Examkin

Soru

Zorluk: Çok zorBiyoenerjetik Temel Kavramlar ve Termodinamik

Biyokimyasal reaksiyonların termodinamik analizi yapılırken, canlı sistemlerin son derece organize ve düşük entropili yapısı ile termodinamiğin ikinci yasası arasındaki ilişki kritik önem taşır. Termodinamiğin ikinci yasası uyarınca evrendeki toplam entropinin (ΔSevren\Delta S_{evren}) sürekli artması zorunluluğu göz önüne alındığında; hücre içerisinde gerçekleşen ve sistemin entropisinin azaldığı (ΔSsistem<0\Delta S_{sistem} < 0) bir anabolik sürecin kendiliğinden (spontan) gerçekleşebilmesi için temel termodinamik şart aşağıdakilerden hangisidir?

  1. A
    Sistemin entropisindeki azalmanın, reaksiyonun standart serbest enerji değişimi (ΔG∘′\Delta G^{\circ'}) değerini her zaman pozitif yapması
  2. Sistemden çevreye salınan ısı enerjisinin (ekzotermik reaksiyon), çevrenin entropisini sistemin entropisindeki azalıştan daha fazla artırmasıCevap
  3. C
    Reaksiyonun gerçekleşebilmesi için hücre içi kütle aksiyon oranının (QQ), reaksiyonun denge sabitinden (KeqK_{eq}) her zaman daha büyük olması
  4. D
    Sistemin entalpi değişiminin (ΔH\Delta H) mutlak değerce, mutlak sıcaklık ile entropi değişiminin çarpımından (TΔST\Delta S) her zaman daha küçük olması
  5. E
    Biyolojik sistemlerin izole sistemler olması nedeniyle sistemin entropisinin (ΔSsistem\Delta S_{sistem}) hiçbir zaman azalmaması

Cevap

Sistemden çevreye aktarılan ısının çevrenin entropisinde yarattığı artışın, sistemdeki entropi azalışını kompanse etmesi (toplam entropi artışı kuralı)
Termodinamiğin ikinci yasasına göre, bir sürecin kendiliğinden gerçekleşmesi için evrenin toplam entropisinin artması şarttır. Protein katlanması veya nükleik asit sentezi gibi canlılık süreçlerinde sistemin (hücrenin) entropisi azalır (ΔSsistem<0\Delta S_{sistem} < 0). Bu durumun yasaya aykırı olmaması için, reaksiyonun dışarıya ısı vermesi (ekzotermik olması) gerekir. Salınan bu ısı, çevredeki moleküllerin hareketini artırarak çevrenin entropisini (ΔScevre>0\Delta S_{cevre} > 0) öyle bir miktarda artırır ki, toplam ΔS\Delta S pozitif kalır. Bu durum Gibbs denkleminde ΔH\Delta H bileşeninin TΔST\Delta S bileşeninden daha baskın olması ve ΔG\Delta G'nin negatif çıkması ile eşdeğerdir.

Adım Adım Çözüm

1
Termodinamiğin İkinci Yasasını Tanımlama
ΔSevren=ΔSsistem+ΔScevre>0\Delta S_{evren} = \Delta S_{sistem} + \Delta S_{cevre} > 0
Bir sürecin kendiliğinden gerçekleşebilmesi için evrenin toplam entropisinin artması gerekir.
2
Çevrenin Entropi Değişimini Belirleme
ΔScevre=−ΔHsistemT\Delta S_{cevre} = \frac{-\Delta H_{sistem}}{T}
Sabit basınç ve sıcaklıkta sistemden çevreye salınan ısı (ΔH\Delta H), çevrenin moleküler düzensizliğini (entropisini) artırır.
3
Gibbs Serbest Enerji İlişkisini Kurma
ΔG=ΔH−TΔS<0\Delta G = \Delta H - T\Delta S < 0
ΔSevren>0\Delta S_{evren} > 0 ifadesi düzenlendiğinde TΔSsistem−ΔHsistem>0T\Delta S_{sistem} - \Delta H_{sistem} > 0 veya ΔH−TΔS<0\Delta H - T\Delta S < 0 elde edilir.
4
Anabolik Süreçler İçin Analiz Yapma
ΔSsistem<0\Delta S_{sistem} < 0 ise, ΔG<0\Delta G < 0 olması için ΔH\Delta H negatif ve ∣ΔH∣>∣TΔS∣|\Delta H| > |T\Delta S| olmalıdır.
Sistemdeki düzen artışı (protein sentezi gibi) ancak çevreye daha fazla düzensizlik (ısı) verilerek termodinamik olarak mümkün kılınabilir.

Anahtar Kavram

Biyoenerjetikte Termodinamik Yasalar ve Entropi-Entalpi İlişkisi

İpuçları

1
Termodinamiğin ikinci yasası sistem için değil, evren (toplam) için geçerlidir.
2
Hücrede entropi azalıyorsa (düzen artıyorsa), bu açığın 'çevreye ısı salınımı' ile kapatılması gerektiğini düşünün.
3
ΔStoplam=ΔSsistem+ΔScevre\Delta S_{toplam} = \Delta S_{sistem} + \Delta S_{cevre} formülünde ΔSsistem\Delta S_{sistem} negatif ise ΔScevre\Delta S_{cevre} pozitif ve daha büyük olmalıdır.

Daha Fazla Pratik

Ekzergonik bir reaksiyonun endergonik bir reaksiyonu 'yürütmesi' (coupling) mekanizmasını termodinamik parametreler üzerinden analiz edin.
Tahmini Süre:3m 0s
Bu soruyu puanla

Konular

Biyoenerjetik Temel Kavramlar ve Termodinamik

Bu konudan daha fazla soru