Biochemie deel 2: thermodynamica & metabolisme
Naar aanleiding van ‘Reader’
Thermodynamica:
Systeem, omgeving, toestandfunctes
- Gebruik van energie en de mogelijkheid tot ordening zijn aan elkaar gekoppeld
- 2 hoofdwetenn 1e = energie van een systeem en zijn omgeving is constant, ofewel
vormen van energie worden enkel uitgewisseld en in elkaar omgezet, maar gaan niet
verloren (∆U = q + w). 2e = een moleculair proces verloopt alleen spontaan als de
eindtoestand van het universum waarschijnlijker is dan de begintoestand (∆Stotaal=
∆Ssysteem + ∆Somgeving ≥ 0). dit bepaald de richtng van processen
- ‘’Probability drive’’n iets verloopt spontaan naar de meest waarschijnlijke toestand
(denk aan difusie door verdeling balletjes, bal in lucht of op tafel, druppel inkt in
water meeste mogelijkheden)
- In evenwicht is er geen drive meer universum is in meest waarschijnlijke toestand.
- Systeem, omgeving en controle-oppervlak (= scheiding tussen die twee)n gesloten en
open systemen open als een systeem zowel warmte, materie als volume kan
uitwisselen met omgeving. geen één uitwisselen = geïsoleerd. Als warmte niet kan
uitwisselen, verandert warmte in systeem wanneer er warmte wordt geproduceerd.
Temperatuur van een systeem blijf constant als er warme-uitwisseling mogelijk is.
- Toestandfunctesn wordt uitsluitend bepaald door de toestand van een systeem op
een bepaald moment (VBn massa, hoeveelheid/concentrate stof, volume, druk,
absolute temperatuur). Denk aan foto maken van systeem alles wat je aan de
hand van die foto kan bepalen. (dus onafankelijk is van iets ervoor of erna)
- 2 soorten toestandfunctesn extensief = evenredig met groote systeem (VBn inhoud
kop thee, drink de helf op, volume halveert inhoud, massa, lading, hoeveelheid
stof) & intensief = onafankelijk van groote systeem (VBn concentrate opgelost
suiker in thee druk, temperatuur, concentrate).
- Elke formule waarin alle onderdelen toestandfunctes zijn = ook een toestandfuncte
(VBn enthalpie = U + PV allen toestandfunctes dus enthalpie ook toestandfuncte)
- Arbeid & warmte zijn geen toestandfunctes zeggen iets over de manier waarop
toestandfunctes van een systeem zijn veranderd, zie VB blz. 6 met T 1T2. (hoeveel
warmte/arbeid aan het systeem is toegevoegd om iets te bereiken). Afankelijk
van de weg waarlangs iets tot stand is gekomen en dus geschiedenis gerelateerd.
- VB TenTvraagn‘’geef aan of … toestand functe is, zo ja, extensief of intensief?’’(blz. 6)
Balansvergelijkingen, steady state, evenwicht, behoudsweten
- Balansvergelijking van stof An ∆A = ∆eA + ∆iA (waarin e=extern/exchange & i=intern)
waarbij ∆A staat voor totale verandering A in het systeem. ∆eA en ∆iA geven
neto resultaten aan van exchange en producte/consumpten er kunnen hierbij
meerdere processen betrokken zijn. De balansvergelijking geldt voor alle
extensieve toestandfunctes. Grenzen defniiren is enorm belangrijk, VBn bij een
gesloten systeem zou ∆eA = 0 gelden, waardoor ∆Atotaal = ∆iA
, - VB TenTvraagn Concentrate lactaat in het bloed wordt bepaald door producte door
spier, consumpte door de lever en producte vd rode bloedcellen. Balansvergelijking
gegeven. Welk systeem past bij (antwoorden op blz 8)n
a. ∆ilactaat > 0 en ∆elactaat < 0 systeem ….
b. ∆ilactaat = 0 en ∆elactaat = 0 systeem …
c. ∆ilactaat < 0 en ∆elactaat > 0 systeem …
- Steady staten ∆A = ∆eA + ∆iA = 0 ofwel -∆eA = ∆iA verschillende processen zorgen
voor constante hoeveelheid stof in systeem.
