Informacija

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologija

2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologija


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.

Ciljevi učenja povezani s 2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25

  • Opišite kako su genotip i fenotip povezani. Predvidite fenotip ako mu je zadan genotip i povezani molekularni mehanizmi, i obrnuto.
  • Opišite kako informacije o okolišu mogu oblikovati transkripcijski i translacijski izlaz na načine koji dovode do različitih fenotipova i stanične specijalizacije.
  • Definirajte i objasnite različite termine u rječniku koji se koriste za opisivanje mutacija (točka, brisanje, umetanje, besmislica, pomak okvira, null, gubitak funkcije i dobivanje funkcije) i biti u stanju predvidjeti njihov utjecaj na funkciju proteina.
  • Koristite tablicu kodona i svoje znanje o strukturi i funkciji proteina kako biste predvidjeli kako specifične promjene na razini DNK mogu utjecati na strukturu i funkciju proteina.
  • Objasnite moguće različite mehanizme kojima mutacije mogu uzrokovati promjene u fenotipu. Uključite mutacije na regije koje kodiraju proteine ​​i regije koje ne kodiraju proteine ​​u svoju raspravu.
  • Objasnite potencijalni utjecaj mutacija na specifičnost i afinitet interakcija protein-DNA i potencijalni utjecaj tih mutacija na ekspresiju gena.

Mutacije

Pogreške koje se javljaju tijekom replikacije DNK nisu jedini način na koji mogu nastati mutacije u DNK. Inducirane mutacije su oni koji su posljedica izlaganja kemikalijama, UV zrakama, rendgenskim zrakama ili nekom drugom okolišnom agensu. Spontane mutacije nastaju bez izlaganja bilo kojem okolišnom agensu; proizlaze iz spontanih biokemijskih reakcija koje se odvijaju unutar stanice.

Mutacije mogu imati širok raspon učinaka.

Neke mutacijene stvaraju vidljiv utjecaj; zovemo ove

tihe mutacije. Točkaste mutacije su one mutacije koje utječu na jedan par baza. Najčešće nukleotidne mutacije su supstitucije,

u kojem se jedna baza zamjenjuje drugom

. One mogu biti dvije vrste, bilo prijelazi ili transverzije. Prijelazna zamjena odnosi se na purin ili pirimidin koji je zamijenjen bazom iste vrste; na primjer,

purin kao što je adenin može se zamijeniti purin gvaninom

. Transverzijska zamjena odnosi se na purin koji je zamijenjen pirimidinom, ili obrnuto; na primjer, citozin, pirimidin,

je zamijenjen

adeninom, purinom. Mutacije također mogu

biti rezultat

dodavanje nukleotida, poznato kao umetanje, ili uklanjanje baze, također poznato kao delecija. Ponekad se dio DNK iz jednog kromosoma može translocirati u drugi kromosom ili u drugu regiju istog kromosoma;

ovo je poznato

kao translokacija.

Kao što ćemo kasnije posjetiti, kada se mutacija dogodi u regiji koja kodira protein, ona može imati nekoliko učinaka. Tranzicijski ili transverzijski mutanti ne mogu dovesti do promjene u slijedu proteina (poznatog kao tihe mutacije), promijeniti slijed aminokiselina (poznat kao misense mutacije), ili stvoriti

ono što je poznato kao

stop kodon (poznat kao a glupa mutacija). Insercije i delecije u sekvencama koje kodiraju proteine ​​dovode do mutacije pomaka okvira. Missense mutacije koje dovode do konzervativne promjene rezultira supstitucijom sličnih, ali ne identičnih aminokiselina. Na primjer, kiseli aminokiselinski glutamat koji je supstituiran za kiseli aminokiselinski aspartat bi

uzeti u obzir

konzervativan. Ne očekujemo da će ove vrste missense mutacija biti tako ozbiljne kao a nekonzervativna promjena aminokiselina; kao što je glutamat zamijenjen valinom. Polazeći od našeg razumijevanja kemije funkcionalnih skupina, možemo ispravno zaključiti da je ovo

vrsta

supstitucija može dovesti do teških funkcionalnih posljedica, ovisno o mjestu mutacije.

