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에너지 및 화학 반응# - 생물학

에너지 및 화학 반응# - 생물학


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화학 반응의 에너지

화학 반응은 반응하는 화학 물질 내 및 환경과의 에너지 재분배를 포함합니다. 따라서 좋든 싫든 에너지가 시스템의 어디에 있는지(아마도 에너지가 "저장"/분배되는 방법) 및 반응에서 에너지가 어떻게 이동할 수 있는지 설명하는 데 도움이 되는 몇 가지 모델을 개발해야 합니다. 우리가 개발하는 모델은 기술적 세부 사항 수준으로 하드 코어 화학자 또는 물리학자를 만족시킬 수 있다는 의미에서 지나치게 상세하지 않을 것이지만, 우리는 그들이 여전히 기술적으로 정확해야 하고 그것을 만들 잘못된 정신적 모델을 형성하지 않아야 한다고 기대합니다. 나중에 "세련"을 이해하기 어렵습니다.

이와 관련하여 이해해야 할 핵심 개념 중 하나는 시스템의 일부 간에 전달되는 에너지에 대해 생각한다는 것입니다. 변형된 것으로 생각하지 않으려고 합니다. "전송"과 "변환"의 구별은 중요합니다. 후자는 에너지가 다른 형태로 존재하는 속성이며 어떻게든 재형성된다는 인상을 줍니다. "변환" 언어의 한 가지 문제는 에너지가 지속적으로 형태를 변경하는 경우 열역학 제1법칙에 따라 에너지가 보존된다는 개념과 조화시키기 어렵다는 것입니다. 개체가 더 이상 동일하지 않은 경우 어떻게 보존할 수 있습니까? 또한 열역학 제2법칙은 어떤 변환도 시스템의 모든 에너지를 보존하지 않는다는 것을 알려줍니다. 에너지가 "변환"되고 있다면 어떻게 보존할 수 있습니까?

따라서 대신 시스템의 다른 부분 간에 에너지를 전송 및 저장하여 이 문제에 접근하고 에너지를 재분배될 수 있는 속성으로 생각합니다. 그렇게 하면 에너지를 더 쉽게 계산할 수 있을 것입니다.

주의:

시스템의 한 부분에서 다른 부분으로 에너지를 전달하는 것에 대해 생각하려면 다음에도 주의해야 합니다. 아니다 유체나 "사물"처럼 움직이는 물질처럼 에너지를 취급합니다. 오히려 우리는 에너지를 단순히 측정하고 재구성할 수 있는 시스템의 속성으로 이해할 필요가 있습니다. 그러나 그것은 "사물"도 아니며 한 번에 한 형태로 있었다가 나중에 다른 형태로 있는 것도 아닙니다.

우리는 종종 생체 분자의 변형을 다루기 때문에 이러한 시스템에서 에너지를 발견/저장할 수 있는 위치에 대해 생각하는 것으로 시작할 수 있습니다. 몇 가지 아이디어로 시작하여 나중에 더 추가할 것입니다.

에너지가 저장될 수 있는 한 장소가 물질의 운동에 있다고 제안합시다. 간결함을 위해 운동에 저장된 에너지에 이름을 지정합니다. 운동 에너지. 생물학의 분자는 일정한 운동을 하므로 일정량의 운동 에너지(움직일 때 저장된 에너지)가 관련되어 있습니다.

또한 생체 분자 자체에 일정량의 에너지가 저장되어 있으며 이러한 분자에 저장된 에너지의 양은 분자에 있는 원자의 유형 및 수 및 분자 조직(사이의 결합 수 및 유형)과 관련이 있다고 제안합니다. 그들을). 분자에서 에너지가 저장되는 정확한 위치에 대한 논의는 이 클래스의 범위를 벗어납니다. 서로 다른 유형의 결합은 서로 다른 양의 에너지를 저장하는 것과 관련될 수 있습니다. 어떤 맥락에서 이러한 유형의 에너지 저장은 다음과 같이 표시될 수 있습니다. 잠재력 또는 화학 에너지. 이러한 관점에서 화학 반응에서 결합을 만들고 끊는 동안 발생하는 일 중 하나는 에너지가 시스템에서 다른 유형의 결합으로 전달된다는 것입니다. Energy Story(다른 모듈의 주제)의 맥락에서, 결합에 저장된 에너지의 양과 반응물의 운동, 결합에 저장된 에너지 및 생성물의 에너지를 이론적으로 계산할 수 있습니다.

어떤 경우에는 생성물에 저장된 에너지와 반응물에 저장된 에너지를 더할 때 이 합이 같지 않다는 것을 알 수 있습니다. 반응물의 에너지가 생성물의 에너지보다 크다면 이 에너지는 어디로 갔습니까? 다른 것으로 옮겨야 했습니다. 일부는 분명히 시스템의 다른 부분으로 이동하여 다른 분자의 움직임(환경을 온난화) 또는 아마도 빛의 광자와 관련된 에너지에 저장되었을 것입니다. 한 가지 좋은 실제 예는 나무와 산소(반응물) 사이의 화학 반응과 이산화탄소와 물(생성물)로의 전환입니다. 처음에 시스템의 에너지는 주로 산소와 나무(반응물)의 분자 결합에 있습니다. 이산화탄소와 물(생성물)에는 여전히 에너지가 남아 있지만 처음보다는 적습니다. 우리 모두는 그 에너지의 일부가 빛과 열의 에너지로 전달되었다는 사실을 알고 있습니다. 에너지가 환경으로 전달되는 이 반응을 발열. 대조적으로, 일부 반응에서는 에너지가 환경에서 전달됩니다. 이러한 반응은 흡열.

환경으로부터의 반응 안팎으로 에너지 전달이 반응이 자발적인지 아닌지를 결정하는 유일한 것은 아닙니다. 우리는 곧 그것에 대해 논의할 것입니다. 현재로서는 반응 중에 에너지가 시스템의 다른 구성 요소 간에 전달될 수 있고 이를 추적하는 것을 상상할 수 있어야 한다는 생각에 익숙해지는 것이 중요합니다.


에너지 및 화학 반응# - 생물학

과학자들은 세포와 같은 살아있는 시스템을 통한 에너지 흐름(그림 1)의 개념을 설명하기 위해 생물 에너지학이라는 용어를 사용합니다. 복잡한 분자의 생성 및 분해와 같은 세포 과정은 단계적 화학 반응을 통해 발생합니다. 이러한 화학 반응 중 일부는 자발적이고 에너지를 방출하는 반면, 다른 화학 반응은 진행하는 데 에너지가 필요합니다.

그림 1. 궁극적으로 대부분의 생명체는 태양으로부터 에너지를 얻습니다. 식물은 광합성을 통해 햇빛을 포착하고 초식 동물은 식물을 먹어 에너지를 얻습니다. 육식 동물은 초식 동물을 먹고 결국 동식물 물질의 분해가 영양소 풀에 기여합니다.

생물이 에너지 공급을 보충하기 위해 지속적으로 음식을 섭취해야 하는 것처럼, 세포는 지속적으로 발생하는 많은 에너지를 필요로 하는 화학 반응에 사용되는 에너지를 보충하기 위해 지속적으로 더 많은 에너지를 생산해야 합니다. 에너지를 소비하거나 생성하는 화학 반응을 포함하여 세포 내부에서 일어나는 모든 화학 반응을 함께 세포의 신진대사라고 합니다.

