Люди воспринимают энергию, как способность выполнять работу.
Как вы знаете, энергия существует в различных формах. Например, электрическая энергия, световая энергия и тепловая энергия - это разные виды энергии. Хотя все эти типы энергии хорошо знакомы, их можно увидеть или почувствовать, есть и другой вид энергии, который гораздо менее осязаем. Ученые связывают эту энергию с чем-то простым, как объект над землей. Для того чтобы понять, как энергия поступает в биологические системы и выходит из них, важно больше узнать о различных видах энергии, существующих в физическом мире.
Когда объект находится в движении, появляется энергия. Например, самолет в полете производит значительную энергию.
Это происходит потому, что движущиеся объекты могут вносить изменения или выполнять работу. Даже медленно движущийся шаровой снаряд может нанести значительный ущерб другим объектам. Однако не находящийся в движении разрушающий шар не способен выполнять работу. Энергия с объектами в движении - это кинетическая энергия. Ускоряющаяся пуля, ходячий человек, быстрое движение молекул в воздухе (которое производит тепло) и электромагнитное излучение, подобное свету, - все это имеет кинетическую энергию.
Что если поднять один и тот же неподвижный шар на два этажа выше машины с краном? Если подвешенный разрушающий шар неподвижен, можем ли мы связать с ним энергию? Ответ - да.
Взвешенный шар имеет энергию, которая принципиально отличается от кинетической энергии движущихся объектов. Эта энергетическая форма является результатом потенциальной возможности для работы шарика для сноса. Если мы выпустим мяч, это сработает. Поскольку этот тип энергии относится к потенциалу для работы, мы называем его потенциальной энергией. Объекты передают свою энергию между кинетическим и потенциальным компонентами следующим образом: Поскольку разрушающий шар висит неподвижно, он обладает 0 кинетической и 100-процентной потенциальной энергией. Как только он высвобождается, его кинетическая энергия начинает возрастать, потому что она увеличивает скорость под действием силы тяжести. Одновременно, когда он приближается к земле, он теряет потенциальную энергию. Где-то в середине он имеет 50% кинетической и 50% потенциальной энергии. Непосредственно перед падением мяч практически потерял свою потенциальную энергию и обладает почти минимальной кинетической энергией.
Мы связываем потенциальную энергию не только с местоположением материи (например, ребенка, сидящего на ветке дерева), но и со структурой материи. Пружина на земле имеет потенциальную энергию, если она сжата, равно как и натянутая резиновая лента. Само существование живых клеток в значительной степени зависит от потенциальной энергии структуры. На химическом уровне связи, связывающие атомы молекул, обладают потенциальной энергией. Помните, что анаболические клеточные пути требуют энергии для синтеза сложных молекул из более простых, а катаболические пути выделяют энергию при разрушении сложных молекул. То, что пробой определенных химических связей может высвободить энергию, означает, что эти связи обладают потенциальной энергией.
Фактически, существует потенциальная энергия, накопленная в соединениях всех молекул пищи, которые мы в конечном итоге используем в пищу. Это потому, что эти связи могут высвободить энергию при разрыве. Ученые называют потенциальный тип энергии, который существует в химических связях и высвобождается, когда эти связи разрушают химическую энергию. Химическая энергия обеспечивает живые клетки энергией, получаемой из пищи. Разрыв молекулярных связей в молекулах топлива приводит к высвобождению энергии.
Свободная энергия
Как сравнить энергию, высвобождающуюся в результате одной реакции, с энергией другой? Мы используем измерение свободной энергии для количественной оценки этих передач энергии. Ученые называют эту свободную энергию энергией Гиббса (сокращенно от буквы G) в честь Джосайи Уилларда Гиббса, ученого, который разработал это измерение. Напомним, что согласно второму закону термодинамики, все передачи энергии предполагают потерю части энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло, что приводит к энтропии.