Napomena: Vokabular Watch

Imajte na umu da je prethodni odlomak imao puno potencijalno novog vokabulara - bilo bi dobro naučiti te pojmove.

Slika 1. Mutacije mogu dovesti do promjena u sekvenci proteina koju kodira DNK.

Mutacije: Neka nomenklatura i razmatranja

Mutacija

Etimološki, izraz mutacija znači promjenu ili promjenu. U genetici, mutacija je promjena u genetskom materijalu - sekvenci DNK - organizma. Prošireno, mutant je organizam u kojem se dogodila mutacija. Ali u čemu je promjena u usporedbi? Odgovor na ovo pitanje je da ovisi. Možemo napraviti usporedbu s izravnim progenitorom (stanicom ili organizmom) ilidoobrasci uočeni u populaciji dotičnog organizma. To uglavnom ovisi o specifičnom kontekstu rasprave. Budući da genetske studije često promatraju populaciju (ili ključne podpopulacije) pojedinaca, počinjemo s opisom pojma "divlji tip".

Divlji tip protiv mutanta

Što podrazumijevamo pod "divljim tipom"? Budući da definicija može ovisiti o kontekstu, ovaj koncept nije sasvim jednostavan. Evo nekoliko primjera definicija na koje možete naići:

Moguća značenjaod "divljeg tipa"

  1. Organizam koji ima izgled karakterističan za vrstu u prirodnoj populaciji za razmnožavanje (tj. gepardove mrlje i tamne pruge nalik suzama koje se protežu od očiju do usta).
  2. Oblik ili oblici gena najčešće se javljaju u prirodi u adanovrsta.
  3. Fenotip, genotip ili gen koji prevladava u prirodnoj populaciji organizama ili soja organizama za razliku od prirodnih ili laboratorijskih mutantnih oblika.
  4. Normalan, za razliku od mutantnog gena ili alela.
Temelji se zajednička nit svih gore navedenih definicija

na "normi" za skup karakteristika

s poštovanjem

specifična osobina u usporedbi s cjelokupnom populacijom. U "dobu prije sekvenciranja DNK"

vrste su klasificirane

na temelju uobičajenih fenotipova (kako su izgledali, gdje su živjeli, kako su se ponašali itd.). "norma"

je uspostavljena

za dotičnu vrstu. Na primjer, vrane pokazuju zajednički skup karakteristika, velike su crne ptice koje žive u određenim regijama, jedu određene vrste hrane i ponašaju se na određeni karakterističan način. Ako ga vidimo, znamo

svoje

vrana na temelju ovih karakteristika. Kad bismo vidjeli nekog s bijelom glavom, pomislili bismo

da

ili je to druga ptica (ne vrana) ili mutant, vrana koja ima neke promjene u odnosu na normu ili divlji tip.

U ovom razredu uzimamo ono što je uobičajeno u tim različitim definicijama i usvajamo ideju da je "divlji tip".

jednostavno

referentni standard s kojim možemo usporediti pripadnike populacije.


Moguća NB Rasprava Točka

Kad biste dodijelili osobine divljeg tipa da opišete psa, koje bi one bile? Koja je razlika između mutantne osobine i varijacije osobine u populaciji pasa? Postoji li divlji tip za psa koji bismo mogli koristiti kao standard? Kako bismopočetirazmislite o ovom konceptus poštovanjempsi?



Slika 2. Mutacije mogu dovesti do promjena u proteinskom slijedu kodiranog DNK koje potom utječu na vanjski izgled organizma.
(Izvor)

Mutacije sujednostavnopromjene od "divljeg tipa", referentne ili roditeljske sekvence za organizam. Dok izraz "mutacija" ima kolokvijalno negativne konotacije, mimorazapamtite da promjena nije ni sama po sebi "loša". Mutacije (promjene sekvenci) ne bi trebale prvenstvenomislitikao "loše" ili "dobre", alinegojednostavnokao promjene i izvor genetske i fenotipske raznolikosti na kojoj se može dogoditi evolucija prirodnom selekcijom. Prirodna selekcija u konačnici određuje dugoročnosudbinamutacija. Ako mutacija organizmu daje selektivnu prednost, mutacija ćebiti odabranii može s vremenom postati vrlo čest u populaciji. Suprotno tome, ako je mutacija štetna, prirodna selekcija će to osiguratimutacija će se izgubitiod stanovništva. Ako je mutacija neutralna, odnosno ne daje selektivnu prednost ili nedostatak, tada može opstati u populaciji. Različitoblicimagen, uključujući one povezane s "divljim tipom" i odgovarajućim mutantima, u populacijinazivaju sealela.