학습 결과

  • 다양한 유형의 대사 경로 식별
  • 개방형 시스템과 폐쇄형 시스템 구분
  • 열역학 제1법칙을 말하라
  • 열역학 제2법칙을 말하라
  • 운동 에너지와 위치 에너지의 차이점을 설명하십시오.
  • Endergonic 및 Exergonic 반응 설명
  • 효소가 분자 촉매로서 어떻게 기능하는지 토론

이 개미 팀이 죽은 나무를 부수고 있습니다. 팀워크의 전형적인 예. 그리고 그 모든 일에는 에너지가 필요합니다. 사실, 각 화학 반응 - 개미의 세포가 할 수 있는 화학 반응 일하다 - 시작하려면 에너지가 필요합니다. 그리고 그 모든 에너지는 개미가 먹는 음식에서 나옵니다. 개미를 먹는 것은 무엇이든 개미에게서 에너지를 얻습니다. 에너지는 생태계를 한 방향으로만 통과합니다.

화학 반응에는 항상 에너지가 수반됩니다. 에너지 일을 할 수 있는 능력으로 정의되는 물질의 속성이다. 예를 들어 메탄은 연소할 때 열과 빛의 형태로 에너지를 방출합니다. 다른 화학 반응은 에너지를 방출하지 않고 흡수합니다.

발열 반응

에너지(열로)를 방출하는 화학 반응을 발열 반응. 이러한 유형의 반응은 일반 화학 반응식으로 나타낼 수 있습니다.

반응물 및 rarr 제품 + 열

메탄 연소 외에도 발열 반응의 또 다른 예는 염소가 나트륨과 결합하여 식염을 형성하는 것입니다. 이 반응은 또한 에너지를 방출합니다.

흡열 반응

에너지를 흡수하는 화학 반응을 흡열 반응. 이러한 유형의 반응은 일반 화학 반응식으로 나타낼 수도 있습니다.

반응물 + 열 및 rarr 제품

화학 콜드 팩을 사용한 적이 있습니까? 팩은 흡열 반응으로 인해 냉각됩니다. 팩 내부의 튜브가 파손되면 팩 내부의 물과 반응하는 화학 물질이 방출됩니다. 이 반응은 열 에너지를 흡수하고 팩을 빠르게 냉각시킵니다.

활성화 에너지

모든 화학 반응을 시작하려면 에너지가 필요합니다. 에너지를 방출하는 반응조차도 시작하려면 에너지 부스트가 필요합니다. 화학 반응을 시작하는 데 필요한 에너지를 활성화 에너지. 활성화 에너지는 어린이가 놀이터 미끄럼틀을 타기 시작하는 데 필요한 푸시와 같습니다. 미는 동작은 아이가 움직이기 시작할 만큼 충분한 에너지를 주지만, 한번 시작하면 다시 밀지 않고 계속 움직입니다. 활성화 에너지는 수치 아래에.

활성화 에너지. 활성화 에너지는 화학 반응을 시작하는 데 필요한 &ldquopush&rdquo를 제공합니다. 이 그림의 화학 반응은 발열 반응입니까 아니면 흡열 반응입니까?

모든 화학 반응이 시작되는 데 에너지가 필요한 이유는 무엇입니까? 반응이 시작되기 위해서는 반응물 분자가 서로 부딪혀 움직여야 하고 움직이려면 에너지가 필요합니다. 반응 분자가 함께 부딪힐 때, 분자간 힘으로 인해 서로 밀어낼 수 있습니다. 분자가 함께 모여 반응할 수 있도록 이러한 힘을 극복하는 데도 에너지가 필요합니다.


위치 및 운동 에너지

물체가 움직일 때 그 물체와 관련된 에너지가 있습니다. 레슬링 볼을 생각해보십시오. 느리게 움직이는 레킹볼도 다른 물체에 큰 피해를 줄 수 있습니다. 움직이는 물체와 관련된 에너지를 운동 에너지 (그림 5). 과속하는 총알, 걷는 사람, 공기 중 분자의 빠른 움직임(열을 생성함)에는 모두 운동 에너지가 있습니다.

이제 같은 움직이지 않는 레킹볼을 크레인으로 지상 2층 높이로 들어 올리면 어떻게 될까요? 매달린 레킹볼이 움직이지 않으면 에너지가 관련되어 있습니까? 대답은 예입니다. 레킹 볼을 들어 올리는 데 필요한 에너지는 사라지지 않았지만 이제는 레킹 볼의 위치와 중력에 의해 레킹 볼에 저장됩니다. 이러한 유형의 에너지를 잠재력 (그림 5). 공이 떨어지면 공이 땅에 떨어졌을 때 모든 위치 에너지가 소진될 때까지 위치 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다. 레킹볼도 그네를 통해 진자처럼 흔들리고 위치 에너지(그네 상단에서 가장 높음)에서 운동 에너지(그네 하단에서 가장 높음)로의 지속적인 변화가 있습니다. 위치 에너지의 다른 예로는 댐 뒤에 있는 물의 에너지나 비행기에서 스카이다이빙하려는 사람의 에너지가 있습니다.

그림 5 고요한 물은 위치 에너지를 가지고 있습니다. 폭포나 빠르게 흐르는 강의 물은 운동 에너지를 가지고 있습니다. (크레딧 "dam": "Pascal"의 작업 수정/Flickr 크레딧 "waterfall": Frank Gualtieri의 수정)

위치 에너지는 물질의 위치뿐만 아니라 구조 문제의. 땅에 있는 스프링은 압축되면 위치 에너지가 있으므로 팽팽하게 당겨지는 고무 밴드도 마찬가지입니다. 분자 수준에서 분자의 원자를 함께 유지하는 결합은 위치 에너지를 가진 특정 구조에 존재합니다. 세포 경로 필요하다 더 간단한 분자와 다른 경로에서 복잡한 분자를 합성하는 에너지 풀어 주다 이 복잡한 분자가 분해될 때 에너지. 특정 화학 결합의 분해에 의해 에너지가 방출될 수 있다는 사실은 그 결합에 위치 에너지가 있음을 의미합니다. 사실, 우리가 먹는 모든 식품 분자의 결합 내에 저장된 잠재적 에너지가 있으며, 이는 결국 사용을 위해 활용됩니다. 이것은 이러한 결합이 끊어지면 에너지를 방출할 수 있기 때문입니다. 화학 결합 내에 존재하고 이러한 결합이 끊어질 때 방출되는 위치 에너지의 유형을 화학 에너지. 화학 에너지는 음식에서 에너지를 살아있는 세포에 제공하는 역할을 합니다. 에너지 방출은 식품 분자 내의 분자 결합이 끊어질 때 발생합니다.


열용량

비열용량(c) - 물질 1g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열 에너지의 양 SI 단위 – J/(g∙°C).

비열 용량이 높은 물질은 가열하거나 냉각하는 데 더 오래 걸립니다.

