Termodinamika metabolizma

Bio sam potpuno zbunjen slušajući o termodinamici živih organizama. Da budem iskren tako nešto se i moglo očekivati od nekoga ko je mislio da je energetika bioloških sistema isto što i bioenergija. Termodinamika je ustvari čitava jedna naučna oblast. Naravno da sam svim silama pokušavao da je izbegnem, ali sam veoma brzo shvatio, da je nemoguće razumeti jedan fenomen kao što je život, bez razumevanja njegove termodinamike. Pa da počnemo. Prelistavajući literaturu o energijskim promenama u biološkim sistemima, zapazio sam par pojmova, koji su mi se učinili veoma važnim:

• energija
• toplota
• rad
• entalpija
• entropija
• slobodna energija

energija toplota i rad

Najbolje je da bez obzira na dosadašnje iskustvo, pretpostavimo da nizašta od gore navedenog nimo čuli. Ali da se vratimo na živa bića i njihove očigledne karakteristike. Jedna od njih je manje-više konstantna telesna temperatura, a druga neprestano kretanje, što samih organizama u odnosu na okolinu, što čestica-molekula i jona unutar njihovih tela. A sada prizovimo u pomoć iskustvo. Konstantna temperatura je posledica toplote koju naša tela stvaraju, a kretanje je moguće zahvaljujući radu koji naša tela ili naši molekuli vrše. Znači toplota i rad su nam poznati po njihovim spoljašnjim manifestacijama koje zahvaljujući iskustvu lako prepoznajemo, ali zna li neko da objasni suštinu ova dva pojma na molekulskom nivou? Stvar je vrlo jednostavna. Svi molekuli se neprestano kreću, ali posmatrajući međjusobni odnos putanja, uočićemo dva načina kretanja molekula:

1. haotično kretanje
2. organizovano kretanje

Razlika je očigledna. Haotično kretanje molekula opažamo kao toplotu, a organizovano kretanje kao rad. Kao i svako drugo telo koje se kreće, molekuli poseduju određenu kinetičku energiju. U slučaju haotičnog kretanja, molekuli tu energiju predaju prilikom sudara sa zidom posude u kojoj se nalaze ili u međusobnim sudarima. Što je kinetička energija molekula veća, a ona je veća što su molekuli brži, povećava se i broj sudara-znači povećava se količina toplote u sudu.

Organizovano kretanje molekula sa druge strane ima jednu značajnu razliku u odnosu na haotično. Energija kretanja je u ovom slučaju usmerena i može se iskoristiti za obavljanje nekog rada. Kinetička energija četiri molekula sa prethodne slike jednaka je zbiru pojedinačnih kinetičkih energija, ali sada ovi molekuli mogu da izvrše rad jer jer je kretanje usmereno. U slučaju sa slike molekuli bi mogli na primer da pokreću klip neke mašine ukoliko bi ukupna kinetička energija njihovog kretanja bila dovolja da izvrši potreban rad. Kod haotičnog (termalnog kretanja) ovo je nemoguće jer se energija "rasipa na sve strane". Ipak toplotu i rad ne bi trebalo shvatati kao dve nepovezane suprotnosti, naprotiv toplota se neprestano pretvara u rad i obrnuto, međutim važno je upamtiti da se toplota nikada ne može potpuno pretvoriti u rad, dok se sa druge strane rad može potpuno pretvoriti u toplotu. Prvi slučaj srećemo najočiglednije kod parne mašine, a drugi kod tela koje sa velike visine pada na zemlju, a čiji se rad nakon pada potpuno pretvara u zagrevanje samog tela i tla. Sada smo povezali energiju toplotu i rad. Ovo o čemu smo pričali je ustvari suština Prvog principa termodinamike. Energija se ne može niotkuda stvoriti već samo može prelaziti iz jednog oblika u drugi.