Posljedice mutacija

Za pojedinca, posljedica mutacija može značiti malo ili može značiti život ili smrt. Neke štetne mutacije su null ili nokautiratimutaciješto rezultira gubitkom funkcije genskog proizvoda. Ove mutacije mogu nastati brisanjembilocijeli gen, dio gena ili točkasta mutacija u kritičnoj regiji gena koja genski proizvod čini nefunkcionalnim. Ove vrste mutacija se također nazivaju gubitak funkcije mutacije. Alternativno, mutacije mogu dovesti do modifikacije postojeće funkcije (tj. mutacija može promijeniti katalitičku učinkovitost enzima, promjenu specifičnosti supstrata ili promjenu strukture). U rijetkim slučajevima mutacija može stvoriti novu ili poboljšanu funkciju za genski proizvod;to se često spominjedo kao a dobitak funkcije mutacija.posljednje, mutacije se mogu pojaviti u nekodirajućim regijama DNK. Ove mutacije mogu imati različite ishode uključujući promijenjenu regulaciju ekspresije gena, promjene u stopama replikacije ili strukturnim svojstvima DNA i drugim čimbenicima koji nisu povezani s proteinima.

Mutacije i rak

Mutacije mogu utjecati na somatske ili zametne stanice. Ponekad se pojave mutacije u genima za popravak DNA, što u stvari ugrožava sposobnost stanice da popravi druge mutacije koje se mogu pojaviti. Ako,kao rezultatmutacija u genima za popravak DNA, mnoge se mutacije nakupljaju u somatskoj stanici, mogu dovesti do problema kao što je nekontrolirana dioba stanica uočena kod raka. Karcinomi, uključujući oblike raka gušterače, raka debelog crijeva i kolorektalnog karcinoma imajubio povezans ovakvim mutacijama u genima za popravak DNK. Ako, po kontrastu,u zametnim stanicama (spolnim stanicama) javlja se mutacija u popravku DNK, mutacija ćebiti proslijeđenna sljedeću generaciju, kaou slučajubolesti poput hemofilije i pigmentne kseroderme.Uslučaj kserodermepigmentojeosobe s ugroženim procesima popravka DNK postaju vrlo osjetljive na UV zračenje. U teškim slučajevima ove osobe mogu dobiti teške opekline od sunca samo nekoliko minuta izlaganja suncu. Gotovo polovica sve djece s ovim stanjem razvije svoj prvi rak kože do 10. godine.

Posljedice pogrešaka u replikaciji, transkripciji i prijevodu

Nešto ključno za razmišljanje:

Stanice su razvile različite načine kako bi osigurale otkrivanje i ispravljanje pogrešaka DNK,ROMprovjeravanje pomoću različitih DNA-ovisnih DNA polimeraza, na složenije sustave popravka. Zašto se razvilo toliko mnogo mehanizama za popravljanje pogrešaka u DNK?Nasuprot tome, sličnoMehanizmi lektoriranja NISU se razvili zbog pogrešaka u transkripciji ili prijevodu. Zašto bi to moglo biti? Koje bi bile posljedice greške u transkripcija? Bi li takva pogreška utjecala na potomstvo? Bi li to bilo smrtonosno za ćeliju? Što o tome prijevod? Postavite ista pitanja o procesu prevođenja. Što bi se dogodilo kad bislučajno je stavljena pogrešna aminokiselinau rastući polipeptid tijekom translacije proteina? Usporedite ovo s replikacijom DNK.