일부 일반 물질의 비열 용량


반응의 ΔG는 엔탈피(결합 에너지)와 엔트로피의 변화에 ​​따라 달라집니다

일정한 온도와 압력에서 두 가지 요소가 Δ를 결정합니다.NS 반응의 변화와 따라서 반응이 일어나는 경향이 있는지 여부: 반응물과 생성물 사이의 결합 에너지의 변화와 시스템의 무작위성의 변화. Gibbs는 자유 에너지가 다음과 같이 정의될 수 있음을 보여주었습니다.

엔트로피 NS 시스템의 무작위성 또는 무질서 정도의 척도입니다. 엔트로피는 시스템이 더 무질서해지면 증가하고 더 구조화되면 감소합니다. 예를 들어, 한 용액에서 농도가 더 낮은 다른 용액으로 용질의 확산을 고려하십시오. 이 중요한 생물학적 반응은 그러한 과정에서 엔트로피의 증가에 의해서만 구동됩니다. Δ시간 제로에 가깝다. 이를 보기 위해 0.1M 포도당 용액이 포도당이 확산될 수 있는 막을 통해 많은 양의 물과 분리되어 있다고 가정합니다. 막을 가로지르는 포도당 분자의 확산은 그들이 움직일 수 있는 더 많은 공간을 제공할 것이며 결과적으로 시스템의 무작위성 또는 엔트로피가 증가합니다. 최대 엔트로피는 모든 분자가 가능한 가장 큰 부피로 자유롭게 확산될 수 있을 때, 즉 포도당 분자의 농도가 막의 양쪽에서 동일할 때 달성됩니다. 희석 시 포도당의 수화 정도가 크게 변하지 않으면 Δ시간 포도당 분자가 유리되어 더 큰 부피로 확산되는 반응의 음의 자유 에너지는 대략 0이 될 것입니다.NS 수학식 2-7에서.

앞서 언급했듯이 소수성 결합의 형성은 주로 엔트로피의 변화에 ​​의해 주도됩니다. 즉, 헵탄이나 트리스테아린과 같은 긴 소수성 분자가 물에 용해되면 물 분자는 그 주위에 케이지를 형성하도록 강제되어 자유 운동을 제한합니다. 이것은 배열에 높은 수준의 질서를 부여하고 시스템의 엔트로피를 낮춥니다(ΔNS <𠁐). 엔트로피 변화가 음수이기 때문에 소수성 분자는 수용액에 잘 녹지 않고 서로 결합 상태를 유지하는 경향이 있습니다.

자유 에너지, 엔탈피 및 엔트로피 사이의 관계를 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

많은 생물학적 반응은 질서의 증가로 이어져 엔트로피가 감소합니다(ΔNS <𠁐). 명백한 예는 아미노산을 함께 연결하여 단백질을 형성하는 반응입니다. 단백질 분자의 용액은 연결되지 않은 동일한 아미노산의 용액보다 엔트로피가 낮습니다. 긴 사슬에 결합되어 있을 때 단백질에 있는 아미노산의 자유로운 움직임이 제한되기 때문입니다. 연결 반응이 진행되기 위해서는 4장에서 논의된 바와 같이 시스템의 다른 곳에서 자유 에너지의 보상적 감소가 발생해야 합니다.


에너지 저장 결합이 끊어지면 화학 반응이 에너지를 방출한다는 것을 알게 된 후 중요한 다음 질문은 다음과 같습니다. 이러한 화학 반응과 관련된 에너지는 어떻게 정량화되고 표현됩니까? 한 반응에서 방출된 에너지를 다른 반응의 에너지와 어떻게 비교할 수 있습니까? 자유 에너지 측정은 이러한 에너지 전달을 정량화하는 데 사용됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면 모든 에너지 전달에는 열과 같이 사용할 수 없는 형태의 에너지 손실이 포함됩니다. 자유 에너지는 특히 손실을 고려한 후에 사용할 수 있는 화학 반응과 관련된 에너지를 나타냅니다. 즉, 자유 에너지는 사용 가능한 에너지 또는 일을 할 수 있는 에너지입니다.

화학 반응 중에 에너지가 방출되면 ∆G(델타 G)로 표시되는 자유 에너지의 변화는 음수가 됩니다. 자유 에너지의 음의 변화는 또한 반응 생성물이 반응 중에 일부 자유 에너지를 방출하기 때문에 반응 생성물이 반응물보다 적은 자유 에너지를 갖는다는 것을 의미합니다. 자유 에너지의 음의 변화를 가져 결과적으로 자유 에너지를 방출하는 반응을 엑서고닉 반응이라고 합니다. 생각한다: 인체공학적 에너지는 이팅 시스템. 이러한 반응을 자발적 반응이라고도 하며, 그 생성물은 반응물보다 저장된 에너지가 적습니다. 자발적이라는 용어와 즉시 발생하는 화학 반응의 개념 사이에는 중요한 구별이 있어야 합니다. 일상적으로 사용되는 용어와 달리 자발적인 반응은 갑자기 또는 빠르게 발생하는 반응이 아닙니다. 철의 부식은 시간이 지남에 따라 천천히 조금씩 발생하는 자발적인 반응의 한 예입니다.

화학 반응이 균형에서 에너지를 방출하기보다 에너지를 흡수하는 경우 해당 반응에 대한 ∆G는 양의 값이 됩니다. 이 경우 생성물은 반응물보다 더 많은 자유 에너지를 갖는다. 따라서 이러한 반응의 산물은 에너지 저장 분자로 생각할 수 있습니다. 이러한 화학 반응을 엔더곤 반응과 그들은 비자발적. 자유 에너지의 추가 없이는 엔더곤 반응이 저절로 일어나지 않습니다.

그림 4.6 엔더곤 과정(에너지를 필요로 하는 과정)과 엑서곤 과정(에너지를 방출하는 과정)의 몇 가지 예가 나와 있습니다. (크레딧 a: Natalie Maynor의 작업 수정 크레딧 b: USDA에 의한 작업 수정 크레딧 c: Cory Zanker의 작업 수정 크레딧 d: Harry Malsch의 작업 수정)

표시된 각각의 프로세스를 보고 그것이 엔더식인지 엑서건식인지 결정하십시오.

endergonic 및 exergonic 반응과 관련하여 고려해야 할 또 다른 중요한 개념이 있습니다. Exergonic 반응은 에너지 방출 단계를 진행하기 전에 시작하기 위해 소량의 에너지 입력이 필요합니다. 이러한 반응에는 에너지의 순 방출이 있지만 초기에는 여전히 약간의 에너지 입력이 필요합니다. 모든 화학 반응이 일어나는 데 필요한 이 소량의 에너지 입력을 활성화 에너지라고 합니다.


독립 실습 - 광합성 에너지 모델링

학생들은 이전 섹션의 강의 노트를 자원으로 사용하여 광합성의 빛과 어둠(Calvin Cycle) 반응을 설명하는 모델을 개발할 것입니다. 학생들은 각 과정의 생화학적 단계의 세부 사항에 얽매일 필요가 없습니다. 두 단계 각각에 대한 입력(시작 자료)과 출력(종료 자료)에 초점을 맞춰야 합니다. 학생들은 또한 에너지가 햇빛(빛 에너지)으로 흡수되고 식물이 세포 호흡 중에 사용할 포도당(저장된 화학 에너지)으로 전환될 때 에너지의 변환을 따라가도록 권장합니다.

