Informacja

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologia

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologia



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.

Cele nauczania związane z 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25

  • Opisz, w jaki sposób genotyp i fenotyp są powiązane. Przewiduj fenotyp, jeśli zostanie podany genotyp i powiązane mechanizmy molekularne i na odwrót.
  • Opisz, w jaki sposób informacje środowiskowe mogą kształtować transkrypcję i translację w sposób, który prowadzi do różnych fenotypów i specjalizacji komórek.
  • Zdefiniuj i wyjaśnij różne terminy słownictwa używane do opisu mutacji (punkt, delecja, insercja, nonsens, przesunięcie ramki, null, utrata funkcji i wzmocnienie funkcji) oraz umiejętność przewidywania ich wpływu na funkcję białek.
  • Użyj tabeli kodonów i swojej wiedzy na temat struktury i funkcji białek, aby przewidzieć, jak określone zmiany na poziomie DNA mogą wpływać na strukturę i funkcję białka.
  • Wyjaśnij możliwe różne mechanizmy, za pomocą których mutacje mogą powodować zmiany w fenotypie. W swojej dyskusji uwzględnij mutacje zarówno w regionach kodujących białka, jak i regionach niekodujących białek.
  • Wyjaśnij potencjalny wpływ mutacji na specyficzność i powinowactwo interakcji białko-DNA oraz potencjalny wpływ tych mutacji na ekspresję genów.

Mutacje

Błędy występujące podczas replikacji DNA nie są jedynym sposobem, w jaki mogą powstawać mutacje w DNA. Mutacje indukowane to te, które wynikają z narażenia na chemikalia, promienie UV, promieniowanie rentgenowskie lub inny czynnik środowiskowy. Spontaniczne mutacje wystąpić bez narażenia na jakikolwiek czynnik środowiskowy; wynikają ze spontanicznych reakcji biochemicznych zachodzących w komórce.

Mutacje mogą mieć szeroki zakres efektów.

Niektóre mutacjenie wywoływać zauważalnego wpływu; nazywamy to

ciche mutacje. Mutacje punktowe to te mutacje, które wpływają na pojedynczą parę zasad. Najczęstsze mutacje nukleotydów to substytucje,

w którym jedna podstawa jest zastępowana przez inną

. Mogą być dwojakiego rodzaju: przejścia lub transwersje. Zastąpienie przejścia odnosi się do puryn lub pirymidyny zastąpionych zasadą tego samego rodzaju; na przykład,

purynę, taką jak adenina, można zastąpić guaniną purynową

. Zastąpienie transwersji odnosi się do puryny zastąpionej pirymidyną lub odwrotnie; na przykład cytozyna, pirymidyna,

jest zastąpiony

przez adeninę, purynę. Mutacje mogą również

być wynikiem

dodanie nukleotydu, znane jako insercja lub usunięcie zasady, znane również jako delecja. Czasami fragment DNA z jednego chromosomu może zostać przeniesiony do innego chromosomu lub do innego regionu tego samego chromosomu;

to jest znane

jako translokacja.

Jak zobaczymy później, kiedy mutacja występuje w regionie kodującym białko, może to mieć kilka skutków. Mutanty tranzycji lub transwersji mogą prowadzić do braku zmian w sekwencji białka (znanej jako ciche mutacje), zmień sekwencję aminokwasową (znaną jako mutacje zmiany sensu) lub utwórz

co jest znane jako

kodon stop (znany jako a nonsensowna mutacja). Insercje i delecje w sekwencjach kodujących białka prowadzą do: mutacje przesunięcia ramki. Mutacje missense, które prowadzą do konserwatywne zmiany powoduje podstawienie podobnych, ale nie identycznych aminokwasów. Na przykład kwasowy glutaminian aminokwasu zastępujący kwasowy aminokwas asparaginian:

uznać

konserwatywny. Nie spodziewamy się, że tego typu mutacje zmiany sensu będą tak poważne jak nie trwałe zmiana aminokwasów; takie jak glutaminian zastępujący walinę. Opierając się na naszym rozumieniu chemii grup funkcyjnych, możemy poprawnie wywnioskować, że to

typ

podstawienie może prowadzić do poważnych konsekwencji funkcjonalnych, w zależności od lokalizacji mutacji.

Uwaga: obserwacja słownictwa

Zwróć uwagę, że poprzedni akapit zawierał wiele potencjalnie nowego słownictwa – dobrym pomysłem byłoby poznanie tych terminów.