Mutacije kao instrumenti promjene

Mutacije su način na koji se populacije mogu prilagoditi promjenjivim pritiscima okoline

Mutacijesu nasumično kreiraneu genomu svakog organizma, i tozauzvratstvara genetsku raznolikost i mnoštvo različitih alela po genu po organizmu u svakoj populaciji na planetu. Ako se mutacije nisu dogodile, i kromosomibile repliciranei preneseno sa 100% vjernosti, kako bi se stanice i organizmi prilagodili? Hoće li evolucija zadržati mutacije u populaciji ovisi o tome daje li mutacija selektivnu prednost, predstavlja li neki selektivni trošak ilijeu najmanju ruku, nije štetno.Doista, mutacijekoji se čine neutralnim mogu opstati u populaciji kroz mnoge generacije i imati smisla samo kada populacijaje osporens novim ekološkim izazovom.U ovom trenutku,theočito prethodno neutralne mutacije mogu pružiti selektivnu prednost.

Primjer: rezistencija na antibiotike

Bakterija E coli je osjetljiv na antibiotik zvan streptomicin, koji inhibira sintezu proteina vežući se na ribosom.Ribosomski proteinL12može mutiratitako da se streptomicin više ne veže na ribosom i inhibira sintezu proteina. Divlji tip i L12 mutanti rastu jednakodobroa čini se da je mutacija neutralna uizostanak antibiotika. Uprisutnost antibiotikadivlji tipstanice umiru, a mutanti L12 prežive. Ovaj primjer pokazuje koliko je genetska raznolikost važna za preživljavanje populacije. Ako se mutacije nisu dogodile nasumično, kada je populacijaje osporenzbog ekološkog događaja, kao što je izlaganje streptomicinu, cijela populacija bi umrla. Za većinu populacija ovo postaje igra brojeva. Ako je stopa mutacija 10-6 tada ima 10 stanovnika7 stanice bi imale 10 mutanata; populacija od 108 imao bi 100 mutanata itd.

Neispravljene greške u replikaciji DNK dovode do mutacije. U ovom primjeru,prošla je neispravljena greškana bakterijsku ćerku stanicu. Ova pogreška je u genu koji kodira dio ribosoma. Mutacija rezultira različitom konačnom 3D strukturom proteina ribosoma. Dokdivlji tipribosom se može vezati na streptomicin (antibiotik koji će ubiti bakterijsku stanicu inhibiranjem funkcije ribosoma) mutantni ribosom se ne može vezati za streptomicin.Ovajbakterijejesada otporan na streptomicin.
Izvor: Bis2A Team originalna slika

Primjer: laktat dehidrogenaza

Laktat dehidrogenaza (LDH), enzim koji katalizira redukciju piruvata u mliječnu kiselinu u fermentaciji, dok praktički svaki organizam ima tu aktivnost, odgovarajući enzim, a samim tim i gen se jako razlikuju između ljudi i bakterija.Proteini su jasnopovezano,obavljaju istu osnovnu funkciju, ali imaju niz razlika, od afiniteta vezanja supstrata i brzine reakcije do optimalnih zahtjeva za soli i pH. Svaki od ovih atributa imabio evolucijski podešenza svaki specifični organizam kroz više krugova mutacije i selekcije.


Moguća NB Rasprava Točka

Možemo koristiti usporednu analizu sekvenci DNK za stvaranje hipoteza o evolucijskim odnosima između tri ili više organizama. Jedan od načina da se to postigne je usporedba DNK ili proteinskih sekvenci proteina koji se nalaze u svakom od organizama koje želimo usporediti. Zamislimo, na primjer, da bismo trebali usporediti sekvence laktat dehidrogenaze (LDH) iz tri različita organizma. Shema u nastavku prikazuje primarne strukture LDH proteina iz organizama A, B i C. Slova u središtu linijskog dijagrama proteina predstavljaju aminokiseline na jedinstvenom položaju i predložene razlike u svakoj sekvenci (Atribucija:Marc T. Facciotti [izvorno djelo]). Pitanje: Je li organizam C bliži organizmu A ili B? Najjednostavnije objašnjenje je da je organizam A najraniji oblik, dogodila se mutacija koja je potaknula organizam B. S vremenom je nastala druga mutacija u lozi B koja je dovela do enzima koji se nalazi u organizmu C. Ovo je najjednostavnije objašnjenje, međutim mi ne može isključiti druge mogućnosti. Možete li misliti na druge načine drugačijeoblicimaLDH enzim nastao ova tri organizma?