일반적인 학생 오해 :

  • 식물은 광합성만 할 수 있고 세포 호흡을 하지 않습니다. **식물은 미토콘드리아에서 세포 호흡을 경험하여 저장된 포도당을 에너지로 전환하여 식물의 생명을 유지하고 성장시킵니다.
  • 어두운 곳에서는 어두운 반응이 일어날 수 없습니다. **암흑반응(Calvin Cycle)은 빛 속에서도 일어날 수 있지만 빛과 무관하기 때문에 암반응이라고만 합니다. 즉, 이 화학 반응은 햇빛이 필요하지 않음을 의미합니다.
  • 엽록체는 화학 반응을 일으키는 유일한 세포 소기관입니다. **식물의 모든 세포 소기관은 화학 반응을 겪고 있습니다. 엽록체에는 광합성의 화학 반응을 촉진하는 태양 에너지를 흡수하는 엽록소가 있습니다.
  • 광합성은 무슨 일이 있어도 식물에서 일어납니다! **광합성의 화학 반응은 틸라코이드 막에서 화학 반응을 시작하기 위해 햇빛과 엽록소 색소가 필요합니다. 햇빛(또는 인공 자외선)이 없으면 광합성 과정이 일어나지 않습니다.
  • 캘빈회로는 광반응 없이 저절로 일어날 수 있다. **Calvin Cycle은 광반응의 산물이 일어나야 하므로 광반응이 일어나야 Calvin Cycle이 진행됩니다. 명반응은 암반응(Calvin Cycle)이 일어나도록 하는 물질을 제공한다.

학생 작업 샘플: 일러스트 모델 및 나레이션

학생 작업 샘플: 예시적인 광합성 다이어그램 - 이 인공물은 학생이 광합성과 관련된 복잡한 화학 과정을 마스터하려고 하는 동안 세부 사항에 주의를 기울이는 것을 보여줍니다. 학생의 노력은 햇빛이 저장된 화학 에너지로 전환되는 과정의 각 단계를 따르기 위해 다이어그램을 검토할 때 학습에 도움이 될 것입니다.

학생 작업 샘플: 개선이 필요합니다. 광합성 다이어그램 - 이 인공물은 거의 노력하지 않고 서두르는 것처럼 보이는 학생의 작업을 표시합니다. 가장 큰 걱정은 그림이 그려진 모델이 읽기 어려워 학생이 평가를 준비하면서 모델을 다시 공부하는 데 어려움을 겪을 것이라는 점입니다. 학생들은 이 과제를 성공적으로 수행하기 위해 재능 있는 예술가가 될 필요는 없지만 내용에 대한 학습을 ​​지원하기 위해 세부 사항에 주의를 기울여야 하며 그림 모델을 가능한 한 깔끔하게 만들려고 노력해야 합니다.

학생 작업 샘플: 광합성 과정에 대한 설명: 이 학생의 광합성에 대한 요약 설명은 이 복잡한 화학 반응의 화학 과정에 대한 기본적인 이해를 보여줍니다. 학습 단위가 진행됨에 따라 추가 수업은 이 학생의 이해 수준을 강화할 것입니다.


28 잠재, 운동, 자유, 활성화 에너지

이 섹션이 끝나면 다음을 수행할 수 있습니다.

  • "에너지" 정의
  • 운동 에너지와 위치 에너지의 차이점을 설명하십시오.
  • 자유 에너지와 활성화 에너지의 개념 토론
  • Endergonic 및 Exergonic 반응 설명

우리는 에너지를 일을 할 수 있는 능력으로 정의합니다. 배웠듯이 에너지는 다양한 형태로 존재합니다. 예를 들어, 전기 에너지, 빛 에너지 및 열 에너지는 모두 다른 에너지 유형입니다. 이들은 모두 보거나 느낄 수 있는 친숙한 에너지 유형이지만 훨씬 덜 유형적인 에너지 유형이 있습니다. 과학자들은 이 에너지를 지상의 물체처럼 단순한 것과 연관시킵니다. 에너지가 생물학적 시스템으로 들어오고 나가는 방식을 이해하려면 물리적 세계에 존재하는 다양한 에너지 유형에 대해 더 많이 이해하는 것이 중요합니다.

에너지 유형

물체가 움직이면 에너지가 있습니다. 예를 들어, 비행 중인 비행기는 상당한 에너지를 생성합니다. 움직이는 물체가 변화를 일으키거나 일을 할 수 있기 때문입니다. 레슬링 볼을 생각해보십시오. 느리게 움직이는 레킹볼도 다른 물체에 상당한 피해를 줄 수 있습니다. 그러나 움직이지 않는 레킹볼은 작업을 수행할 수 없습니다. 움직이는 물체의 에너지는 운동 에너지입니다. 과속하는 총알, 걷는 사람, 공기 중의 빠른 분자 운동(열을 생성함), 빛과 같은 전자기 복사는 모두 운동 에너지를 가지고 있습니다.

크레인으로 차 위로 2층 높이의 움직이지 않는 레킹볼을 들어 올리면 어떻게 될까요? 매달린 레킹볼이 움직이지 않는다면 에너지를 연관시킬 수 있습니까? 대답은 예입니다. 매달린 난파구에는 움직이는 물체의 운동 에너지와 근본적으로 다른 관련 에너지가 있습니다. 이 에너지 형태는 잠재적 인 레슬링 볼이 작동하도록 합니다. 우리가 공을 놓으면 효과가 있을 것입니다. 이 에너지 유형은 일을 할 수 있는 잠재력을 나타내기 때문에 우리는 그것을 퍼텐셜 에너지라고 부릅니다. 물체는 다음과 같은 방식으로 운동과 전위 사이에서 에너지를 전달합니다. 난파공은 움직이지 않고 매달려 있으므로 운동 에너지는 0이고 위치 에너지는 100%입니다. 일단 방출되면 중력으로 인해 속도가 증가하기 때문에 운동 에너지가 증가하기 시작합니다. 동시에 지면에 가까워지면 위치 에너지를 잃습니다. 가을 중순 어딘가에는 50%의 운동 에너지와 50%의 위치 에너지가 있습니다. 공이 땅에 떨어지기 직전에 공은 위치 에너지를 거의 잃어버리고 거의 최대 운동 에너지를 갖게 됩니다. 위치 에너지의 다른 예로는 댐 뒤에 있는 물의 에너지((그림)) 또는 비행기에서 스카이다이빙하려는 사람이 있습니다.