- Evenwichtn geen processen (acteve processen) ∆A = ∆eA + ∆iA = 0 want ∆eA = 0 en
∆iA = 0 geen probability drive en dus geen proces. ∆eA = 0 en ∆iA = 0 maar er
moet ook gelden dat ∆eA en ∆iA dezelfde soort processen zijn.
- Thermodynamisch evenwicht (niet hier genoemd, maar geleerd in les)n ∆A = ∆ eA + ∆iA
= 0 maar door identeke processen.
- VB TenTvraagn balansvergelijking van butyraat (zie blz 12)
- Behoudswetn massa kan niet gemaakt of vernietgd worden ∆im = 0, toename
massa in systeem kan dus alleen door neto import ∆m = ∆em dit geldt lang niet
voor alle extensieve toestandfunctes.
Eerste hoofdwet van de thermodynamica leid tot enthalpieformule
- Gaat over energie; deze heef verschillende vormen. Bij een vliegende vogel (hier
systeem) geldt Utot=Uintern+Ukin+Upot Interne energie gaat hier over alle energie in
het systeem als het stlstaan en niet in een krachtenveld bevindt in meeste levende
cellen geldt Ukin=0 en Upot=0 waardoor geldt Utot=Uintern
Uintern houdt alle elementaire deeltjes in waaruit het systeem is opgebouwd
(translate- vibrate- rotate- en bindings-energie, potentile energie interactes,
electronen-energie en kernenergie. Energie = dus een extensieve toestandfuncte
met balanswet Utot=∆iU+∆eU Energie kan niet neto geproduceerd worden dus
geldt Utot=∆eU (aangezien ∆iU=0)
- Er zijn twee vormen waarin energie aan een systeem kan worden toegevoegdn
warmte (q) en arbeid (w). toevoegen of weghalen van materie valt onder arbeid.
∆U = q + w (uiteindelijke 1e hoofdwet)
- Constante druk is mogelijk als het volume van een systeem kan veranderen. Als er bij
een proces uitsluitend volume-arbeid plaatsvindt, geldtn ∆U = qP + w = qp - p∆V
waarbij dus w = - p∆V. (de kleine ‘p’ geef constante druk aan)
- Uit het bovenstaande volgt dat de warmteuitwisseling in een gesloten systeem geldtn
qP = ∆U + p∆V H = U + pV ∆H = qp = ∆U + p∆V (Formule van de enthalpie)
Tweede hoofdwet van de thermodynamica, entropie
∆Stotaal= ∆Ssysteem + ∆Somgeving ≥ 0
, (Waarschijnlijkheden van toestanden)
S = kB ln Ω
- Evenwichtstoestand = toestand met de maximale entropie, meest waarschijnlijk.
(probability drive al uitgelegd)
- ‘’CATCH’’n Entropie wordt weliswaar geproduceerd bij een spontaan proces, deze kan
echter ook uitgewisseld worden met omgeving. daarom geldt alleen in een
gesloten proces dat in de evenwichtstoestand maximale entropie is (en dat is alleen
het universum…). Als er warmte wordt toegevoegd aan een systeem kunnen deeltjes
meer toestanden aannemen waardoor er dus entropie wordt toegevoegd aan het
systeem (feit, uitleg is te natuurkundig). (Invoeren warme heef meer invloed bij
systeem met lage temperatuur dan bij hoge) Hierdoor geldtn
∆eS = q / T (warmte / temperatuur, dus afankelijk van temperatuur die er al is)
- Belangrijk is dat ∆iS is altjd positef (>0)
- ∆S = ∆eS + ∆iS entropieuitwisseling met universum verklaart waarom de ordening
die plaatsvind bij biologische systemen (bijv mens, organisme, eibaby etc); Warmte
van universum neemt toe, in zo’n mate dat het compenseert met afname van
wanorde in systeem. Bekijk dit VB nog! (blz 25) kip krijgt warmte van ei, niet
andersom, dit omdat ei warmte (entropie) moet uitstralen aangezien het geordend
wordt.