Rysunek 1. Mutacje mogą prowadzić do zmian w sekwencji białka kodowanej przez DNA.

Mutacje: Trochę nomenklatury i rozważania

Mutacja

Etymologicznie termin mutacja oznacza zmianę lub przeróbkę. W genetyce mutacja to zmiana w materiale genetycznym - sekwencji DNA - organizmu. Co za tym idzie, mutant to organizm, w którym wystąpiła mutacja. Ale do czego jest ta zmiana w porównaniu? Odpowiedź na to pytanie brzmi: to zależy. Możemy dokonać porównania z bezpośrednim przodkiem (komórką lub organizmem) lubdowzorce widoczne w populacji danego organizmu. Zależy to głównie od konkretnego kontekstu dyskusji. Ponieważ badania genetyczne często dotyczą populacji (lub kluczowych subpopulacji) osobników, zaczynamy od opisania terminu „typu dzikiego”.

Dziki typ kontra mutant

Co rozumiemy przez „typ dziki”? Ponieważ definicja może zależeć od kontekstu, koncepcja ta nie jest całkowicie prosta. Oto kilka przykładów definicji, na które możesz się natknąć:

Możliwe znaczenia„dzikiego”

  1. Organizm o wyglądzie charakterystycznym dla gatunku w naturalnej populacji lęgowej (tj. cętki geparda i ciemne smugi przypominające łzy ciągnące się od oczu do ust).
  2. Forma lub formy genu najczęściej występujące w przyrodzie wdanygatunek.
  3. Fenotyp, genotyp lub gen który dominuje w naturalnej populacji organizmów lub szczepu organizmów w przeciwieństwie do naturalnych lub laboratoryjnych form mutantów.
  4. Normalny, w przeciwieństwie do zmutowanego genu lub allelu.
Wspólny wątek wszystkich definicji wymienionych powyżej opiera się

na „normie” dla zestawu cech

z szacunkiem do

specyficzna cecha w porównaniu do całej populacji. W „erze sekwencjonowania przed DNA”

gatunki zostały sklasyfikowane

na podstawie wspólnych fenotypów (jak wyglądały, gdzie żyły, jak się zachowywały itp.). „Norma”

został założony

dla danego gatunku. Na przykład wrony wykazują wspólny zestaw cech, są dużymi, czarnymi ptakami, które żyją w określonych regionach, jedzą określone rodzaje pożywienia i zachowują się w określony charakterystyczny sposób. Jeśli go zobaczymy, to wiemy

jego

kruk oparty na tych cechach. Gdybyśmy zobaczyli jednego z białą głową, pomyślelibyśmy

że

albo jest to inny ptak (nie wrona), albo mutant, wrona, która ma pewne odchylenia od normy lub typu dzikiego.

W tej klasie bierzemy to, co jest wspólne z tymi różnymi definicjami i przyjmujemy ideę, że „typ dziki” to

po prostu

wzorzec odniesienia, z którym możemy porównać członków populacji.


Możliwa dyskusja NB Punkt

Gdybyś przypisywał cechy typu dzikiego, aby opisać psa, jakie by one były? Jaka jest różnica między zmutowaną cechą a zmiennością cechy w populacji psów? Czy istnieje typ dziki dla psa, którego moglibyśmy użyć jako standard? Jak byśmyZacząćpomyśl o tej koncepcjiz szacunkiem dopsy?



Rysunek 2. Mutacje mogą prowadzić do zmian w sekwencji białka kodowanej przez DNA, które następnie wpływają na wygląd zewnętrzny organizmu.
(Źródło)

Mutacje sąpo prostuzmiany z „typu dzikiego”, odniesienia lub sekwencji rodzicielskiej dla organizmu. Chociaż termin „mutacja” ma potocznie negatywne konotacje, mymusipamiętaj, że zmiana nie jest z natury „zła”. Mutacje (zmiany w sekwencjach) nie powinny przede wszystkimbyć pomyślanymjako „zły” lub „dobry”, aleraczejpo prostujako zmiany i źródło różnorodności genetycznej i fenotypowej, na której może zachodzić ewolucja przez dobór naturalny. Dobór naturalny ostatecznie determinuje długoterminowąLosmutacji. Jeśli mutacja przyniesie organizmowi selektywną przewagę, mutacja będzie:być wybranymi może w końcu stać się bardzo powszechne w populacji. I odwrotnie, jeśli mutacja jest szkodliwa, dobór naturalny zapewni, że:mutacja zostanie utraconaod ludności. Jeśli mutacja jest neutralna, to znaczy nie zapewnia selektywnej przewagi ani niekorzyści, może utrzymywać się w populacji. Różneformygen, w tym te związane z „typem dzikim” i odpowiednimi mutantami, w populacjisą określaneallele.