우리는 잠재적 에너지를 물질의 위치(예: 나뭇가지에 앉아 있는 아이)뿐만 아니라 물질의 구조와 연관시킵니다. 땅에 있는 스프링은 압축되면 위치 에너지가 있으므로 팽팽하게 당겨진 고무 밴드도 마찬가지입니다. 살아있는 세포의 존재 자체가 구조적 위치 에너지에 크게 의존합니다. 화학적 수준에서 분자와 원자를 함께 유지하는 결합에는 위치 에너지가 있습니다. 동화 세포 경로는 더 단순한 것에서 복잡한 분자를 합성하기 위해 에너지를 필요로 하고, 이화 대사 경로는 복잡한 분자가 분해될 때 에너지를 방출한다는 것을 기억하십시오. 특정 화학 결합의 분해가 에너지를 방출할 수 있다는 것은 그 결합에 위치 에너지가 있음을 의미합니다. 사실, 우리가 섭취하는 모든 식품 분자의 결합 내에 저장된 잠재적 에너지가 있으며, 결국 이를 이용하여 이용하게 됩니다. 이것은 이러한 결합이 끊어지면 에너지를 방출할 수 있기 때문입니다. 과학자들은 화학 결합이 화학 에너지를 끊을 때 방출되는 화학 결합 내에 존재하는 위치 에너지 유형을 호출합니다((그림)). 화학 에너지는 음식에서 에너지를 살아있는 세포에 제공하는 역할을 합니다. 연료 분자 내의 분자 결합을 끊으면 에너지가 방출됩니다.

이 사이트를 방문하여 메뉴에서 "단순 진자"("조화 운동" 아래)를 선택하여 운동 중인 진자의 이동 운동(K) 및 위치 에너지(U)를 확인합니다.

자유 에너지

에너지 저장 결합이 끊어질 때 화학 반응이 에너지를 방출한다는 것을 알게 된 후 중요한 다음 질문은 관련 에너지와 함께 화학 반응을 어떻게 정량화하고 표현할 수 있습니까? 한 반응에서 방출되는 에너지를 다른 반응의 에너지와 어떻게 비교할 수 있습니까? 우리는 이러한 에너지 전달을 정량화하기 위해 자유 에너지 측정을 사용합니다. 과학자들은 측정을 개발한 과학자 Josiah Willard Gibbs의 이름을 따서 이 자유 에너지를 Gibbs 자유 에너지(문자 G로 축약함)라고 부릅니다. 열역학 제2법칙에 따르면 모든 에너지 전달에는 열과 같은 사용할 수 없는 형태의 일부 에너지가 손실되어 엔트로피가 발생한다는 사실을 기억하십시오. Gibbs 자유 에너지는 특히 엔트로피를 고려한 후에 사용할 수 있는 화학 반응으로 발생하는 에너지를 나타냅니다. 즉, Gibbs 자유 에너지는 사용 가능한 에너지 또는 작업을 수행할 수 있는 에너지입니다.

모든 화학 반응에는 델타 G(∆G)라고 하는 자유 에너지의 변화가 포함됩니다. 화학 반응과 같이 그러한 변화를 겪는 시스템에 대한 자유 에너지의 변화를 계산할 수 있습니다. ∆G를 계산하려면 시스템의 총 에너지 변화에서 엔트로피로 손실된 에너지 양(∆S로 표시)을 빼십시오. 과학자들은 이 시스템의 총 에너지 변화를 엔탈피라고 부르며 우리는 이것을 ∆H로 표시합니다. ∆G를 계산하는 공식은 다음과 같습니다. 여기서 기호 T는 켈빈 단위의 절대 온도(섭씨 + 273도)를 나타냅니다.

우리는 화학 반응의 표준 자유 에너지 변화를 표준 pH, 온도 및 압력에서 반응 생성물의 몰당 에너지 양으로 표현합니다(킬로줄 또는 킬로칼로리, kJ/mol 또는 kcal/mol 1 kJ = 0.239 kcal). 정황. 일반적으로 생물학적 시스템의 pH 7.0, 섭씨 25도 및 100킬로파스칼(1기압)의 표준 pH, 온도 및 압력 조건을 계산합니다. 세포 조건은 이러한 표준 조건과 상당히 다르므로 생물학적 반응에 대해 계산된 표준 ∆G 값은 세포 내부에서 다를 수 있습니다.

Endergonic 반응 및 Exergonic 반응

화학 반응 중에 에너지가 방출되면 위 방정식의 결과 값은 음수가 됩니다. 즉, 에너지를 방출하는 반응은 ∆G < 0입니다. 음의 ∆G는 또한 반응 생성물이 반응 중에 약간의 자유 에너지를 방출하기 때문에 반응 생성물이 반응물보다 적은 자유 에너지를 갖는다는 것을 의미합니다. 과학자들은 음의 ∆G를 갖고 결과적으로 자유 에너지를 방출하는 반응을 엑서곤 반응이라고 부릅니다. 생각한다: ergonic은 에너지를 의미합니다 이팅 시스템. 이러한 반응은 시스템에 에너지를 추가하지 않고도 발생할 수 있기 때문에 자발적 반응이라고도 합니다. 어떤 화학 반응이 자발적이고 자유 에너지를 방출하는지 이해하는 것은 생물학자들에게 매우 유용합니다. 이러한 반응은 세포 내부에서 작업을 수행하는 데 활용할 수 있기 때문입니다. 우리는 자발적이라는 용어와 즉시 발생하는 화학 반응의 개념 사이에 중요한 구별을 해야 합니다. 일상적으로 사용되는 용어와 달리 자발적인 반응은 갑자기 또는 빠르게 발생하는 반응이 아닙니다. 녹슨 철은 시간이 지남에 따라 천천히 조금씩 발생하는 자발적인 반응의 한 예입니다.

화학 반응이 에너지를 방출하는 것보다 에너지 입력을 필요로 한다면, 그 반응에 대한 ∆G는 양의 값이 될 것입니다. 이 경우 생성물은 반응물보다 더 많은 자유 에너지를 갖는다. 따라서 우리는 반응 생성물을 에너지 저장 분자로 생각할 수 있습니다. 우리는 이러한 화학 반응을 endergonic 반응이라고 부르며, 이는 자발적이지 않습니다. 자유 에너지를 추가하지 않으면 에너지 반응이 저절로 일어나지 않습니다.

식품 분자인 포도당의 합성과 분해의 예를 다시 살펴보겠습니다. 더 간단한 것에서 설탕과 같은 복잡한 분자를 만드는 것은 동화 과정이며 에너지가 필요하다는 것을 기억하십시오. 따라서 동화 과정과 관련된 화학 반응은 엔더곤 반응입니다. 또는 설탕을 더 단순한 분자로 분해하는 이화 과정은 일련의 엑서고닉 반응에서 에너지를 방출합니다. 위의 녹의 예와 같이 설탕 분해는 자발적인 반응을 포함하지만 이러한 반응은 순간적으로 발생하지 않습니다. (그림)은 endergonic 및 exergonic 반응의 몇 가지 다른 예를 보여줍니다. 나중 섹션에서는 자발적인 반응이 더 효율적으로 일어나도록 하는 데 필요한 기타 정보를 제공할 것입니다.

각각의 과정을 살펴보고 그것이 엔더건인지 엑서건인지 결정하세요. 각각의 경우에 엔탈피는 증가하거나 감소하고 엔트로피는 증가하거나 감소합니까?