- VD Tentvraagn welke beschrijving verklaar kuiken uit ei? (blz 25) ∆S moet negatef zijn
(anders verloopt het niet) dus -∆eS > ∆iS
Gibbs vrije energie
- ∆G = ∆H - T∆S
- Spontaan proces (geen arbeid verricht) ∆G < 0
- In ‘Reader’ staat uitgelegd hoe ze op deze formule komen, ook ∆G = - T∆iS dit
geldt als er alleen volumearbeid geleverd wordt (w = -p∆V) producte van
entropie. Bij spontane reactes geldt dus ∆iS >0 Belangrijke conclusie: we kunnen
Gibbs vrije energie als metng gebruiken voor spontaan proces omdat we systemen
onder constante druk en temperatuur beschouwen. ∆G<0 betekent ook entropie
geproduceerd (wanorde)
- Proces met ∆G < 0 = exergoon, ∆G > 0 = endergoon
- Meeste hiervan is bekende info dus even niet verwerkt in samenvatng herhaal
indien nodig (blz. 26-31 misschien nog ’s ochtends, indien tjd) Gibbs energie heef
2 componenten; enthalpische zorgt voor entropie export (naar omgeving),
entropische bepaalt verandering entropie van het systeem zelf. samen bepalen ze
of het systeem neto entropie heef geproduceerd.
- Gibbs vrije energie kan je zien als arbeid die een systeem kan verrichten. Als
concentrates gelijk zijn (evenwicht) is de mogelijkheid om arbeid te verrichten weg
(Gibbs vrije energie weg). nutge energie
- In biologische systemen vinden echter veel processen plaats die spontaan niet
zouden plaatsvinden door een positeve ∆G (VBn beweging, groei, celdeling, transport
tegen concentrategradiint in). deze processen worden mogelijk gemaakt worden
door koppeling aan processen met ∆G < 0. De totale ∆G moet dan negatef worden.
VBn glucose + ATP glucose-6-P + ADP. Glucose reageren met fosfaat is niet
Naar aanleiding van ‘Reader’
Thermodynamica:
Systeem, omgeving, toestandfunctes
- Gebruik van energie en de mogelijkheid tot ordening zijn aan elkaar gekoppeld
- 2 hoofdwetenn 1e = energie van een systeem en zijn omgeving is constant, ofewel
vormen van energie worden enkel uitgewisseld en in elkaar omgezet, maar gaan niet
verloren (∆U = q + w). 2e = een moleculair proces verloopt alleen spontaan als de
eindtoestand van het universum waarschijnlijker is dan de begintoestand (∆Stotaal=
∆Ssysteem + ∆Somgeving ≥ 0). dit bepaald de richtng van processen
- ‘’Probability drive’’n iets verloopt spontaan naar de meest waarschijnlijke toestand
(denk aan difusie door verdeling balletjes, bal in lucht of op tafel, druppel inkt in
water meeste mogelijkheden)
- In evenwicht is er geen drive meer universum is in meest waarschijnlijke toestand.
- Systeem, omgeving en controle-oppervlak (= scheiding tussen die twee)n gesloten en
open systemen open als een systeem zowel warmte, materie als volume kan
uitwisselen met omgeving. geen één uitwisselen = geïsoleerd. Als warmte niet kan
uitwisselen, verandert warmte in systeem wanneer er warmte wordt geproduceerd.
Temperatuur van een systeem blijf constant als er warme-uitwisseling mogelijk is.
- Toestandfunctesn wordt uitsluitend bepaald door de toestand van een systeem op
een bepaald moment (VBn massa, hoeveelheid/concentrate stof, volume, druk,
absolute temperatuur). Denk aan foto maken van systeem alles wat je aan de
hand van die foto kan bepalen. (dus onafankelijk is van iets ervoor of erna)
- 2 soorten toestandfunctesn extensief = evenredig met groote systeem (VBn inhoud
kop thee, drink de helf op, volume halveert inhoud, massa, lading, hoeveelheid
stof) & intensief = onafankelijk van groote systeem (VBn concentrate opgelost
suiker in thee druk, temperatuur, concentrate).