Aplikacija u stvarnom životu:

Kao što smo vidjeli u modulu "Mutacije i mutanti", promjena čak i jednog nukleotida može imati velike učinke na prevedeni proizvod. Više o preddiplomskom radu na točkastim mutacijama i GMO pročitajte ovdje.

GLOSAR

inducirana mutacija:

mutacijakoja je posljedica izlaganja kemikalijama ili okolišnim agensima

mutacija:

varijacije u nukleotidnom slijedu genoma

popravak neusklađenosti:

vrsta mehanizma za popravak u kojemneusklađene baze se uklanjajunakon replikacije

popravak ekscizijom nukleotida:

vrsta mehanizma za popravak DNK u kojem je pogrešna baza, zajedno s nekoliko nukleotida uzvodno ili nizvodno,su uklonjeni

korektura:

funkcija DNKpolu kojem čita novododanu bazu prije dodavanja sljedeće

točkasta mutacija:

mutacijakoji utječe na jednu bazu

tiha mutacija:

mutacijadanije izraženo

spontana mutacija:

mutacijakoji se odvija u stanicamakao rezultatkemijskih reakcija koje se odvijaju prirodno bez izlaganja bilo kojem vanjskom agensu

tranzicijska zamjena:

kada je purinje zamijenjens purinom ili pirimidinomje zamijenjens drugim pirimidinom

transverzijska zamjena:

kada je purinje zamijenjenpirimidinom ili pirimidinomje zamijenjenod strane purina


2020_SS1_Bis2a_Facciotti_Reading_25 - Biologija

Uvod Niz zakona, koji se nazivaju zakonima termodinamike, opisuju kako se energija prenosi i raspršuje u reakciji. Razmatramo dva od njih. Prvi zakon kaže da je ukupna količina energije u svemiru konstantna. To znači da se energija ne može stvoriti ili uništiti u reakciji ili procesu, već samo prenijeti. Drugi zakon termodinamike kaže da se entropija svemira uvijek povećava. Opisujemo opću važnost ova dva zakona i njihovu primjenu u biologiji.

Zakoni termodinamike

Termodinamika se bavi opisivanjem promjena u sustavima prije i nakon promjene. To obično uključuje raspravu o prijenosu energije i njezinoj disperziji unutar sustava. U gotovo svim praktičnim slučajevima ove analize zahtijevaju da se sustav i njegovo okruženje u potpunosti opisuju. Na primjer, kada govorimo o zagrijavanju lonca s vodom na štednjaku, sustav može uključivati ​​peć, lonac, a voda i okoliš ili okolina mogu uključivati ​​sve ostalo. Biološki organizmi su ono što se naziva otvorenim sustavima energija se prenosi između njih i njihove okoline.

1. zakon termodinamike Prvi zakon termodinamike bavi se ukupnom količinom energije u svemiru. Navodi da je ta ukupna količina energije konstantna. Drugim riječima, uvijek je postojala i uvijek će postojati potpuno ista količina energije u svemiru. Prema prvom zakonu termodinamike, energija se može prenositi s mjesta na mjesto (modul 4.0), ali se ne može stvoriti ili uništiti. Prijenosi energije odvijaju se oko nas cijelo vrijeme. Žarulje prenose energiju električne elektrane u toplinu i fotone da proizvode svjetlost. Plinske peći prenose energiju pohranjenu u vezama kemijskih spojeva u toplinu i svjetlost. Toplina je, inače, količina energije koja se prenosi iz jednog sustava u drugi zbog temperaturne razlike. Biljke obavljaju jedan od biološki najkorisnijih prijenosa energije na Zemlji: prenose energiju u fotonima sunčeve svjetlosti u kemijske veze organskih molekula. U svakom od ovih slučajeva energija se ne stvara niti uništava i moramo pokušati uzeti u obzir svu energiju kada ispitujemo neke od ovih reakcija.