신진대사와 에너지 연구에서 중요한 개념은 화학적 평형의 개념입니다. 대부분의 화학 반응은 가역적입니다. 그들은 양방향으로 진행할 수 있으며, 한 방향에서는 환경으로 에너지를 방출하고 다른 방향에서는 환경에서 에너지를 흡수합니다((그림)). 개별 아미노산으로 단백질을 분해하고 생성하는 것과 같은 세포 대사에 관련된 화학 반응에 대해서도 마찬가지입니다. 닫힌 시스템 내의 반응물은 가능한 가장 낮은 자유 에너지 및 최대 엔트로피 상태인 평형 상태에 도달할 때까지 양방향으로 화학 반응을 겪습니다. 반응물과 생성물을 평형 상태에서 멀어지게 하려면 에너지가 필요합니다. 반응물 또는 생성물 중 하나를 추가, 제거 또는 변경해야 합니다. 세포가 닫힌 시스템이라면 화학 반응은 평형에 도달하고 생명을 유지하는 데 필요한 작업을 수행하는 데 필요한 자유 에너지가 충분하지 않기 때문에 세포는 죽을 것입니다. 살아있는 세포에서 화학 반응은 끊임없이 평형을 향해 움직이지만 결코 도달하지 못합니다. 이것은 살아있는 세포가 열린 시스템이기 때문입니다. 물질이 들어오고 나가며, 세포는 특정 화학 반응의 생성물을 다른 반응으로 재활용하며, 화학 평형은 결코 없습니다. 이러한 방식으로, 살아있는 유기체는 평형과 엔트로피에 맞서 끊임없이 에너지를 요구하고 힘든 싸움을 하고 있습니다. 이 일정한 에너지 공급은 궁극적으로 광합성 과정에서 영양분을 생성하는 햇빛에서 비롯됩니다.

활성화 에너지

endergonic 및 exergonic 반응과 관련하여 고려해야 할 또 다른 중요한 개념이 있습니다. 과격한 반응조차도 에너지 방출 단계를 진행하기 전에 소량의 에너지 입력이 필요합니다. 이러한 반응은 순 에너지 방출을 갖지만 여전히 약간의 초기 에너지가 필요합니다. 과학자들은 활성화 에너지(또는 활성화 자유 에너지)가 일어나기 위해 필요한 모든 화학 반응에 필요한 이 소량의 에너지 입력을 E로 약칭합니다.NS ((수치)).

에너지를 방출하는 음의 ∆G 반응이 진행되는 데 실제로 약간의 에너지가 필요한 이유는 무엇입니까? 그 이유는 화학 반응 중에 일어나는 단계에 있습니다. 화학 반응 중에 특정 화학 결합이 끊어지고 새로운 결합이 형성됩니다. 예를 들어, 포도당 분자가 분해되면 분자의 탄소 원자 사이의 결합이 끊어집니다. 이들은 에너지 저장 결합이기 때문에 끊어지면 에너지를 방출합니다. 그러나 결합을 끊을 수 있는 상태로 만들려면 분자가 약간 뒤틀려 있어야 합니다. 이 뒤틀린 상태를 달성하려면 작은 에너지 입력이 필요합니다. 이 뒤틀린 상태는 전이 상태이며, 에너지가 높고 불안정한 상태입니다. 이러한 이유로 반응 분자는 전이 상태에서 오래 지속되지 않고 화학 반응의 다음 단계로 매우 빠르게 진행됩니다. 자유 에너지 다이어그램은 주어진 반응에 대한 에너지 프로파일을 보여줍니다. 반응이 exergonic 또는 endergonic인지 여부는 다이어그램의 생성물이 반응물과 생성물 모두보다 더 낮거나 높은 에너지 상태로 존재할 것인지 여부를 결정합니다. 그러나 이러한 조치에도 불구하고 반응의 전이상태는 반응물보다 높은 에너지 상태로 존재하므로 ENS 항상 긍정적입니다.

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화학 반응물에 필요한 활성화 에너지는 어디에서 오는가? 반응을 진행시키는 데 필요한 활성화 에너지는 일반적으로 주변의 열 에너지입니다. 열 에너지(화학 반응에서 반응물 또는 생성물의 총 결합 에너지)는 분자 운동을 가속화하여 충돌하는 빈도와 힘을 증가시킵니다. 또한 분자 내의 원자와 결합을 약간 움직여 전이 상태에 도달하도록 돕습니다. 이러한 이유로 시스템을 가열하면 시스템 내의 화학 반응물이 더 자주 반응하게 됩니다. 시스템에 대한 압력을 높이는 것도 같은 효과가 있습니다. 반응물이 주위로부터 충분한 열 에너지를 흡수하여 전이 상태에 도달하면 반응이 진행됩니다.

특정 반응의 활성화 에너지는 진행 속도를 결정합니다. 활성화 에너지가 높을수록 화학 반응이 느려집니다. 철 부식의 예는 본질적으로 느린 반응을 보여줍니다. 이 반응은 높은 E 때문에 시간이 지남에 따라 천천히 발생합니다.NS. 또한, 불꽃에서 나오는 충분한 열이 활성화 에너지를 초과하지 않는 한, 강한 발열성인 많은 연료의 연소는 무시할 수 있는 속도로 발생합니다. 그러나 일단 연소되기 시작하면 화학 반응은 연소 과정을 계속하기에 충분한 열을 방출하여 주변 연료 분자에 활성화 에너지를 공급합니다. 세포 외부의 이러한 반응과 마찬가지로 대부분의 세포 반응에 대한 활성화 에너지는 열 에너지가 효율적인 속도로 극복하기에는 너무 높습니다. 즉, 중요한 세포 반응이 상당한 비율(단위 시간당 반응 수)로 발생하려면 활성화 에너지를 낮춰야 합니다((그림)). 과학자들은 이것을 촉매라고 부릅니다. 이것은 살아있는 세포에 관한 한 아주 좋은 것입니다. 단백질, DNA 및 RNA와 같은 중요한 거대분자는 상당한 에너지를 저장하며 분해는 엑서고닉입니다. 세포 온도만으로도 이러한 발열 반응이 활성화 장벽을 극복하기에 충분한 열 에너지를 제공하면 세포의 필수 구성 요소가 분해됩니다.

자당(설탕)을 분해하는 데 활성화 에너지가 필요하지 않다면 설탕 그릇에 저장할 수 있습니까?

섹션 요약

에너지는 다양한 형태로 나타납니다. 움직이는 물체는 물리적인 일을 하고 운동 에너지는 움직이는 물체의 에너지입니다. 움직이지 않는 물체는 일을 할 수 있는 잠재력이 있고 따라서 위치 에너지가 있습니다. 분자는 분자 결합을 끊으면 에너지를 방출할 가능성이 있기 때문에 분자도 위치 에너지를 가지고 있습니다. 살아있는 세포는 일을 수행하기 위해 분자 결합에서 포텐셜 에너지를 수확하는 것에 의존합니다. 자유 에너지는 작업에 사용할 수 있는 에너지의 척도입니다. 시스템의 자유 에너지는 화학 반응과 같은 에너지 전달 중에 변화하며 과학자들은 이 변화를 ∆G라고 합니다.

