Biological systems and thermodynami

Biological systems and thermodynamics
It is also important in the discussion of biological systems to understand that they are open systems, i.e. they take in nutrients and oxygen and excrete carbon dioxide, water, urea and other waste products, as well as heat. The importance with respect to weight considerations is that mass and energy are conserved (the more general statement of the first law of thermodynamics), but they are not conserved entirely within the organism.
To illustrate the proper interpretation of the first law of thermodynamics consider a subject whose resting energy expenditure is met by the production of 95 moles of ATP. Since oxidation of a single mole of glucose provides 38 moles of ATP, 2.5 moles of glucose will be needed to meet this individual's resting energy requirements. It is important to note that the resultant carbon dioxide, water, and heat are not retained within the organism. The useful retained energy is in the 95 moles of ATP (Figure 1B). (Similar equations could be written for lipid or protein but we restrict our discussion to glucose for simplicity).
Figure 1. A: Oxidation of glucose in a calorimeter is completely inefficient. The products of oxidation are carbon dioxide and water, and all of the energy produced is released as heat. 1B: To illustrate the proper interpretation of the first law of thermodynamics in living organisms we must consider that conservation of matter and energy includes excretion of products into the external environment. None of the products of oxidation (CO2 and H2O) remain within the organism. There is stoichiometric balance and no net weight change. Only the ATP, representing the useful energy, is retained. The wasted heat constitutes 60% of the energy of oxidation, while the efficiency is reflected in the retained ATP, available for reactions in the organism. Body fat stores are signified as TAG (triacylglycerol) 1C. A common way of thinking of weight loss is from reduction of caloric intake. If our subject ingests 2.3 moles of glucose (or equivalent lipid and/or protein) and produces only 90 moles of ATP, then homeostasis will enlist body stores of fat (and/or lean body mass) to yield the additionally required 5 moles ATP. The additional resultant CO2 and H2O (and heat) will be excreted (and radiated) leading to weight loss. 1D: If efficiency is reduced then our subject would have to eat more (e.g. 2.9 moles of glucose, or equivalent lipid/protein) to produce 95 moles of ATP and remain at the same weight. The additional CO2 and H2O produced will be excreted maintaining constant weight. 1E: Under conditions of reduced metabolic efficiency (from 40% to about 38% in this example), 90 moles of ATP will be produced from oxidation of 2.5 moles glucose (or equivalent lipid/protein). The remaining 5 moles ATP needed for homeostasis must be made up from oxidation of body stores of lipid or lean mass. This results in weight loss, exactly as it does for the example of reduced caloric intake (Figure 1C).
The illustration above can be compared to the oxidation of glucose in a calorimeter in which no useful energy is obtained and the total energy of oxidation is measured as the heat produced. This process is completely inefficient. A traditional (Atwater) value for glucose obtained in the calorimeter is approximately 4 kilocalories of energy per gram (Figure 1A). By contrast, the living organism above metabolizes and oxidizes glucose so that approximately forty percent of the energy of oxidation is retained as useful ATP (38 moles per mole of glucose)) whereas sixty percent is released as heat, the inefficiency in this mode of oxidation. The entropy (i.e. the second law of thermodynamics) shows up in this inefficiency. The calorimeter heat can no longer be interpreted in a simple way. The energy stored in useful ATP represents the efficiency of 40% (neglecting the difference in entropy between the structures of the products and reactants). This value approximates the efficiency for oxidation of carbohydrate as well as lipid, whereas proteins are generally oxidized at a lower value of approximately 30–35% (Figure 1B).
Summary of thermodynamics in living organism
1. The second law of thermodynamics dictates that there is an inevitable metabolic inefficiency in all biological and biochemical processes with heat and high entropy molecules (carbon dioxide, water, urea) as the most common products.
2. The first law of thermodynamics is satisfied in living (open) systems by properly accounting for the mass excreted and the heat radiated and exported in high entropy molecules.
Weight loss due to reduced caloric intake
The most common example of weight loss is reduction of caloric intake. At the risk of oversimplification, if our subject ingests fewer than 2.5 moles of glucose and produces, for example, only 90 moles of ATP from food, then homeostasis would require enlisting endogenous body stores for further oxidation. This oxidation would then provide the additional 5 moles of ATP required. Oxidation of body stores (lipid or lean body mass) will result in production of additional carbon dioxide, urea, water and heat. The excretion of these products will result in weight loss. (Figure 1C).
