الطاقة اللازمة لفسفوريلات ADP من تفاعلات تقويضية في الخلية.

° تعيد الخلية العضلية العاملة تدوير مجموعتها الكاملة من ATP مرة كل دقيقة.

° يتم استهلاك أكثر من 10 ملايين جزيء ATP وتجديدها في الثانية لكل خلية.

· تجديد الـ ATP هو عملية تنطوي على طاقة تتطلب استثمارًا في الطاقة.

· توفر المسارات التقويضية (exergonic) ، وخاصة التنفس الخلوي ، الطاقة اللازمة للتجديد القوي لـ ATP.

· الطاقة الكيميائية الكامنة المخزنة مؤقتًا في ATP تقود معظم العمل الخلوي.

إنزيمات B. هي بروتينات محفزة

1. تسرع الإنزيمات التفاعلات الأيضية عن طريق خفض حواجز الطاقة.

· قد تحدث تفاعلات كيميائية عفوية ببطء شديد بحيث تصبح غير محسوسة.

° يعتبر التحلل المائي لسكر المائدة (السكروز) إلى الجلوكوز والفركتوز طاقة مفرطة.

° على الرغم من ذلك ، فإن السكر الخاص بك يجلس في وعاء بدون تحلل يمكن ملاحظته.

° إذا أضفنا كمية صغيرة من إنزيم محفز السكراز إلى محلول من السكر ، فسيتم تحلل كل السكروز في غضون ثوانٍ.

· أ عامل حفاز هو عامل كيميائي يسرع معدل التفاعل دون أن يستهلكه التفاعل.

° ان إنزيم هو بروتين محفز.

· تنظم الإنزيمات مسارات التمثيل الغذائي.

· يتضمن كل تفاعل كيميائي تكسير الرابطة وتشكيلها.

° لتحليل السكروز بالماء ، يجب كسر الرابطة بين الجلوكوز والفركتوز ويجب أن تتكون روابط جديدة مع أيونات الهيدروجين والهيدروكسيل من الماء.

· للوصول إلى حالة يمكن أن تنكسر فيها الروابط وتتصلح ، يجب أن تمتص الجزيئات المتفاعلة الطاقة من محيطها. عندما تتشكل الروابط الجديدة لجزيئات المنتج ، يتم إطلاق الطاقة كحرارة حيث تتخذ الجزيئات أشكالًا مستقرة مع طاقة أقل.

· الاستثمار الأولي للطاقة لبدء التفاعل هو الطاقة الحرة للتنشيط أو طاقة التفعيل (EA).

· Activation energy is the amount of energy necessary to push the reactants over an energy barrier so that the reaction can proceed.

° At the summit, the molecules are in an unstable condition, the transition state.

° Activation energy may be supplied in the form of heat that the reactant molecules absorb from the surroundings.

° The bonds of the reactants break only when the molecules have absorbed enough energy to become unstable and, therefore, more reactive.

° The absorption of thermal energy increases the speed of the reactant molecules, so they collide more often and more forcefully.

° Thermal agitation of the atoms in the molecules makes bonds more likely to break.

° As the molecules settle into new, stable bonding arrangements, energy is released to the surroundings.

° In exergonic reactions, the activation energy is released back to the surroundings, and additional energy is released with the formation of new bonds.

· For some processes, EA is not high, and the thermal energy provided by room temperature is sufficient for many reactants to reach the transition state.

· In many cases, EA is high enough that the transition state is rarely reached and that the reaction hardly proceeds at all. In these cases, the reaction will only occur at a noticeable rate if the reactants are heated.

° A spark plug provides the energy to energize a gasoline-oxygen mixture and cause combustion.

° Without that activation energy, the hydrocarbons of gasoline are too stable to react with oxygen.

· Proteins, DNA, and other complex organic molecules are rich in free energy. Their hydrolysis is spontaneous, with the release of large amounts of energy.

° However, there is not enough energy at the temperatures typical of the cell for the vast majority of organic molecules to make it over the hump of activation energy.

· How are the barriers for selected reactions surmounted to allow cells to carry out the processes of life?

° Heat would speed up reactions, but it would also denature proteins and kill cells.

· Enzymes speed reactions by lowering EA.

° The transition state can then be reached even at moderate temperatures.

° They hasten reactions that would occur eventually.