반응 ∆G는 음수 또는 양수일 수 있으며, 이는 반응이 각각 에너지를 방출하거나 에너지를 소비함을 의미합니다. 에너지를 방출하는 음의 ∆G 반응은 엑서건 반응입니다. 에너지 입력을 필요로 하는 양의 ∆G를 갖는 것은 에너지 반응입니다. Exergonic 반응은 생성물이 반응물보다 에너지가 적기 때문에 자발적입니다. Endergonic reaction’ 생성물은 반응물보다 높은 에너지 상태를 가지므로 비자발적 반응입니다. 그러나 모든 반응(자발적 -∆G 반응 포함)은 진행되는 전이 상태에 도달하기 위해 초기 에너지 입력이 필요합니다. 이 초기 에너지 입력은 활성화 에너지입니다.

시각적 연결 질문

(그림) 각 과정을 보고 엔더곤인지 엑서건인지 판단한다. 각각의 경우에 엔탈피는 증가하거나 감소하고 엔트로피는 증가하거나 감소합니까?

(그림) 퇴비 더미 분해는 엔탈피 증가(에너지 방출) 및 엔트로피 증가(큰 분자가 더 작은 분자로 분해됨) 과정입니다. 수정란에서 자라는 아기는 엔탈피가 감소하고(에너지가 흡수됨) 엔트로피가 감소하는 엔탈피 과정입니다. 샌드 아트가 파괴되는 것은 엔탈피의 변화는 없지만 엔트로피는 증가하는 exergonic 과정입니다. 내리막으로 구르는 공은 엑서고닉 과정으로 엔탈피가 감소하지만(에너지가 방출됨) 엔트로피에는 변화가 없습니다.

(그림) 자당(설탕)을 분해하는 데 활성화 에너지가 필요하지 않다면 설탕 그릇에 저장할 수 있습니까?

(그림) 아닙니다. 화학 에너지는 분해 장벽을 극복해야 하기 때문에 저장할 수 있습니다.

질문 검토

진자가 흔들리는 것을 고려하십시오. 다음과 같은 경우 진자와 관련된 에너지 유형: i. 다른 쪽 끝으로 되돌아가기 시작하기 직전, 한 사이클을 완료하는 순간, ii. 두 끝 사이의 중간에 있는 순간, iii. 한 사이클의 끝에 도달하기 직전(즉석 i. 직전).

  1. NS. 잠재력과 운동성, ii. 잠재력과 운동성, iii. 운동
  2. NS. 잠재력, ii. 잠재력과 운동성, iii. 잠재력과 운동
  3. NS. 잠재력, ii. 운동, iii. 잠재력과 운동
  4. NS. 잠재력과 운동성, ii. 운동 iii. 운동

다음 중 endergonic 반응과 exergonic 반응 사이의 비교 또는 대조 중 잘못된 것은 무엇입니까?

  1. Endergonic 반응은 양의 ∆G를 가지며 Exergonic 반응은 음의 ∆G를 갖습니다.
  2. Endergonic 반응은 에너지를 소비하고 Exergonic 반응은 에너지를 방출합니다.
  3. endergonic 및 exergonic 반응 모두 활성화 장벽을 극복하기 위해 소량의 에너지가 필요합니다.
  4. Endergonic 반응은 천천히 발생하고 Exergonic 반응은 빠르게 발생합니다.

다음 중 주어진 두 화학 반응 사이의 상대적 활성화 에너지를 판단하는 가장 좋은 방법은 무엇입니까?

  1. 두 반응 사이의 ∆G 값을 비교하십시오.
  2. 그들의 반응 속도를 비교하십시오.
  3. 이상적인 환경 조건을 비교하십시오.
  4. 두 반응 사이의 자발성을 비교하십시오.

비판적 사고 질문

자발적인 반응과 순간적으로 발생하는 반응의 차이점과 이러한 차이의 원인을 자신의 말로 설명하십시오.

자발적 반응은 음의 ∆G를 가지므로 에너지를 방출하는 반응입니다. 그러나, 자발적인 반응이 순간적인 반응처럼 빠르게 또는 갑자기 일어날 필요는 없다. 큰 활성화 에너지로 인해 장기간에 걸쳐 발생할 수 있으며, 이는 반응이 빠르게 일어나는 것을 방해합니다.

endergonic 및 exergonic 반응 모두에 대해 반응물 및 생성물의 위치에 대해 수직 에너지 규모에서 전이 상태의 위치를 ​​낮은 것에서 높은 것으로 설명하십시오.

전이 상태는 반응이 endergonic인지 exergonic인지에 관계없이 항상 반응물 및 반응 생성물(따라서 위)보다 에너지가 더 높습니다.

용어 사전


독일-영국 의사이자 생화학자 Hans Krebs의 1957년 책 생명체의 에너지 변환 (Hans Kornberg와 함께 작성) [1]은 생화학 반응의 열역학에 대한 최초의 주요 출판물이었습니다. 또한 부록에는 Kenneth Burton이 작성한 최초의 출판된 열역학 표가 포함되어 있어 화학 종에 대한 평형 상수와 Gibbs 자유 에너지를 포함하여 아직 발생하지 않은 생화학 반응을 계산할 수 있습니다.

생물학적 유기체가 무질서에서 어떻게 발달할 수 있는지 설명하기 위해 비평형 열역학이 적용되었습니다. Ilya Prigogine은 이러한 시스템의 열역학적 처리 방법을 개발했습니다. 그는 이러한 시스템을 소산 시스템이라고 불렀습니다. 시스템과 환경 사이에서 에너지를 교환하는 소산 과정에 의해 형성 및 유지되고, 그 교환이 중단되면 사라지기 때문입니다. 환경과 공생하며 살고 있다고 할 수 있습니다. 생물학에서 에너지 변환은 주로 광합성에 의존합니다. 태양 복사로부터 녹색 식물의 광합성에 의해 포착된 총 에너지는 연간 약 2 x 10 23줄의 에너지입니다. [2] 녹색 식물에서 광합성에 의해 포착되는 연간 에너지는 지구에 도달하는 전체 햇빛 에너지의 약 4%입니다. 열수 분출구를 둘러싼 생물학적 공동체의 에너지 변환은 황을 산화시켜 광합성이 아닌 화학 합성을 통해 에너지를 얻는 예외입니다.

생물학적 열역학 분야는 생물학 및 생화학에서 화학 열역학의 원리에 중점을 둡니다. 다루는 원리에는 열역학 제1법칙, 열역학 제2법칙, 깁스 자유 에너지, 통계적 열역학, 반응 역학 및 생명의 기원 가설이 포함됩니다. 현재, 생물학적 열역학은 ATP 가수분해, 단백질 안정성, DNA 결합, 막 확산, 효소 역학[3] 및 기타 필수 에너지 제어 경로와 같은 내부 생화학적 역학 연구와 관련이 있습니다. 열역학적 측면에서 화학 반응 동안 일을 할 수 있는 에너지의 양은 깁스 자유 에너지의 변화에 ​​의해 정량적으로 측정됩니다. 물리 생물학자인 Alfred Lotka는 깁스 자유 에너지의 변화를 진화론과 통합하려고 시도했습니다.

생물학적 시스템의 에너지 변환

태양은 생명체의 주요 에너지원입니다. 식물과 같은 일부 생물체는 햇빛을 직접적으로 필요로 하는 반면, 인간과 같은 다른 생물체는 태양으로부터 간접적으로 에너지를 얻을 수 있습니다. [4] 그러나 호수의 두꺼운 얼음층 아래에 ​​있는 남극과 같은 혹독한 환경에서 일부 박테리아가 번성할 수 있다는 증거가 있습니다. 생물의 종류에 관계없이 모든 생물은 살기 위해 에너지를 포착, 변환, 저장 및 사용해야 합니다.