Konsekwencje mutacji

Dla jednostki konsekwencje mutacji mogą znaczyć niewiele lub oznaczać życie lub śmierć. Niektóre szkodliwe mutacje są zero lub Nokautmutacjeco powoduje utratę funkcji produktu genu. Te mutacje mogą powstać przez delecjęalbocały gen, część genu lub przez mutację punktową w krytycznym regionie genu, która powoduje, że produkt genu nie działa. Te typy mutacji są również określane jako utrata funkcji mutacje. Alternatywnie, mutacje mogą prowadzić do modyfikacji istniejącej funkcji (tj. mutacja może zmienić wydajność katalityczną enzymu, zmianę specyficzności substratu lub zmianę struktury). W rzadkich przypadkach mutacja może stworzyć nową lub wzmocnioną funkcję produktu genu;często się o tym mówido jak Wzmocnienie funkcji mutacja.W końcumutacje mogą wystąpić w niekodujących regionach DNA. Te mutacje mogą mieć różne skutki, w tym zmienioną regulację ekspresji genów, zmiany szybkości replikacji lub właściwości strukturalnych DNA i innych czynników niezwiązanych z białkami.

Mutacje i nowotwory

Mutacje mogą wpływać zarówno na komórki somatyczne, jak i na komórki rozrodcze. Czasami mutacje występują w genach naprawy DNA, w efekcie upośledzając zdolność komórki do naprawy innych mutacji, które mogą się pojawić. Gdyby,w rezultaciemutacji w genach naprawy DNA, wiele mutacji kumuluje się w komórce somatycznej, mogą prowadzić do problemów takich jak niekontrolowany podział komórek obserwowany w raku. Nowotwory, w tym formy raka trzustki, raka okrężnicy i raka jelita grubego mająbył związanyz mutacjami takimi jak te w genach naprawy DNA. Gdybynatomiastmutacja w naprawie DNA występuje w komórkach rozrodczych (komórkach płciowych), mutacja będzieZostać przekazanena następne pokolenie, jakw przypadkuchoroby takie jak hemofilia i xeroderma pigmentosa.wprzypadek kserodermypigmentyosoby z zaburzonymi procesami naprawy DNA stają się bardzo wrażliwe na promieniowanie UV. W ciężkich przypadkach osoby te mogą doznać poważnych oparzeń słonecznych już po kilku minutach ekspozycji na słońce. Prawie połowa wszystkich dzieci z tą chorobą rozwija swój pierwszy rak skóry przed 10 rokiem życia.

Konsekwencje błędów w replikacji, transkrypcji i translacji

Coś, o czym warto pomyśleć:

Komórki wyewoluowały na wiele sposobów, aby upewnić się, że błędy DNA są zarówno wykrywane, jak i korygowane,Romodczyt dowodowy przez różne polimerazy DNA zależne od DNA, do bardziej złożonych systemów naprawczych. Dlaczego tak wiele mechanizmów wyewoluowało w celu naprawy błędów w DNA?Natomiast podobnemechanizmy korekty NIE wyewoluowały dla błędów w transkrypcji lub tłumaczeniu. Dlaczego tak może być? Jakie byłyby konsekwencje błędu w? transkrypcja? Czy taki błąd wpłynąłby na potomstwo? Czy to byłoby śmiertelne dla celi? Co powiesz na tłumaczenie? Zadaj te same pytania dotyczące procesu tłumaczenia. Co by się stało gdybyprzypadkowo włożono niewłaściwy aminokwasdo rosnącego polipeptydu podczas translacji białka? Porównaj to z replikacją DNA.