Prvi zakon i energetska priča Prvi zakon termodinamike je varljivo jednostavan. Učenici često razumiju da se energija ne može stvoriti ili uništiti. Ipak, kada opisuju energetsku priču procesa, često griješe govoreći stvari poput "energija se proizvodi prijenosom elektrona s atoma A na atom B". Iako će većina nas razumjeti poantu koju učenik pokušava iznijeti, koriste se pogrešne riječi. Energija se ne stvara niti proizvodi, ona se jednostavno prenosi. Kako biste bili u skladu s prvim zakonom, kada pričate energetsku priču, potrudite se da pokušate eksplicitno pratiti sva mjesta na koja SVA energija u sustavu na početku procesa odlazi do kraja procesa.

2. zakon termodinamike Važan koncept u fizičkim sustavima je onaj o entropiji. Entropija je povezana s načinima na koje se energija može distribuirati ili raspršiti unutar čestica sustava. Drugi zakon termodinamike kaže da entropija uvijek raste u sustavu I njegovoj okolini (sve izvan sustava). Ova ideja pomaže objasniti usmjerenost prirodnih fenomena. Općenito, pojam je da usmjerenost proizlazi iz težnje da se energija u sustavu kreće prema stanju maksimalne disperzije. Drugi zakon, dakle, znači da u svakoj transformaciji negdje trebamo tražiti ukupno povećanje entropije (ili disperzije energije). Ideja koja je povezana s povećanom disperzijom energije u sustavu ili njegovoj okolini je da kako se disperzija povećava, sposobnost energije da se usmjeri prema radu opada.

Bit će mnogo primjera gdje se entropija sustava smanjuje. Međutim, da bismo bili u skladu s drugim zakonom, moramo pokušati pronaći nešto drugo (vjerojatno usko povezan sustav u okruženju) što mora kompenzirati "lokalno" smanjenje entropije jednakim ili većim povećanjem entropije.

Entropija sustava može se povećati kada: (a) dobiva energiju (b) dolazi do promjene stanja iz krutog u tekuće u plin (c) dolazi do miješanja tvari (d) kada se broj čestica povećava tijekom reakcije.

Povećanje poremećaja može se dogoditi na različite načine. Jedan primjer je kocka leda koja se topi na vrućem pločniku. Ovdje je led prikazan kao snježna pahulja, a organizirane, strukturirane molekule vode tvore pahulju. S vremenom će se pahulja otopiti u bazen neorganiziranih, slobodno pokretnih molekula vode.
Izvor: https://www.boundless.com/physics/textbooks/boundless-physics-textbook/thermodynamics-14/entropy-119/order-to-disorder-417-6459/

Ako zajedno razmotrimo prvi i drugi zakon (očuvanje energije i potrebu za povećanjem entropije ako se proces dogodi) dolazimo do korisnog zaključka. U svakom procesu gdje se energija prenosi ili redistribuira unutar sustava, entropija se mora povećati. Ovo povećanje entropije povezano je s time koliko je energija "korisna" za obavljanje posla (općenito postaje manje dostupna kako entropija raste). Dakle, možemo zaključiti da u bilo kojoj transformaciji smatramo da, dok se sva energija mora sačuvati, potrebna promjena povećanje entropije znači da će dio energije postati raspoređen na način koji je čini manje korisnom za rad. U mnogim slučajevima, osobito u biologiji, dio povećanja entropije može se pratiti do prijenosa energije u toplinu u okolišu.

Slobodna energija

Ako želimo opisati transformacije, stoga je korisno imati mjeru (a) koliko je energije u sustavu i (b) raspršivanje te energije unutar sustava i naravno kako se te promjene mijenjaju između početka i kraja procesa. Koncept slobodne energije, koji se često naziva Gibbsova slobodna energija ili slobodna entalpija (skraćeno slovom G), u nekom smislu radi upravo to. Gibbsova slobodna energija može se definirati na nekoliko interkonvertibilnih načina, ali koristan u kontekstu biologije je entalpija (unutarnja energija) sustava minus entropija sustava skalirana temperaturom. Razlika u slobodnoj energiji kada se proces odvija često se izvještava u smislu promjene (delta) entalpije (unutarnje energije) označene H, minus temperaturno skalirana promjena (delta) u entropiji, označena S. Vidi jednadžbu ispod.