들어오는 햇빛의 에너지와 파장 λ 또는 주파수 ν 사이의 관계는 다음과 같이 주어집니다.

어디 시간 플랑크 상수(6.63x10 -34 Js)이고 는 빛의 속도(2.998x10 8 m/s)입니다. 식물은 햇빛으로부터 이 에너지를 포획하고 광합성을 거쳐 태양 에너지를 화학 에너지로 효과적으로 변환합니다. 다시 한 번 에너지를 전달하기 위해 동물은 식물을 먹고 소화된 식물 물질의 에너지를 사용하여 생물학적 거대 분자를 생성합니다.

열역학 진화론

생물학적 진화는 열역학 이론을 통해 설명될 수 있습니다. 열역학의 네 가지 법칙은 진화의 이면에 있는 생물학적 이론을 구성하는 데 사용됩니다. 열역학 제1법칙은 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없다는 것입니다. 어떤 생명체도 에너지를 만들 수는 없지만 환경을 통해 에너지를 얻어야 합니다. 열역학 제2법칙은 에너지가 변환될 수 있으며 생명체에서 매일 발생한다고 말합니다. 유기체가 환경에서 에너지를 취하면 유용한 에너지로 변환할 수 있습니다. 이것은 열대 역학의 기초입니다.

일반적인 예는 개방형 시스템이 에너지 분산을 최대화하는 방향으로 움직이는 모든 생태계로 정의될 수 있다는 것입니다. 모든 것은 진화의 관점에서 DNA의 변화에서 발생하여 생물 다양성을 증가시키는 최대 엔트로피 생산을 위해 노력합니다. 따라서 다양성은 열역학 제2법칙과 연결될 수 있습니다. 다양성은 또한 엔트로피를 최대화하기 위해 동적 평형을 향해 확산하는 확산 과정이라고 주장할 수 있습니다. 따라서 열역학은 천이의 방향과 속도와 함께 진화의 방향과 속도를 설명할 수 있습니다. [5]

열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존법칙으로 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있지만 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없습니다. [6] 첫 번째 법칙에서 헤스의 법칙이라는 원리가 발생한다. 헤스의 법칙은 주어진 반응에서 흡수되거나 방출되는 열이 항상 일정하고 반응이 일어나는 방식과 무관해야 한다고 명시합니다. 일부 중간 반응은 흡열 반응일 수 있고 다른 반응은 발열 반응일 수 있지만 총 열 교환은 공정이 직접 발생한 열 교환과 같습니다. 이 원리는 화학 반응에서 열량을 결정하는 데 사용되는 장치인 열량계의 기초입니다. 들어오는 모든 에너지는 음식으로 체내에 들어오고 궁극적으로 산화되기 때문에 총 열 생산은 음식의 산화에 의해 생성되는 열을 열량계로 측정하여 추정할 수 있습니다. 이 열은 영양 라벨에 있는 식품 에너지의 일반적인 단위인 킬로칼로리로 표시됩니다. [7]

열역학 제2법칙

열역학 제2법칙은 주로 주어진 과정이 가능한지 여부에 관한 것입니다. 제2법칙은 우주의 엔트로피가 증가하지 않는 한 자연적 과정은 일어날 수 없다고 말합니다. [8] 달리 말하면 고립된 시스템은 항상 무질서한 경향이 있습니다. 살아있는 유기체는 조직 수준을 높일 수 있기 때문에 종종 제2법칙을 무시한다고 잘못 믿어집니다. 이 잘못된 해석을 바로잡기 위해서는 단순히 시스템과 경계의 정의를 참조해야 합니다. 살아있는 유기체는 환경과 물질과 에너지를 교환할 수 있는 열린 시스템입니다. 예를 들어, 인간은 음식을 섭취하고 이를 구성 요소로 분해한 다음 이를 사용하여 세포, 조직, 인대 등을 만듭니다. 이 과정은 신체의 질서를 증가시켜 엔트로피를 감소시킵니다. 그러나 인간은 또한 1) 의복 및 접촉하는 기타 물체에 열을 전도하고, 2) 체온과 환경의 차이로 인해 대류를 생성하고, 3) 공간으로 열을 방출하고, 4) 에너지 함유 물질을 소비합니다(즉, 음식), 그리고 5) 폐기물(예: 이산화탄소, 물 및 기타 호흡, 소변, 대변, 땀 등의 구성요소)을 제거합니다. 이러한 모든 과정을 고려할 때 더 큰 시스템(즉, 인간과 환경)의 총 엔트로피가 증가합니다. 인간이 생명을 잃으면 이러한 과정(1-5) 중 어느 것도 일어나지 않으며 과정(특히 4 또는 5)이 중단되면 이환율 및/또는 사망으로 빠르게 이어질 것입니다.

깁스 프리 에너지 편집

생물학적 시스템에서 일반적으로 에너지와 엔트로피는 함께 변합니다. 따라서 이러한 변화를 동시에 설명하는 상태 함수를 정의할 수 있어야 합니다. 이 상태 함수는 Gibbs Free Energy, NS.

  • 시간 는 엔탈피(SI 단위: 줄)
  • NS 온도(SI 단위: 켈빈)
  • NS 는 엔트로피(SI 단위: 줄당 켈빈)

Gibbs Free Energy의 변화는 주어진 화학 반응이 자발적으로 발생할 수 있는지 여부를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. ∆이면NS 음성이면 반응이 자발적으로 발생할 수 있습니다. 마찬가지로 ∆NS 긍정적이면 반응이 자발적이지 않습니다. [9] 화학 반응은 중간체를 공유하는 경우 함께 "결합"될 수 있습니다. 이 경우 전체 Gibbs Free Energy 변화는 단순히 ∆NS 각 반응에 대한 값. 따라서 불리한 반응(양의 ∆NS1) 두 번째의 매우 유리한 반응(음수 ∆NS2 여기서 ∆의 크기는NS2 > ∆의 크기NS1). 예를 들어 포도당과 과당이 반응하여 자당이 형성되면 ∆NS +5.5 kcal/mole의 값. 따라서이 반응은 자발적으로 발생하지 않습니다. ATP가 분해되어 ADP와 무기 인산염을 형성합니다.NS -7.3 kcal/mole의 값. 이 두 반응은 함께 결합되어 포도당이 ATP와 결합하여 포도당-1-인산과 ADP를 형성합니다. 그러면 포도당-1-인산은 과당과 결합하여 자당과 무기 인산염을 생성할 수 있습니다. ∆NS 결합된 반응의 값은 -1.8 kcal/mole이며, 이는 반응이 자발적으로 발생함을 나타냅니다. Gibbs Free Energy의 변화를 변경하기 위한 결합 반응의 원리는 생물학적 유기체의 모든 효소 작용의 기본 원리입니다. [10]


비디오 보기: 미생물 ATP 세포의 에너지 화폐 (칠월 2022).


코멘트:

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