Особенности термодинамики биологических систем

Законы термодинамики универсальны и справедливы для любых систем. Однако живые организмы как объект термодинамических исследований имеют ряд особенностей.

1. Живой организм – это открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией.

2. Все биохимические процессы протекают при постоянных температуре и давлении и в отсутствии значительных изменений концентрации и объема.

3. Стандартное состояние для биологических систем отличается от стандартного состояния химических систем. В биологических системах при стандартном состоянии концентрации всех веществ в растворе равны 1 моль/л, парциальные давления газов 1 атм. Отличие касается концентрации ионов Н⁺, которая принимается равной 10^-7 моль/л, что соответствует рН 7, характерному для большинства биологических сред. DG^0/ - стандартная энергия Гиббса для биологических процессов.

4. Живой организм – это открытая система, находящаяся в стационарном состоянии.

Стационарное состояние – это такое состояние системы, при котором все ее параметры постоянны по причине равенства скоростей притока и удаления вещества и энергии.

Таким образом, при стационарном состоянии увеличение энтропии, связанное с процессами усвоения пищи, компенсируется отдачей ее в окружающую среду, а убыль энергии Гиббса восполняется за счет поступления энергии с пищевыми продуктами из окружающей среды. В результате поддерживается постоянство внутренней среды организма, которое в биологии называют гомеостазисом.

В биоэнергетике используются понятия экзергонические и эндергонические процессы. Экзергоническими называют процессы, протекающие в направлении уменьшения энергии Гиббса (DG<0). Процессы, протекающие в направлении увеличения энергии Гиббса (DG>0) называют эндергоническими.

В живых организмах одновременно протекают как экзергонические (расщепление пищевых веществ), так и эндергонические (синтез высокомолекулярных соединений и макроэргических веществ) процессы, что, на первый взгляд, противоречит второму закону термодинамики. Однако это противоречие кажущееся. Эндергонические процессы протекают не изолированно, а в сопряжении с экзергоническими процессами. Свободная энергия, выделяющаяся при окислении пищевых веществ, используется в процессах синтеза сложных биологических молекул, которые сопровождаются поглощением энергии Гиббса. В результате энергия Гиббса системы в целом не меняется или уменьшается в соответствии со вторым законом термодинамики.

Две реакции, из которых одна возможна лишь при условии протекания другой реакции, называют сопряженными.

Сопряжение между анаболическими (процессы синтеза) и катаболическими (процессы распада) процессами осуществляется за счет общих промежуточных соединений. В ходе экзергонических процессов синтезируются макроэргические вещества, которые обладают большими запасами свободной энергии в подвижной форме. Важнейшими макроэргическими вещества являются АТФ, АДФ, креатинфосфат.

Большинство биохимических процессов в организме осуществляется благодаря сопряжению с процессом окисления глюкозы. Процесс окисления глюкозы сопряжен с синтезом макроэргического вещества – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Образующаяся молекула АТФ содержит макроэргические связи, которые легко расщепляются в результате гидролиза:

Выделяющаяся при гидролизе АТФ свободная энергия обеспечивает протекание сопряженных с ее гидролизом термодинамически невыгодных анаболических процессов.