- Elke formule waarin alle onderdelen toestandfunctes zijn = ook een toestandfuncte
(VBn enthalpie = U + PV allen toestandfunctes dus enthalpie ook toestandfuncte)
- Arbeid & warmte zijn geen toestandfunctes zeggen iets over de manier waarop
toestandfunctes van een systeem zijn veranderd, zie VB blz. 6 met T 1T2. (hoeveel
warmte/arbeid aan het systeem is toegevoegd om iets te bereiken). Afankelijk
van de weg waarlangs iets tot stand is gekomen en dus geschiedenis gerelateerd.
- VB TenTvraagn‘’geef aan of … toestand functe is, zo ja, extensief of intensief?’’(blz. 6)
Balansvergelijkingen, steady state, evenwicht, behoudsweten
- Balansvergelijking van stof An ∆A = ∆eA + ∆iA (waarin e=extern/exchange & i=intern)
waarbij ∆A staat voor totale verandering A in het systeem. ∆eA en ∆iA geven
neto resultaten aan van exchange en producte/consumpten er kunnen hierbij
meerdere processen betrokken zijn. De balansvergelijking geldt voor alle
extensieve toestandfunctes. Grenzen defniiren is enorm belangrijk, VBn bij een
gesloten systeem zou ∆eA = 0 gelden, waardoor ∆Atotaal = ∆iA
, - VB TenTvraagn Concentrate lactaat in het bloed wordt bepaald door producte door
spier, consumpte door de lever en producte vd rode bloedcellen. Balansvergelijking
gegeven. Welk systeem past bij (antwoorden op blz 8)n
a. ∆ilactaat > 0 en ∆elactaat < 0 systeem ….
b. ∆ilactaat = 0 en ∆elactaat = 0 systeem …
c. ∆ilactaat < 0 en ∆elactaat > 0 systeem …
- Steady staten ∆A = ∆eA + ∆iA = 0 ofwel -∆eA = ∆iA verschillende processen zorgen
voor constante hoeveelheid stof in systeem.
- Evenwichtn geen processen (acteve processen) ∆A = ∆eA + ∆iA = 0 want ∆eA = 0 en
∆iA = 0 geen probability drive en dus geen proces. ∆eA = 0 en ∆iA = 0 maar er
moet ook gelden dat ∆eA en ∆iA dezelfde soort processen zijn.
- Thermodynamisch evenwicht (niet hier genoemd, maar geleerd in les)n ∆A = ∆ eA + ∆iA
= 0 maar door identeke processen.
- VB TenTvraagn balansvergelijking van butyraat (zie blz 12)
- Behoudswetn massa kan niet gemaakt of vernietgd worden ∆im = 0, toename
massa in systeem kan dus alleen door neto import ∆m = ∆em dit geldt lang niet
voor alle extensieve toestandfunctes.
Eerste hoofdwet van de thermodynamica leid tot enthalpieformule
- Gaat over energie; deze heef verschillende vormen. Bij een vliegende vogel (hier
systeem) geldt Utot=Uintern+Ukin+Upot Interne energie gaat hier over alle energie in
het systeem als het stlstaan en niet in een krachtenveld bevindt in meeste levende
cellen geldt Ukin=0 en Upot=0 waardoor geldt Utot=Uintern
Uintern houdt alle elementaire deeltjes in waaruit het systeem is opgebouwd
(translate- vibrate- rotate- en bindings-energie, potentile energie interactes,
electronen-energie en kernenergie. Energie = dus een extensieve toestandfuncte
met balanswet Utot=∆iU+∆eU Energie kan niet neto geproduceerd worden dus
geldt Utot=∆eU (aangezien ∆iU=0)
- Er zijn twee vormen waarin energie aan een systeem kan worden toegevoegdn
warmte (q) en arbeid (w). toevoegen of weghalen van materie valt onder arbeid.