Свободная энергия Гиббса относится конкретно к энергии, которая происходит в результате химической реакции, доступной после того, как мы учтем энтропию. Другими словами, свободная энергия Гиббса - это полезная энергия, или энергия, доступная для работы.
Энергия активации
Есть еще одна важная концепция, которую мы должны рассмотреть в отношении эндергонических и экзергонических реакций. Даже экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии, прежде чем они смогут приступить к этапу высвобождения энергии. Эти реакции приводят к чистому высвобождению энергии, но все же требуют некоторой начальной энергии. Ученые называют это небольшим количеством энергии, необходимой для всех химических реакций для возникновения энергии активации (или свободной энергии активации), сокращенно ЭА.
Почему отрицательная реакция высвобождения энергии ∆G действительно требует некоторой энергии для продолжения? Причина кроется в шагах, которые происходят во время химической реакции. В процессе химических реакций разрываются определенные химические связи и образуются новые. Например, при разрушении молекулы глюкозы разрываются связи между атомами углерода молекулы. Так как это связи, сохраняющие энергию, они высвобождают энергию при разрыве. Однако, чтобы привести их в состояние, позволяющее разрывать связи, молекула должна быть несколько искажена.
Для достижения этого искаженного состояния требуется небольшая потребляемая энергия. Это деформированное состояние - переходное состояние, высокоэнергетическое, нестабильное состояние. По этой причине молекулы реагентов недолго находятся в переходном состоянии, но очень быстро переходят к следующим этапам химической реакции.
Диаграммы свободной энергии иллюстрируют энергетические профили для данной реакции. Будет ли реакция экзергонической или эндергонической, определяет, будут ли продукты на диаграмме существовать в более низком или более высоком энергетическом состоянии, чем реактивы и продукты. Однако, независимо от этой меры, переходное состояние реакции существует при более высоком энергетическом состоянии, чем у реакторов, и поэтому ЭА всегда является положительным.
Откуда берется энергия активации, необходимая химическим реактивам? Источником энергии активации, необходимой для продвижения реакции вперед, обычно является тепловая энергия из окружающей среды. Тепловая энергия (общая энергия связи реактивов или продуктов химической реакции) ускоряет движение молекулы, увеличивая частоту и силу, с которой они сталкиваются. Он также слегка перемещает атомы и связи внутри молекулы, помогая им достичь переходного состояния. По этой причине нагрев системы вызовет более частую реакцию химических реактивов в ней. Повышение давления на систему имеет такой же эффект. Как только реактивы поглотят достаточное количество тепловой энергии из окружающей среды для достижения переходного состояния, реакция продолжится.
Энергия активации конкретной реакции определяет скорость, с которой она будет проходить. Чем выше энергия активации, тем медленнее химическая реакция. Пример железной ржавчины иллюстрирует изначально медленную реакцию. Эта реакция происходит медленно из-за его высокого уровня ЭА. Кроме того, сжигание многих видов топлива, которое является сильно экзергоническим, будет происходить с незначительной скоростью, если только достаточное количество тепла от искры не превысит их энергию активации.
Однако, как только они начинают гореть, химические реакции выделяют достаточно тепла для продолжения процесса горения, обеспечивая энергию активации окружающих молекул топлива. Как и эти реакции вне клеток, энергия активации для большинства клеточных реакций слишком велика, чтобы тепловая энергия могла быть преодолена с эффективной скоростью. Другими словами, для того, чтобы важные клеточные реакции происходили заметно быстрее (количество реакций в единицу времени), их энергия активации должна быть снижена. Ученые называют это катализом.
Что касается живых клеток, то это очень хорошо. Важные макромолекулы, такие как белки, ДНК и РНК, накапливают значительную энергию, и их распад является экзергоническим. Если бы только клеточные температуры обеспечивали достаточное количество тепловой энергии для этих экзергонических реакций, чтобы преодолеть барьеры их активации, основные компоненты клетки распадались бы.
Спасибо что дочитали до конца.