Weight loss due to increased metabolic inefficiency
The implication of the first and second laws of thermodynamics is that reduced efficiency has precisely the same result as reduced caloric intake. One conceptually simple means of reducing efficiency involves the process of uncoupling in mitochondria. ATP is produced in a variety of cellular locations. Glycolysis produces a net of two ATP's per molecule of glucose, in the cell cytoplasm. On the other hand, we recall that 36 additional molecules of ATP are produced from glucose as a result of the mitochondrial TCA cycle and electron transport. A critical part of the process involves the development of a hydrogen ion gradient across the mitochondrial membrane. This concentration gradient provides the energy that is converted into ATP as hydrogen ions pass down the gradient through the ATP synthase particle, entirely analogous to the energy in a high-pressure gas in a cylinder with a movable piston. (The expansion of the gas is like diffusion down a gradient: It does work against the piston). In the mitochondrion the energy of moving down the gradient is captured in ATP, the medium of exchange for the performance of work within cells. This capture of energy, referred to as coupling the energy to the formation of ATP, is the essential process permitting work to be done by living systems.
There are known endogenous and pharmacologic agents, which result in uncoupling the formation of ATP from the dissipation of the gradient. Uncouplers such as 2, 4-dinitrophenol bypass ATP synthase and cause hydrogen ion gradient dissipation without ATP formation that can result in organ dysfunction causing death. More modest degrees of uncoupling may be caused by the class of endogenous compounds we know as uncoupling proteins (UCP's). Three different isoforms, UCP1, UCP2 and UCP3 have been identified thus far in mammalian tissues. While the overall and relative physiologic importance of these proteins remains incompletely understood in human tissues, UCP1 has been shown in mice [8] to result in modest degrees of uncoupling in brown fat. Elevation of fatty acid concentration has been associated with induction of UCP3 and even with pathologic reductions of myocardial efficiency in rat heart [9]. For purposes of illustration, then, we may consider that there may be physiologic triggers that result in oxidative uncoupling, reducing the overall efficiency of glucose metabolism. For example if efficiency is reduced from 40% to 35%, the result will be the production of only 34 moles of ATP instead of the usual 38. While this represents a mechanism better demonstrated in rats than humans, our subject would require more glucose to make 95 moles of ATP. Now 2.9 moles of glucose would be required to produce 95 moles ATP. Our subject would either eat more and stay at the same weight (Figure 1D) or would eat 2.5 moles of glucose, the same amount as previously, but would produce less ATP. By eating only 2.5 moles of glucose our subject's metabolism would enlist oxidation of body stores to make up the additional ATP needed for homeostasis. This would result in weight loss exactly as it did for reduced caloric intake. (Figure 1D).
The essence of the second law of thermodynamics is that it guarantees inefficiency in all metabolic processes. However, variation of efficiency is not excluded. In fact, the laws of thermodynamics are silent on the existence of variable efficiency. If efficiency can vary (as in the example of oxidative uncoupling) then "a calorie is a calorie" is no longer a true statement. The role of uncoupling proteins in humans, as indicated, is as yet incompletely defined [10]. However, thermodynamic principles permit variable efficiency, and its existence must be determined empirically.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