∆U = q + w (uiteindelijke 1e hoofdwet)
- Constante druk is mogelijk als het volume van een systeem kan veranderen. Als er bij
een proces uitsluitend volume-arbeid plaatsvindt, geldtn ∆U = qP + w = qp - p∆V
waarbij dus w = - p∆V. (de kleine ‘p’ geef constante druk aan)
- Uit het bovenstaande volgt dat de warmteuitwisseling in een gesloten systeem geldtn
qP = ∆U + p∆V H = U + pV ∆H = qp = ∆U + p∆V (Formule van de enthalpie)
Tweede hoofdwet van de thermodynamica, entropie
∆Stotaal= ∆Ssysteem + ∆Somgeving ≥ 0
, (Waarschijnlijkheden van toestanden)
S = kB ln Ω
- Evenwichtstoestand = toestand met de maximale entropie, meest waarschijnlijk.
(probability drive al uitgelegd)
- ‘’CATCH’’n Entropie wordt weliswaar geproduceerd bij een spontaan proces, deze kan
echter ook uitgewisseld worden met omgeving. daarom geldt alleen in een
gesloten proces dat in de evenwichtstoestand maximale entropie is (en dat is alleen
het universum…). Als er warmte wordt toegevoegd aan een systeem kunnen deeltjes
meer toestanden aannemen waardoor er dus entropie wordt toegevoegd aan het
systeem (feit, uitleg is te natuurkundig). (Invoeren warme heef meer invloed bij
systeem met lage temperatuur dan bij hoge) Hierdoor geldtn
∆eS = q / T (warmte / temperatuur, dus afankelijk van temperatuur die er al is)
- Belangrijk is dat ∆iS is altjd positef (>0)
- ∆S = ∆eS + ∆iS entropieuitwisseling met universum verklaart waarom de ordening
die plaatsvind bij biologische systemen (bijv mens, organisme, eibaby etc); Warmte
van universum neemt toe, in zo’n mate dat het compenseert met afname van
wanorde in systeem. Bekijk dit VB nog! (blz 25) kip krijgt warmte van ei, niet
andersom, dit omdat ei warmte (entropie) moet uitstralen aangezien het geordend
wordt.
- VD Tentvraagn welke beschrijving verklaar kuiken uit ei? (blz 25) ∆S moet negatef zijn
(anders verloopt het niet) dus -∆eS > ∆iS
Gibbs vrije energie
- ∆G = ∆H - T∆S
- Spontaan proces (geen arbeid verricht) ∆G < 0
- In ‘Reader’ staat uitgelegd hoe ze op deze formule komen, ook ∆G = - T∆iS dit
geldt als er alleen volumearbeid geleverd wordt (w = -p∆V) producte van
entropie. Bij spontane reactes geldt dus ∆iS >0 Belangrijke conclusie: we kunnen
Gibbs vrije energie als metng gebruiken voor spontaan proces omdat we systemen
onder constante druk en temperatuur beschouwen. ∆G<0 betekent ook entropie
geproduceerd (wanorde)
- Proces met ∆G < 0 = exergoon, ∆G > 0 = endergoon
- Meeste hiervan is bekende info dus even niet verwerkt in samenvatng herhaal
indien nodig (blz. 26-31 misschien nog ’s ochtends, indien tjd) Gibbs energie heef
2 componenten; enthalpische zorgt voor entropie export (naar omgeving),
entropische bepaalt verandering entropie van het systeem zelf. samen bepalen ze
of het systeem neto entropie heef geproduceerd.
- Gibbs vrije energie kan je zien als arbeid die een systeem kan verrichten. Als
concentrates gelijk zijn (evenwicht) is de mogelijkheid om arbeid te verrichten weg
(Gibbs vrije energie weg). nutge energie
- In biologische systemen vinden echter veel processen plaats die spontaan niet
zouden plaatsvinden door een positeve ∆G (VBn beweging, groei, celdeling, transport
tegen concentrategradiint in). deze processen worden mogelijk gemaakt worden
door koppeling aan processen met ∆G < 0. De totale ∆G moet dan negatef worden.
VBn glucose + ATP glucose-6-P + ADP. Glucose reageren met fosfaat is niet