Mutacje jako instrumenty zmiany

Mutacje to sposób, w jaki populacje mogą dostosowywać się do zmieniających się presji środowiskowych

Mutacjesą tworzone losowow genomie każdego organizmu, a toz koleitworzy różnorodność genetyczną i mnóstwo różnych alleli na gen na organizm w każdej populacji na planecie. Jeśli mutacje nie wystąpiły, a chromosomyzostały zreplikowanei przekazywane ze 100% wiernością, jak przystosowałyby się komórki i organizmy? To, czy ewolucja utrzymuje mutacje w populacji, zależy od tego, czy mutacja zapewnia przewagę selekcyjną, stanowi pewien koszt selekcyjny lubjestprzynajmniej nieszkodliwy.Rzeczywiście, mutacjektóre wydają się neutralne, mogą utrzymywać się w populacji przez wiele pokoleń i mieć znaczenie tylko wtedy, gdy populacjajest zakwestionowanyz nowym wyzwaniem środowiskowym.W tym momencietenpozornie wcześniej neutralne mutacje mogą zapewnić przewagę selekcyjną.

Przykład: Oporność na antybiotyki

Bakteria E coli jest wrażliwy na antybiotyk zwany streptomycyną, który hamuje syntezę białek poprzez wiązanie się z rybosomem.Białko rybosomalneL12można zmutowaćtak, że streptomycyna nie wiąże się już z rybosomem i hamuje syntezę białek. Gatunek dziki i mutanty L12 rosną jednakowodobrzea mutacja wydaje się być neutralna wbrak antybiotyku. wobecność antybiotykutyp dzikikomórki umierają, a mutanty L12 przeżywają. Ten przykład pokazuje, jak ważna jest różnorodność genetyczna dla przetrwania populacji. Jeśli mutacje nie wystąpiły losowo, kiedy populacjajest zakwestionowanyprzez zdarzenie środowiskowe, takie jak narażenie na streptomycynę, zginęłaby cała populacja. Dla większości populacji staje się to grą liczbową. Jeśli tempo mutacji wynosi 10-6 wtedy populacja 107 komórki miałyby 10 mutantów; populacja 108 miałby 100 mutantów itp.

Nieskorygowane błędy w replikacji DNA prowadzą do mutacji. W tym przykładzieprzeszedł niepoprawiony błądna bakteryjną komórkę potomną. Ten błąd tkwi w genie, który koduje część rybosomu. Mutacja skutkuje inną końcową strukturą 3D białka rybosomu. Podczastyp dzikirybosom może wiązać się ze streptomycyną (antybiotyk, który zabija komórkę bakteryjną poprzez hamowanie funkcji rybosomu), zmutowany rybosom nie może wiązać się ze streptomycyną.Tenbakteriajestteraz odporny na streptomycynę.
Źródło: oryginalny obraz zespołu Bis2A

Przykład: dehydrogenaza mleczanowa

Dehydrogenaza mleczanowa (LDH), enzym, który katalizuje redukcję pirogronianu do kwasu mlekowego podczas fermentacji, podczas gdy praktycznie każdy organizm ma tę aktywność, odpowiedni enzym, a zatem i gen, ogromnie różnią się między ludźmi a bakteriami.Białka są wyraźniezwiązane z,pełnią tę samą podstawową funkcję, ale mają wiele różnic, od powinowactwa wiązania substratu i szybkości reakcji po optymalne wymagania dotyczące soli i pH. Każdy z tych atrybutów mazostał ewolucyjnie dostrojonydla każdego konkretnego organizmu poprzez wiele rund mutacji i selekcji.


Możliwa dyskusja NB Punkt

Możemy użyć porównawczej analizy sekwencji DNA, aby wygenerować hipotezy dotyczące ewolucyjnych relacji między trzema lub większą liczbą organizmów. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego jest porównanie sekwencji DNA lub białek białek znajdujących się w każdym z organizmów, które chcemy porównać. Wyobraźmy sobie na przykład, że mamy porównać sekwencje dehydrogenazy mleczanowej (LDH) z trzech różnych organizmów. Poniższy schemat przedstawia podstawowe struktury białek LDH z organizmów A, B i C. Litery w środku diagramu liniowego białek reprezentują aminokwasy w unikalnej pozycji i proponowane różnice w każdej z sekwencji (przypisanie:Marc T. Facciotti [oryginalne dzieło]). Pytanie: Czy organizm C jest bliżej spokrewniony z organizmem A czy B? Najprostszym wyjaśnieniem jest to, że organizm A jest najwcześniejszą formą, nastąpiła mutacja, która dała początek organizmowi B. Z biegiem czasu w linii B powstała druga mutacja, która dała początek enzymowi znajdującemu się w organizmie C. Jest to najprostsze wyjaśnienie, jednak my nie można wykluczyć innych możliwości. Czy możesz pomyśleć o innych sposobach inaczej?formyenzym LDH powstały te trzy organizmy?