° Because enzymes are so selective, they determine which chemical processes will occur at any time.

2. Enzymes are substrate specific.

· The reactant that an enzyme acts on is the المادة المتفاعلة.

· The enzyme binds to a substrate, or substrates, forming an enzyme-substrate complex.

· While the enzyme and substrate are bound, the catalytic action of the enzyme converts the substrate to the product or products.

· The reaction catalyzed by each enzyme is very specific.

· What accounts for this molecular recognition?

° The specificity of an enzyme results from its three-dimensional shape.

· Only a portion of the enzyme binds to the substrate.

° The موقع نشط of an enzyme is typically a pocket or groove on the surface of the protein into which the substrate fits.

° The active site is usually formed by only a few amino acids.

· The specificity of an enzyme is due to the fit between the active site and the substrate.

· As the substrate enters the active site, interactions between the substrate and the amino acids of the protein causes the enzyme to change shape slightly, leading to a tighter نوبة مستحثة that brings chemical groups in position to catalyze the reaction.

3. The active site is an enzyme’s catalytic center.

· In most cases, substrates are held in the active site by weak interactions, such as hydrogen bonds and ionic bonds.

° R groups of a few amino acids on the active site catalyze the conversion of substrate to product.

° The product then leaves the active site.

· A single enzyme molecule can catalyze thousands of reactions a second.

· Enzymes are unaffected by the reaction and are reusable.

· Most metabolic enzymes can catalyze a reaction in both the forward and reverse directions.

° The actual direction depends on the relative concentrations of products and reactants.

° Enzymes catalyze reactions in the direction of equilibrium.

· Enzymes use a variety of mechanisms to lower activation energy and speed up a reaction.

° In reactions involving more than one reactant, the active site brings substrates together in the correct orientation for the reaction to proceed.

° As the active site binds the substrate, it may put stress on bonds that must be broken, making it easier for the reactants to reach the transition state.

° R groups at the active site may create a microenvironment that is conducive to a specific reaction.

§ An active site may be a pocket of low pH, facilitating H+ transfer to the substrate as a key step in catalyzing the reaction.

° Enzymes may briefly bind covalently to substrates.

§ Subsequent steps of the reaction restore the R groups within the active site to their original state.

· The rate that a specific number of enzymes convert substrates to products depends in part on substrate concentrations.

° At low substrate concentrations, an increase in substrate concentration speeds binding to available active sites.

° However, there is a limit to how fast a reaction can occur.

° At high substrate concentrations, the active sites on all enzymes are engaged.

§ The rate of the reaction is determined by the speed at which the active site can convert substrate to product.

· The only way to increase productivity at this point is to add more enzyme molecules.

4. A cell’s physical and chemical environment affects enzyme activity.

· The activity of an enzyme is affected by general environmental conditions, such as temperature and pH.

· Each enzyme works best at certain optimal conditions, which favor the most active conformation for the enzyme molecule.

· Temperature has a major impact on reaction rate.

° As temperature increases, collisions between substrates and active sites occur more frequently as molecules move more rapidly.

° As temperature increases further, thermal agitation begins to disrupt the weak bonds that stabilize the protein’s active conformation, and the protein denatures.

° Each enzyme has an optimal temperature.

§ Most human enzymes have optimal temperatures of about 35–40°C.

§ Bacteria that live in hot springs contain enzymes with optimal temperatures of 70°C or above.

· Each enzyme also has an optimal pH.

· Maintenance of the active conformation of the enzyme requires a particular pH.

° This falls between pH 6 and 8 for most enzymes.

° However, digestive enzymes in the stomach are designed to work best at pH 2, while those in the intestine have an optimum of pH 8.

· Many enzymes require nonprotein helpers, called cofactors, for catalytic activity.

° Cofactors bind permanently or reversibly to the enzyme.

° Some inorganic cofactors include zinc, iron, and copper.

· Organic cofactors are called coenzymes.

° Many vitamins are coenzymes.

· Binding by inhibitors prevents enzymes from catalyzing reactions.

° If inhibitors attach to the enzyme by covalent bonds, inhibition may be irreversible.

° If inhibitors bind by weak bonds, inhibition may be reversible.

· Some reversible inhibitors resemble the substrate and compete for binding to the active site.

° These molecules are called competitive inhibitors.

