2--Capturing and Using Energy


Chemical Reactions in Systems

  • A system is the object being studied (e.g., a cell, a body, an ecosystem).

  • In biology, systems are always open systems.

  • Trao đổi cả matter và energy với môi trường

Rules About Energy in Reacting Systems (Laws of Thermodynamics)

1st Law of Thermodynamics: Conservation of Energy

  • Energy cannot be created or destroyed.

  • Energy can be transferred from one object or location to another.

  • Energy can be transformed from one type to another.

2nd Law of Thermodynamics: The Total Disorder of a Reacting System Increases

  • the entropy of the system increases.

  • Entropy refers to disorder or randomness.

  • If parts of a reacting system become more ordered (e.g., forming a bigger, more complex molecule), somewhere else in the system—> tổng entropy tăng

  • These factors relate to:

    • Enthalpy (HH): The total heat content of a system at constant pressure.

    • Temperature (TT): A measure of the average kinetic energy of the particles within the system.

    • Entropy (SS): A measure of the disorder—độ hỗn loạn— or randomness of a system.

Spontaneous vs. Non-Spontaneous Reactions




Terminology

  • Spontaneous Reactions = Exergonic Reactions

    • Release free energy 

  • Non-Spontaneous Reactions = Endergonic Reactions

    • Require an input of free energy 


ATP: Adenosine Triphosphate

  • Reasons for spontaneity and energy release:

    • ATP hydrolysis (ATP → ADP + Pi):

      • Exergonic, spontaneous (ΔG < 0).

      • Vì:

        1. Phosphate mang điện âm → đẩy nhau, làm ATP kém bền.

        2. ADP bền hơn ATP.

        3. Phân tách ATP → 2 phân tử (entropy ↑).

Reaction Coupling

  • Cách tế bào “xài” ATP: ghép 1 phản ứng exergonic (ATP hydrolysis) với 1 phản ứng endergonic.

  • Giúp endergonic → cả reaction sẽ spontaneous.

  • Vì ATP tiêu tốn nhiều, tế bào phải liên tục tái tạo ATP.


Enzymes and Reaction Rates

  • Even if a reaction is spontaneous (exergonic), it does not mean it will occur quickly.

What Enzymes/Catalysts Do

  • Spontaneous ≠ nhanh → vẫn cần enzyme.

  • Enzyme = biological catalyst → giảm activation energy (EA).

    • Ổn định transition state.

    • Giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn.

  • Heat cũng tăng tốc độ nhưng dễ gây hại.

Enzymes không làm gì:

  • Không cung cấp free energy.

  • Không biến endergonic thành exergonic (cần coupling).

  • Không thay đổi ΔG (chỉ thay tốc độ).

  • Không bị tiêu thụ, có thể tái sử dụng.

Enzyme chịu ảnh hưởng bởi: nhiệt độ, pH, chất đồng yếu tố (cofactors).

Enzyme Structure and Function

  • Enzymes are proteins, which are polymers of amino acids.

  • The specific primary, secondary, tertiary, and sometimes quaternary structure of an enzyme is directly related to its catalytic job.

Enzyme reaction pathway:


Types of Enzyme-Catalyzed Reactions

  • Catabolic Reaction: The enzyme breaks down a larger substrate molecule into smaller products. ( lớn —> nhỏ )

  • Anabolic Reaction: The enzyme synthesizes a larger product molecule from smaller substrates. ( nhỏ—> lớn )

Factors Influencing Enzyme Activity: Inhibitors

A. Competitive Inhibition

  • Chất ức chế cạnh tranh với cơ chất tại active site.

  • Kinetics:

    • Km ↑ (cần nhiều substrate hơn để đạt 1/2 Vmax).

    • Vmax không đổi (substrate dư nhiều sẽ thắng chất ức chế).

  • Chất ức chế gắn chỗ khác (allosteric site) → làm enzyme kém hiệu quả.

  • Kinetics:

    • Vmax ↓ (giảm tốc độ tối đa, do số enzyme chức năng giảm).

    • Km không đổi (affinity không đổi).