Prawdziwa aplikacja:

Jak widzieliśmy w module „Mutations and Mutants”, zmiana nawet jednego nukleotydu może mieć duży wpływ na translowany produkt. Przeczytaj więcej o pracy licencjackiej na temat mutacji punktowych i GMO tutaj.

SŁOWNICZEK

indukowana mutacja:

mutacjaktóre wynika z narażenia na chemikalia lub czynniki środowiskowe

mutacja:

zmienność sekwencji nukleotydowej genomu

naprawa niezgodności:

rodzaj mechanizmu naprawczego, w którymniedopasowane bazy są usuwanepo replikacji

naprawa przez wycięcie nukleotydów:

rodzaj mechanizmu naprawy DNA, w którym niewłaściwa zasada wraz z kilkoma nukleotydami w górę lub w dół,są usunięte

korekta:

funkcja DNApolskaw którym odczytuje nowo dodaną bazę przed dodaniem kolejnej

Punktowa mutacja:

mutacjaco wpływa na pojedynczą bazę

cicha mutacja:

mutacjażenie jest wyrażony

mutacja spontaniczna:

mutacjaktóra ma miejsce w komórkachw rezultaciereakcji chemicznych zachodzących naturalnie bez ekspozycji na jakikolwiek czynnik zewnętrzny

substytucja przejściowa:

kiedy purynajest zastąpionyz puryną lub pirymidynąjest zastąpionyz inną pirymidyną

substytucja transwersji:

kiedy purynajest zastąpionyprzez pirymidynę lub pirymidynęjest zastąpionyprzez purynę


2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologia

Wprowadzenie Szereg praw, zwanych prawami termodynamiki, opisuje sposób przekazywania i rozpraszania energii w reakcji. Rozważamy dwa z nich. Pierwsze prawo mówi, że całkowita ilość energii we wszechświecie jest stała. Oznacza to, że energia nie może być stworzona ani zniszczona w reakcji lub procesie, tylko przeniesiona. Druga zasada termodynamiki mówi, że entropia Wszechświata stale rośnie. Opisujemy ogólne znaczenie tych dwóch praw i ich zastosowanie w biologii.

Prawa termodynamiki

Termodynamika zajmuje się opisywaniem zmian w systemach przed i po zmianie. Zwykle wiąże się to z dyskusją o transferach energii i jej rozproszeniu w systemie. W prawie wszystkich praktycznych przypadkach analizy te wymagają pełnego opisu systemu i jego otoczenia. Na przykład, omawiając ogrzewanie garnka z wodą na kuchence, system może obejmować piec, garnek, a woda i środowisko lub otoczenie mogą obejmować wszystko inne. Organizmy biologiczne to tak zwane systemy otwarte, energia jest przekazywana między nimi a ich otoczeniem.

I zasada termodynamiki Pierwsza zasada termodynamiki dotyczy całkowitej ilości energii we wszechświecie. Stwierdza, że ​​ta całkowita ilość energii jest stała. Innymi słowy, we wszechświecie zawsze była i zawsze będzie dokładnie taka sama ilość energii. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki energia może być przenoszona z miejsca na miejsce (moduł 4.0), ale nie można jej tworzyć ani niszczyć. Transfery energii odbywają się wokół nas cały czas. Żarówki przekazują energię elektrowni na ciepło i fotony, aby wytworzyć światło. Piece gazowe przekazują energię zmagazynowaną w wiązaniach związków chemicznych na ciepło i światło. Nawiasem mówiąc, ciepło to ilość energii przekazywana z jednego systemu do drugiego z powodu różnicy temperatur. Rośliny wykonują jeden z najbardziej użytecznych biologicznie transferów energii na Ziemi: przenoszą energię z fotonów światła słonecznego na wiązania chemiczne cząsteczek organicznych. W każdym z tych przypadków energia nie jest ani wytwarzana, ani niszczona i musimy spróbować wyjaśnić całą energię, kiedy badamy niektóre z tych reakcji.