° Competitive inhibition can be overcome by increasing the concentration of the substrate.

· Noncompetitive inhibitors impede enzymatic reactions by binding to another part of the molecule.

° Binding by the inhibitor causes the enzyme to change shape, rendering the active site less effective at catalyzing the reaction.

· Toxins and poisons are often irreversible enzyme inhibitors.

· Sarin is the nerve gas that was released by terrorists in the Tokyo subway in 1995.

° Sarin binds covalently to the R group on the amino acid serine.

° Serine is found in the active site of acetylcholinesterase, an important nervous system enzyme.

C. The Control of Metabolism

1. Metabolic control often depends on allosteric regulation.

· In many cases, the molecules that naturally regulate enzyme activity behave like reversible noncompetitive inhibitors.

· Regulatory molecules often bind weakly to an allosteric site, a specific receptor on the enzyme away from the active site.

° Binding by these molecules can either inhibit or stimulate enzyme activity.

· Most allosterically regulated enzymes are constructed of two or more polypeptide chains.

° Each subunit has its own active site.

° Allosteric sites are often located where subunits join.

· The binding of an activator stabilizes the conformation that has functional active sites, while the binding of an inhibitor stabilizes the inactive form of the enzyme.

· As the chemical conditions in the cell shift, the pattern of allosteric regulation may shift as well.

· By binding to key enzymes, reactants and products of ATP hydrolysis may play a major role in balancing the flow of traffic between anabolic and catabolic pathways.

° For example, ATP binds to several catabolic enzymes allosterically, inhibiting their activity by lowering their affinity for substrate.

° ADP functions as an activator of the same enzymes.

° ATP and ADP also affect key enzymes in anabolic pathways.

° In this way, allosteric enzymes control the rates of key reactions in metabolic pathways.

· In enzymes with multiple catalytic subunits, binding by a substrate to one active site stabilizes favorable conformational changes at all other subunits, a process called cooperativity.

° This mechanism amplifies the response of enzymes to substrates, priming the enzyme to accept additional substrates.

· A common method of metabolic control is منع ردود الفعل in which an early step in a metabolic pathway is switched off by the pathway’s final product.

° The product acts as an inhibitor of an enzyme in the pathway.

· Feedback inhibition prevents a cell from wasting chemical resources by synthesizing more product than is needed.

2. The localization of enzymes within a cell helps order metabolism.

· Structures within the cell help bring order to metabolic pathways.

· A team of enzymes for several steps of a metabolic pathway may be assembled as a multienzyme complex.

· The product from the first reaction can then pass quickly to the next enzyme until the final product is released.

· Some enzymes and enzyme complexes have fixed locations within the cells as structural components of particular membranes.

° Others are confined within membrane-enclosed eukaryotic organelles.

· Metabolism, the intersecting set of chemical pathways characteristic of life, is a choreographed interplay of thousands of different kinds of cellular molecules.


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.

القانون الأول للديناميكا الحرارية:

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.


10 Causes of Air Pollution

The heat energy that is found from the Earth is called geothermal energy. Sustainable and clean geothermal energy can be found in the hot water and rocks present in the shallow ground. It is also found in the molten rocks available in the extreme depth of the Earth.

  • The heat energy that is found from the Earth is called geothermal energy.
  • Sustainable and clean geothermal energy can be found in the hot water and rocks present in the shallow ground.

The air around us is a very common source of heat energy for heat pumps. Exhaust air is also a good heat source for heat pumps in buildings, both commercial and residential.


Energy flows through all life on Earth

This points out a critical factor in the distribution of energy in human foods too. Eating producers (plants) at the bottom of the food chain is the most efficient way for humans to acquire energy for living. This has implications for humans as we strive to keep a growing human population adequately nourished.

These ideas also introduce the origin of organic matter that later can become fossil fuels. The original source of energy in fossil fuels is sunlight, which fueled photosynthesis. Oil and natural gas come from photosynthetic plankton, which have been preserved in sediments on the ocean floor, heated, and chemically altered into hydrocarbons. Coal comes from plants that have been buried in sediment, compacted, and preserved. These ideas are further explored in Energy Principle 4. (Learn more about where oil comes from.)


شاهد الفيديو: الطاقة الحرارية الجوفية Geothermal energy (كانون الثاني 2023).