Gibbsova energija se često tumači kao količina energije koja je dostupna za obavljanje korisnog rada. Uz malo mahanja rukom, možemo to protumačiti pozivajući se na gore predstavljenu ideju da disperzija energije (zahtijevana Drugim zakonom) povezana s pozitivnom promjenom entropije na neki način čini dio energije koja se prenosi manje korisnom za rad. Može se reći da se to dijelom odražava u T∆S terminu Gibbsove jednadžbe.

Kako bi se pružila osnova za poštene usporedbe promjena Gibbsove slobodne energije među različitim biološkim transformacijama ili reakcijama, promjena slobodne energije reakcije se mjeri pod skupom uobičajenih standardnih eksperimentalnih uvjeta. Rezultirajuća standardna promjena slobodne energije kemijske reakcije izražava se kao količina energije po molu produkta reakcije (bilo u kilodžulima ili kilokalorijama, kJ/mol ili kcal/mol 1 kJ = 0,239 kcal) kada se mjeri pri standardnom pH, temperatura i uvjeti tlaka. Standardni uvjeti pH, temperature i tlaka općenito se izračunavaju na pH 7,0, 25 stupnjeva Celzija, odnosno 100 kilopaskala (tlak 1 atm). Važno je napomenuti da se stanični uvjeti znatno razlikuju od ovih standardnih uvjeta, pa će se stvarni ∆G unutar ćelije znatno razlikovati od onih izračunatih u standardnim uvjetima.

Endergoničke i eksergoničke reakcije

Reakcije koje imaju ∆G < 0 znači da produkti reakcije imaju manje slobodne energije od reaktanata. Budući da je ∆G razlika između promjena entalpije i entropije u reakciji, neto negativni ∆G može nastati na različite načine. Lijeva ploča na slici 2 ispod prikazuje uobičajeni grafički prikaz eksergonske reakcije. Slobodna energija je ucrtana na y-osi, a os x u proizvoljnim jedinicama prikazuje model za napredak reakcije. Ova vrsta grafa naziva se reakcijski koordinatni dijagram. U slučaju eksergoničke reakcije prikazane ispod, grafikon ukazuje na dvije ključne stvari: (1) razlika između slobodne energije reaktanata i produkata je negativna i (2) napredak reakcije zahtijeva određeni unos slobodne energije (prikazano kao energetsko brdo). Ovaj graf nam ne govori kako je energija u sustavu preraspodijeljena, samo da je razlika između entalpije i entropije negativna. Reakcije koje imaju negativan ∆G i posljedično se nazivaju eksergonijskim reakcijama. Ove reakcije se javljaju spontano. Razumijevanje koje su kemijske reakcije spontane iznimno je korisno za biologe koji pokušavaju shvatiti hoće li reakcija "proći" ili ne.

Važno je napomenuti da izraz spontana - u kontekstu termodinamike - NE podrazumijeva ništa o tome koliko brzo se reakcija odvija. Promjena u slobodnoj energiji samo opisuje razliku između početnog i krajnjeg stanja NE koliko brzo taj prijelaz traje. To je donekle suprotno svakodnevnoj upotrebi izraza koji obično nosi implicitno shvaćanje da se nešto brzo događa. Na primjer, oksidacija/hrđanje željeza je spontana reakcija. Međutim, željezni čavao izložen zraku ne zahrđa odmah – to može potrajati godinama.

Kemijska reakcija s pozitivnim ∆G znači da produkti reakcije imaju veću slobodnu energiju od reaktanata (vidi desnu ploču na slici 2). Te kemijske reakcije nazivaju se endergonskim reakcijama i NISU spontane. Endergonska reakcija se neće odvijati sama bez prijenosa energije u reakciju ili povećanja entropije negdje drugdje.

Eksergonske i endergoničke reakcije rezultiraju promjenama Gibbsove slobodne energije. U eksergoničkoj reakciji slobodna energija proizvoda je niža od one reaktanata, dok je u endergonijskoj slobodna energija proizvoda viša od one reaktanata.