Pierwsze prawo i historia energii Pierwsze prawo termodynamiki jest zwodniczo proste. Uczniowie często rozumieją, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć. Jednak opisując historię energetyczną procesu, często popełniają błąd, mówiąc takie rzeczy, jak „energia powstaje z przeniesienia elektronów z atomu A do atomu B”. Podczas gdy większość z nas zrozumie, o co chodzi uczniowi, użyto niewłaściwych słów. Energia nie jest wytwarzana ani produkowana, jest po prostu przekazywana. Aby zachować zgodność z pierwszym prawem, opowiadając historię o energii, upewnij się, że starasz się wyraźnie wyśledzić wszystkie miejsca, w których Cała energia w systemie na początku procesu przechodzi do końca procesu.

II zasada termodynamiki Ważnym pojęciem w układach fizycznych jest entropia. Entropia jest związana ze sposobami, w jakie energia może być dystrybuowana lub rozpraszana w cząsteczkach układu. Drugie Prawo Termodynamiki stwierdza, że ​​entropia zawsze wzrasta w układzie ORAZ w jego otoczeniu (wszystko poza układem). Ta idea pomaga wyjaśnić kierunkowość zjawisk naturalnych. Ogólnie rzecz biorąc, chodzi o to, że kierunkowość wynika z tendencji energii w systemie do przemieszczania się w kierunku stanu maksymalnego rozproszenia. Drugie prawo oznacza zatem, że w każdej transformacji powinniśmy gdzieś szukać ogólnego wzrostu entropii (lub rozproszenia energii). Idea, która wiąże się ze zwiększonym rozproszeniem energii w systemie lub jego otoczeniu, polega na tym, że wraz ze wzrostem rozproszenia spada zdolność skierowania energii na pracę.

Będzie wiele przykładów zmniejszania się entropii systemu. Aby zachować zgodność z drugim prawem, musimy jednak spróbować znaleźć coś innego (prawdopodobnie ściśle powiązany system w otoczeniu), co musi skompensować „lokalny” spadek entropii równym lub większym wzrostem entropii.

Entropia układu może wzrosnąć, gdy:(a) nabiera energii(b) następuje zmiana stanu ze stałego na ciekły na gazowy (c) następuje mieszanie substancji(d) liczba cząstek wzrasta podczas reakcji.

Wzrost nieporządku może nastąpić na różne sposoby. Przykładem jest topienie się kostek lodu na gorącym chodniku. Tutaj lód jest wyświetlany jako płatek śniegu, z uporządkowanymi, ustrukturyzowanymi cząsteczkami wody tworzącymi płatek śniegu. Z czasem płatek śniegu stopi się w kałużę zdezorganizowanych, swobodnie poruszających się cząsteczek wody.
Źródło: https://www.boundless.com/physics/textbooks/boundless-physics-textbook/thermodynamics-14/entropy-119/order-to-disorder-417-6459/

Jeśli rozważymy razem pierwsze i drugie prawo (zachowanie energii i potrzeba wzrostu entropii, jeśli zachodzi proces), dojdziemy do użytecznego wniosku. W każdym procesie, w którym energia jest przesyłana lub redystrybuowana w systemie, entropia musi wzrosnąć. Ten wzrost entropii jest związany z tym, jak "użyteczna" energia ma działać (ogólnie staje się mniej dostępna w miarę wzrostu entropii). Możemy więc wywnioskować, że w każdej transformacji uważamy, że podczas gdy cała energia musi być zachowana, wymagany wzrost entropii zmiany oznacza, że ​​część energii zostanie rozłożona w sposób, który czyni ją mniej użyteczną do pracy. W wielu przypadkach, zwłaszcza w biologii, pewien wzrost entropii można prześledzić na transfer energii do ciepła w środowisku.

Darmowa energia

Jeśli chcemy opisać transformacje, warto mieć miarę (a) ile energii jest w systemie i (b) rozproszenia tej energii w systemie i oczywiście jak te zmieniają się między początkiem a końcem procesu. Pojęcie energii swobodnej , często określane jako energia swobodna Gibbsa lub entalpia swobodna (w skrócie literą G), w pewnym sensie właśnie to robi. Energię swobodną Gibbsa można zdefiniować na kilka wzajemnie wymiennych sposobów, ale użyteczny w kontekście biologii jest entalpia (energia wewnętrzna) systemu minus entropia systemu skalowana przez temperaturę. Różnica w energii swobodnej, gdy proces ma miejsce, jest często przedstawiana jako zmiana (delta) entalpii (energia wewnętrzna) oznaczona jako H minus zmiana skali temperatury (delta) w entropii oznaczona jako S. Patrz równanie poniżej.