entropija

Ako ste posle spominjanja Prvog principa termodinamike očekivali i Drugi, niste se prevarili. Drugi princip termodinamike upravo preti da Vas ponovo zbuni!!! Ali krenućemo od očiglednih činjenica. Na primer, pogledaćemo naše radne sobe i zamislićemo jedan eksperiment u kojem je naš zadatak da deset dana u svojim sobama živimo kao i obično, ali da uopste ne ulažemo nikakav napor da stvari vraćamo na odgovarajuće mesto. Nakon deset dana u sobi će biti takav NERED da će ona verovatno biti potpuno neupotrebljiva. Reći ćete da je to svima dobro poznato i da ne vidite nikakvu vezu sa termodinamikom, ali prevarili ste se. Upravo ovaj primer nam pokazuje da je NERED prirodno-spontano stanje stvari u prirodi i da u svim sistemima spontano raste neuređenost. Ukoliko pak želimo da uvedemo neki red, moramo u to uložiti rad. Pa, zamislite samo koliko je rada potrebno da se ponovo sredi soba iz našeg prethodnog eksperimenta. U tome je suština Drugog principa termodinamike. U prirodi se spontano dešavaju samo oni procesi u kojima raste neuređenost sistema. U termodinamici postoji i mera za neuređenost i ona se zove ENTROPIJA. Pa dobro, kakve veze sad ta entropija ima sa životom na zemlji? Živi organizmi su jedan visoko uređen sistem, ili jezikom termodinamike- sistem u kojem treba entropiju održavati na niskom nivou. Ako sad pažljivije pogledamo jedan živi organizam, primetićemo da tu postoji određeni raspored: organa, tkiva, ćelija, ćelijskih komponenata. Da bi život funkcionisao, nužno je da svaki činilac bude na svom mestu. Međutim prema Drugom principu termodinamike, ovakvu uređenost je potrebno održavati dovođenjem energije iz okoline.

engalpija

Odavno smo zaključili, da se iza svih životnih procesa kriju molekuli i hemijske reakcije. Pošto u svetu hemijskih reakcija postoje izvesna pravila, možemo slobodno da pretpostavima da ista pravila važe i za hemijske reakcije, koje se dešavaju u okviru životnih procesa, pa i metabolizma. A pravila o hemijskim reakcijama kažu da postoje hemijske reakcije koje su praćene oslobađanjem toplote (setimo se reakcije između jake kiseline i jake baze), i reakcije kojima je da bi se uopšte desile potrebno dovesti toplotu. Znači jedna hemijska reakcija može biti praćena:

1. Oslobađanjem toplote u okolinu
2. Vezivanjem toplote iz okoline

Setimo se, hemijske reakcije prema toplotnom efektu mogu biti:

• egzotermne
• endotermne

Vrednost toplote koja se emituje ili apsorbuje iz okoline naziva se entalpija i pokazuje nam da li je reakcija moguća bez dovođenja energije sa strane. Negativna vrednost entalpije je karakteristična za spontane reakcije, a pozitivna za reakcije kojima je potrebno dovesti energiju da bi se odigrale. Najveći broj reakcija sinteze u kojime se u metabolizmu izgrađuju ćelije ima pozitivnu vrednost entalpije, pa im je potrebno dovesti energiju iz okoline.

zašto se ustvari hranimo?

Kao što malopre već rekosmo, potrebna nam je energija. I to zbog nekoliko razloga:

• Da bi hemijske reakcije u kojima izgrađujemo svoja tela, mogle da se dese
• Da bi se u našim telima održao red neophodan za pravilno funkcionisanje metabolizma

Obe ove potrebe, kao i potrebu za malim molekulima-gradivnim jedinicama, podmirujemo razgrađujući velike molekule: šećera, masti ili proteina koje unosimo hranom. Ovaj proces razgradnje se zove katabolizam i on obezbeđuje dovoljno energije i malih molekula potrebnih za sintezu supstanci od kojih su izgrađene ćelije živih organizama.
Tokom odvijanja kataboličkih i anaboličkih reakcija u toku metabolizma, dolazi do pretvaranja hemijske energije supstanci koje unosimo hranom u različite oblike energije potrebne za održavanje života:

• Energiju potrebnu za odvijanje drugih metaboličkih reakcija
• Prenos različitih molekula na određena mesta u organizmu
• Toplotu za održavanje telesne temperature
• Mehanički rad mišića

Znači Prvi prindip termodinamike koji kaže da se energija ne može niotkuda stvoriti, već samo može prelaziti iz jednog oblika u drugi i ovde važi. Ako Vam dosad i nije bilo jasno zašto moramo da jedemo, sada Vam je valjda jasno da je to zbog ... Prvog principa termodinamike;)

Međutim nije hemijska energija jedina koja može biti iskorišćena za održavanje života, biljke u istu svrhu koriste svetlosnu energiju sunca da bi za sebe obezbedile dovoljno energije. Ova razlika sluzi i za jednu klasifikaciju živog sveta prema načinu uzimanja hrane, pa na osnovu toga postoje:

1. hemotrofni organizmi - koji koriste hemijsku energiju supstanci kojima se hrane
2. fototrofni organizmi - koji koriste sunčevu energiju za obezbeđivanje energije u procesu koji se zove fotosinteza