Izgradnja složenih molekula, poput šećera, od jednostavnijih je anabolički proces i endergoničan je. S druge strane, katabolički proces, kao što je razgradnja šećera u jednostavnije molekule, općenito je eksergoničan. Poput gornjeg primjera hrđe, dok je razgradnja biomolekula općenito spontana, te se reakcije ne moraju nužno dogoditi trenutno (brzo). Slika 3 prikazuje još neke primjere endergonijskih i eksergonijskih reakcija. Ali zapamtite, termini endergonski i eksergonski odnose se samo na razliku u slobodnoj energiji između proizvoda i reaktanata - oni vam ne govore o brzini reakcije (koliko se brzo događa). Pitanje stope će se raspravljati u kasnijim odjeljcima.

Prikazani su neki primjeri endergonijskih procesa (oni s pozitivnim promjenama u slobodnoj energiji između proizvoda i reaktanata) i eksergoničkih procesa (oni s negativnim promjenama u slobodnoj energiji između proizvoda i reaktanata). To uključuje (a) raspadnu hrpu komposta, (b) pile koje se izleže iz oplođenog jajeta, (c) uništavanje pješčane umjetnine i (d) loptu koja se kotrlja niz brdo. (zasluga a: izmjena rada Natalie Maynor kredit b: izmjena rada USDA kredit c: izmjena rada “Athlex”/Flickr kredit d: izmjena rada Harryja Malscha)

Važan koncept u proučavanju metabolizma i energije je koncept kemijske ravnoteže. Većina kemijskih reakcija je reverzibilna. Mogu nastaviti u oba smjera, često prenoseći energiju u svoju okolinu u jednom smjeru, a prenoseći energiju iz okoline u drugom smjeru. Isto vrijedi i za kemijske reakcije uključene u metabolizam stanica, kao što je razgradnja i izgradnja proteina u pojedinačne aminokiseline i iz njih. Reaktanti unutar zatvorenog sustava proći će kemijske reakcije u oba smjera sve dok se ne postigne stanje ravnoteže. Ovo stanje ravnoteže je jedno od najnižih mogućih slobodnih energija i stanje maksimalne entropije. Ravnoteža u kemijskoj reakciji je stanje u kojem su i reaktanti i produkti prisutni u koncentracijama koje nemaju daljnju tendenciju mijenjanja s vremenom. Obično, ovo stanje nastaje kada se prednja reakcija odvija istom brzinom kao i obrnuta reakcija. NAPOMENA OVU POSLJEDNU IZJAVU! Ravnoteža znači da se relativne koncentracije reaktanata i produkata ne mijenjaju u vremenu, ALI to NE znači da ne postoji međupretvorba između supstrata i proizvoda - to samo znači da kada se reaktant pretvori u proizvod taj se proizvod pretvara u reaktant jednakom brzinom .

Da bi se reakcija pomaknula iz stanja ravnoteže, potrebna je ili rebalans koncentracije supstrata (dodavanjem ili uklanjanjem supstrata ili proizvoda) ili pozitivna promjena slobodne energije, obično prijenosom energije izvan reakcije. U živoj stanici većina kemijskih reakcija ne postiže stanje ravnoteže – to bi zahtijevalo da dosegnu svoje najniže stanje slobodne energije. Energija je stoga potrebna da biološke reakcije ne bi bile u stanju ravnoteže. Na taj su način živi organizmi u stalnoj, teškoj borbi protiv ravnoteže i entropije koja zahtijeva energiju.

U ravnoteži, nemojte misliti na statički nepromjenjivi sustav. Umjesto toga, slika molekula koje se kreću, u jednakim količinama s jednog područja na drugo. Ovdje, u ravnoteži, molekule se još kreću s lijeva na desno i zdesna na lijevo. Međutim, neto kretanje je jednako. I dalje će biti oko 15 molekula na svakoj strani ove tikvice kada se postigne ravnoteža.
Izvor: https://courses.candelalearning.com/chemistryformajorsx1xmaster/chapter/entropy/



Komentari:

  1. Lichas

    U potpunosti dijelim Vaše mišljenje. Ima nešto u tome, i to je dobra ideja. Podržavam te.

  2. Arataur

    Kakve riječi... fenomenalna, briljantna ideja

  3. Pahana

    Mislim da su u krivu. u stanju sam to dokazati. Piši mi na PM, pričaj.



Napišite poruku