Energia Gibbsa jest często interpretowana jako ilość energii dostępnej do wykonania użytecznej pracy. Przy odrobinie machania rękoma możemy to zinterpretować, powołując się na ideę przedstawioną powyżej, że rozproszenie energii (wymagane przez drugie prawo) związane z pozytywną zmianą entropii w jakiś sposób sprawia, że ​​część przekazywanej energii jest mniej przydatna do wykonywania pracy. Można powiedzieć, że jest to częściowo odzwierciedlone w członie T∆S równania Gibbsa.

Aby zapewnić podstawę do rzetelnych porównań zmian energii swobodnej Gibbsa wśród różnych przemian biologicznych lub reakcji, zmianę energii swobodnej reakcji mierzy się w zbiorze wspólnych standardowych warunków eksperymentalnych. Wynikowa standardowa zmiana energii swobodnej reakcji chemicznej jest wyrażana jako ilość energii na mol produktu reakcji (w kilodżulach lub kilokaloriach, kJ/mol lub kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) przy pomiarze przy standardowym pH, warunki temperatury i ciśnienia. Standardowe warunki pH, temperatury i ciśnienia są zazwyczaj obliczane odpowiednio przy pH 7,0, 25 stopniach Celsjusza i 100 kilopaskalach (ciśnienie 1 atm). Ważne jest, aby pamiętać, że warunki komórkowe różnią się znacznie od tych standardowych warunków, a więc rzeczywisty ∆G wewnątrz komórki będzie się znacznie różnić od tych obliczonych w standardowych warunkach.

Reakcje endoergiczne i egzergiczne

Reakcje, które mają ∆G <0 oznaczają, że produkty reakcji mają mniej energii swobodnej niż reagenty. Ponieważ ∆G jest różnicą między zmianami entalpii i entropii w reakcji, ujemny wynik ∆G może powstać na różne sposoby. Lewy panel na rysunku 2 poniżej pokazuje wspólną graficzną reprezentację reakcji egzoergicznej. Energia swobodna jest wykreślana na osi y, a oś x w arbitralnych jednostkach przedstawia model postępu reakcji. Ten typ wykresu nazywa się diagramem współrzędnych reakcji. W przypadku reakcji egzergicznej przedstawionej poniżej wykres wskazuje dwie kluczowe rzeczy: (1) różnica między energią swobodną substratów i produktów jest ujemna oraz (2) przebieg reakcji wymaga pewnego wkładu energii swobodnej (pokazane jako wzgórze energetyczne). Ten wykres nie mówi nam, w jaki sposób energia w układzie była redystrybuowana, tylko że różnica między entalpią a entropią jest ujemna. Reakcje, które mają ujemny wynik ∆G iw związku z tym są nazywane reakcjami egzergicznymi. Reakcje te zachodzą spontanicznie. Zrozumienie, które reakcje chemiczne są spontaniczne, jest niezwykle przydatne dla biologów, którzy próbują zrozumieć, czy reakcja prawdopodobnie „zajdzie”, czy nie.

Należy zauważyć, że termin spontaniczny - w kontekście termodynamiki - NIE sugeruje niczego, jak szybko przebiega reakcja. Zmiana energii swobodnej opisuje tylko różnicę między stanem początkowym i końcowym, a NIE jak szybko to przejście trwa. Jest to nieco sprzeczne z potocznym użyciem tego terminu, który zwykle niesie ze sobą domniemane zrozumienie, że coś dzieje się szybko. Na przykład utlenianie/rdzewienie żelaza jest reakcją spontaniczną. Jednak żelazny gwóźdź wystawiony na działanie powietrza nie rdzewieje od razu - może to zająć lata.

Reakcja chemiczna z dodatnim ∆G oznacza, że ​​produkty reakcji mają wyższą energię swobodną niż reagenty (patrz prawy panel na Rysunku 2). Te reakcje chemiczne nazywane są reakcjami endergonicznymi i NIE są spontaniczne. Reakcja endergoniczna nie zajdzie sama bez przeniesienia energii do reakcji lub zwiększenia entropii gdzie indziej.

Reakcje egzoergiczne i endergoniczne powodują zmiany energii swobodnej Gibbsa. W reakcji egzoergicznej energia swobodna produktów jest niższa niż energia substratów, natomiast w reakcji endotermicznej energia swobodna produktów jest wyższa niż energia substratów.

Budowanie złożonych cząsteczek, takich jak cukry, z prostszych jest procesem anabolicznym i endergonicznym. Z drugiej strony, proces kataboliczny, taki jak rozkład cukru na prostsze cząsteczki, jest generalnie egzergiczny. Jak w powyższym przykładzie rdzy, chociaż rozpad biocząsteczek jest generalnie spontaniczny, reakcje te nie muszą koniecznie zachodzić natychmiast (szybko). Rysunek 3 pokazuje kilka innych przykładów reakcji endergonicznych i egzergonicznych. Pamiętaj jednak, że terminy endergoniczny i egzergiczny odnoszą się tylko do różnicy w energii swobodnej między produktami a substratami - nie mówią o szybkości reakcji (jak szybko to się dzieje). Kwestia stawki zostanie omówiona w dalszych rozdziałach.

Pokazano kilka przykładów procesów endergonicznych (z dodatnimi zmianami energii swobodnej między produktami i reagentami) oraz procesów egzergicznych (z ujemnymi zmianami energii swobodnej między produktami i reagentami). Obejmują one (a) rozkład stosu kompostu, (b) wylęganie piskląt z zapłodnionego jaja, (c) zniszczenie sztuki piaskowej oraz (d) kulę toczącą się w dół wzgórza. (kredyt a: modyfikacja pracy autorstwa Natalie Maynor b: modyfikacja pracy autorstwa USDA c: modyfikacja pracy autorstwa “Athlex”/Flickr kredyt d: modyfikacja pracy przez Harry Malsch)

Ważną koncepcją w badaniu metabolizmu i energii jest równowaga chemiczna. Większość reakcji chemicznych jest odwracalna. Mogą poruszać się w obu kierunkach, często przenosząc energię do otoczenia w jednym kierunku, a przenosząc energię z otoczenia w drugim kierunku. To samo dotyczy reakcji chemicznych biorących udział w metabolizmie komórkowym, takich jak rozkładanie i budowanie białek odpowiednio do i z poszczególnych aminokwasów. Reagenty w układzie zamkniętym będą przechodzić reakcje chemiczne w obu kierunkach, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Ten stan równowagi jest jedną z najniższych możliwych energii swobodnej i stanem maksymalnej entropii. Równowaga w reakcji chemicznej to stan, w którym zarówno reagenty, jak i produkty występują w stężeniach, które nie mają dalszej tendencji do zmiany w czasie. Zwykle ten stan występuje, gdy reakcja do przodu przebiega z taką samą szybkością, jak reakcja odwrotna. ZAUWAŻ TO OSTATNIE OŚWIADCZENIE! Równowaga oznacza, że ​​względne stężenia reagentów i produktów nie zmieniają się w czasie, ALE NIE oznacza to, że nie ma wzajemnej konwersji między substratami i produktami - oznacza to po prostu, że gdy reagent jest przekształcany w produkt, produkt jest przekształcany w reagent w równym tempie .

Aby wyprowadzić reakcję ze stanu równowagi, wymagane jest zrównoważenie stężeń substratu (poprzez dodanie lub usunięcie substratu lub produktu) lub dodatnia zmiana energii swobodnej, zazwyczaj poprzez przeniesienie energii spoza reakcji. W żywej komórce większość reakcji chemicznych nie osiąga stanu równowagi – wymagałoby to osiągnięcia najniższego stanu energii swobodnej. Dlatego potrzebna jest energia, aby utrzymać reakcje biologiczne poza stanem równowagi. W ten sposób żywe organizmy toczą nieustanną wymagającą energii, pod górę walkę z równowagą i entropią.

W równowadze nie myśl o statycznym, niezmiennym systemie. Zamiast tego wyobraź sobie cząsteczki poruszające się w równych ilościach z jednego obszaru do drugiego. Tutaj, w równowadze, cząsteczki wciąż poruszają się od lewej do prawej iz prawej do lewej. Ruch netto jest jednak równy. Po osiągnięciu równowagi po każdej stronie tej kolby nadal będzie około 15 cząsteczek.
Źródło: https://courses.candelalearning.com/chemistryformajorsx1xmaster/chapter/entropy/