อุณหพลศาสตร์และระบบชีวภาพนอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญในการสนทนาในระบบชีวภาพจะเข้าใจว่า จะเปิดระบบ เช่นพวกสารอาหารและออกซิเจน และขับถ่ายคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ยูเรีย และอื่น ๆ เสีย รวมทั้งความร้อน มีความสำคัญเกี่ยวกับการพิจารณาน้ำหนักมวลและพลังงานใช้อยู่ (งบทั่วไปกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์), แต่พวกเขามีอยู่ทั้งหมดภายในสิ่งมีชีวิตที่เพื่อแสดง ความเหมาะสมของกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์พิจารณาเรื่องรายจ่ายพลังงานที่มีที่พักเป็นไปตามตามการผลิตของไฝ 95 ของ ATP เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของโมลเดียวน้ำตาลกลูโคสมีไฝ 38 ของ ATP, 2.5 โมลของกลูโคสจะต้องตอบสนองนี้บุคคลของพักผ่อนความต้องการพลังงาน โปรดทราบว่า ผลแก่คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และความร้อนจะไม่สะสมในสิ่งมีชีวิตที่ได้ ประโยชน์สะสมพลังงานเป็นไฝ 95 ของ ATP (รูปที่ 1B) (สามารถเขียนสมการคล้ายไขมันหรือโปรตีน แต่เราจำกัดการสนทนาของเรากับกลูโคสราย)รูปที่ 1 ตอบ:การเกิดออกซิเดชันของกลูโคสในแคลอรีมิเตอร์ไม่สมบูรณ์ได้ ผลิตภัณฑ์ของการเกิดออกซิเดชันคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ และทั้งหมดของพลังงานที่ผลิตออกเป็นความร้อน 1B: เพื่อแสดงความเหมาะสมของกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์ในชีวิต เราต้องพิจารณาว่า การอนุรักษ์สสารและพลังงานรวมถึงการขับถ่ายผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมภายนอก ไม่มีการเกิดออกซิเดชัน (CO2 และ H2O) ผลิตภัณฑ์อยู่ภายในสิ่งมีชีวิตที่ มี stoichiometric ดุลและการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักสุทธิไม่ เป็นสะสมเฉพาะ ATP แสดงพลังงานที่มีประโยชน์ ความร้อนเสียถือ 60% ของพลังงานของการเกิดออกซิเดชัน ในขณะที่ประสิทธิภาพแต่ ATP สะสม พร้อมใช้งานสำหรับปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิตที่ ร่างกายเก็บไขมันเป็น signified เป็นแท็ก (triacylglycerol) c. 1 เป็นวิธีคิดของการลดน้ำหนักทั่วไปจากการลดลงของการบริโภคแคลอริก เรื่องของเรา ingests 2.3 โมลของกลูโคส (หรือเทียบเท่าไขมัน หรือโปรตีน) และสร้างเพียง 90 โมลของ ATP ถ้าภาวะธำรงดุลจะสมัครร่างกายเก็บไขมัน (หรือแบบ lean มวลในร่างกาย) ให้ไฝ 5 นอกจากนี้ต้องใช้ ATP การเพิ่มเติมผลแก่ CO2 และ H2O (และความร้อน) จะ excreted (และ radiated) นำไปสู่การสูญเสียน้ำหนัก 1D: ประสิทธิภาพจะลดลง ถ้าเรื่องของเราจะต้องกินมากกว่า (เช่น 2.9 โมลของกลูโคส โปรตีนกับไขมัน) ผลิต 95 โมลของ ATP และยังคงอยู่ในน้ำหนักเดียวกัน CO2 และ H2O ที่ผลิตเพิ่มเติมจะ excreted ได้รักษาน้ำหนักคง 1E: ภายใต้เงื่อนไขของประสิทธิภาพการเผาผลาญลดลง (จาก 40% เป็นประมาณ 38% ในตัวอย่างนี้), 90 โมลของ ATP จะผลิตจากออกซิเดชันของโมล 2.5 กลูโคส (หรือไขมันโปรตีนเทียบเท่า) ต้องทำค่าโมล 5 เหลือ ATP ที่จำเป็นสำหรับภาวะธำรงดุลจากออกซิเดชันของร่างกายเก็บไขมันหรือมวลแบบ lean ซึ่งผลในการลดน้ำหนัก เหมือนไม่เช่นบริโภคแคลอริกลดลง (รูปที่ 1C)ภาพประกอบข้างต้นสามารถเปรียบเทียบการเกิดออกซิเดชันของกลูโคสในแคลอรีมิเตอร์ที่ซึ่งได้รับพลังงานไม่มีประโยชน์ และพลังงานรวมของการเกิดออกซิเดชันจะวัดเป็นความร้อนที่ผลิต กระบวนการนี้จะไม่สมบูรณ์ ค่า (Atwater) แบบดั้งเดิมสำหรับกลูโคสที่ได้รับในแคลอรีมิเตอร์จะมีประมาณ 4 kilocalories พลังงานต่อกรัม (รูปที่ 1A) ตำแหน่ง ชีวิตข้าง metabolizes และ oxidizes กลูโคสดังกล่าวประมาณร้อยละ 40 ของพลังงานของการเกิดออกซิเดชันจะถูกเก็บเป็นประโยชน์ ATP (ไฝ 38 ต่อโมลของกลูโคส)) ในขณะที่ปล่อยหกเปอร์เซ็นต์ เป็นความร้อน inefficiency ในการออกซิเดชัน แสดงค่าเอนโทรปี (เช่นสองกฎหมายของอุณหพลศาสตร์) ใน inefficiency นี้ ความร้อนของแคลอรีมิเตอร์สามารถแปลผลทางไม่ พลังงานที่เก็บไว้ใน ATP ประโยชน์แสดงถึงประสิทธิภาพของ 40% (neglecting ความแตกต่างในเอนโทรปีระหว่างโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และ reactants) ค่านี้ approximates ประสิทธิภาพการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตรวมทั้งไขมัน ในขณะที่โปรตีนถูกออกซิไดซ์โดยทั่วไปที่ค่าต่ำประมาณ 30-35% (รูปที่ 1B)สรุปของอุณหพลศาสตร์ในสิ่งมีชีวิต1. กฎหมายที่สองของอุณหพลศาสตร์บอกว่า มี inefficiency เผาผลาญที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการชีวภาพ และชีวเคมีที่ทั้งหมดด้วยความร้อนและเอนโทรปีสูงโมเลกุล (คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ยูเรีย) เป็นผลิตภัณฑ์พบมากที่สุด2. กฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์จะพอใจในชีวิต (เปิด) excreted ระบบ โดยบัญชีอย่างถูกต้องสำหรับมวล และความร้อน radiated และส่งออกในโมเลกุลเอนโทรปีสูงการสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากบริโภคลดแคลอริกตัวอย่างทั่วไปของการลดน้ำหนักคือ ลดการบริโภคแคลอริก เสี่ยงต่อ oversimplification ถ้าเรื่องของเรา ingests น้อยกว่า 2.5 โมลของกลูโคสและผลิต เช่น โมล 90 เท่าของ ATP จากอาหาร แล้วภาวะธำรงดุลต้องไทยร่างกาย endogenous เก็บการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม ออกซิเดชันนี้แล้วจะให้ไฝ 5 เพิ่มเติมของ ATP ที่จำเป็น ออกซิเดชันของร้านร่างกาย (ไขมันหรือเนื้อแบบ lean โดยรวม) จะมีผลผลิตเพิ่มเติมคาร์บอนไดออกไซด์ ยูเรีย น้ำ และความร้อน การขับถ่ายของผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะส่งผลในการลดน้ำหนัก (รูปที่ 1C)การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจาก inefficiency เผาผลาญเพิ่มขึ้นเนื่องจากกฎหมาย และสองของอุณหพลศาสตร์ได้ว่า ประสิทธิภาพลดลงได้อย่างแม่นยำผลลัพธ์เดียวกันบริโภคลดแคลอริก หมายความว่าทางแนวคิดอย่างหนึ่งลดประสิทธิภาพเกี่ยวข้องกับกระบวนการ uncoupling ใน mitochondria มีผลิต ATP ในหลากหลายสถานที่โทรศัพท์มือถือ Glycolysis สร้างสุทธิ 2 ATP ของต่อโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส ในไซโทพลาซึมเซลล์ บนมืออื่น ๆ เรานึกว่า โมเลกุล 36 เพิ่มเติมของ ATP ที่ผลิตจากน้ำตาลกลูโคสจากวัฏจักร TCA mitochondrial และขนส่งอิเล็กตรอน ส่วนสำคัญของกระบวนการเกี่ยวข้องกับการพัฒนาของการไล่ระดับของไฮโดรเจนไอออนผ่านเยื่อ mitochondrial การไล่ระดับความเข้มข้นนี้ให้พลังงานที่จะถูกแปลงเป็น ATP เป็นประจุไฮโดรเจนผ่านลงไล่ระดับผ่านการ ATP synthase อนุภาค ทั้งคู่เป็นพลังงานในก๊าซแรงดันสูงในทรงกระบอกกับลูกสูบสามารถเคลื่อนย้าย (เป็นการขยายตัวของก๊าซเช่นการแพร่ลงไล่: มันทำงานต่อนอก) Mitochondrion ที่จับพลังงานย้ายลงระดับสีใน ATP แลกเงินกลางสำหรับประสิทธิภาพของงานที่ภายในเซลล์ พลังงาน เรียกว่า coupling พลังงานการก่อตัวของ ATP จับนี้เป็นกระบวนการสำคัญที่อนุญาตให้ทำงานโดยระบบชีวิตมีทราบว่า endogenous และ pharmacologic ตัวแทน ซึ่งทำ uncoupling การก่อตัวของ ATP จากการกระจายของระดับสี Uncouplers เช่น 2, 4-dinitrophenol ข้าม ATP synthase และสาเหตุไฮโดรเจนไอออนไล่ระดับกระจาย โดยไม่มีการก่อตัวของ ATP ที่อาจส่งผลให้อวัยวะล้มเหลวทำให้เกิดการตาย องศาเจียมเนื้อเจียมตัวมากขึ้นของ uncoupling อาจเกิดจากชั้นของ endogenous สารประกอบที่เรารู้เป็น uncoupling โปรตีน (UCP ของ) สาม isoforms ต่าง ๆ UCP1, UCP2 และ UCP3 ได้รับการระบุฉะนี้ใน mammalian เนื้อเยื่อ ในขณะที่ความสำคัญ physiologic รวม และญาติของโปรตีนเหล่านี้ยังคงสมบูรณ์เข้าใจในเนื้อเยื่อมนุษย์ ได้รับการแสดง UCP1 ในหนู [8] ทั้งองศาเจียมเนื้อเจียมตัวของ uncoupling สีน้ำตาลไขมัน ยกระดับความเข้มข้นของกรดไขมันมีการเชื่อมโยง กับการเหนี่ยวนำของ UCP3 และแม้แต่ลด pathologic myocardial ประสิทธิภาพในหัวใจ [9] สำหรับวัตถุประสงค์ของภาพ แล้ว เราอาจพิจารณาว่า อาจมีทริกเกอร์ physiologic ที่เกิด oxidative uncoupling ลดกระชับสัดส่วนประสิทธิภาพโดยรวม ตัวอย่างถ้ามีประสิทธิภาพจะลดลงจาก 40% เป็น 35% ผลจะผลิต ATP ไฝเพียง 34 แทน 38 ปกติ ขณะนี้แสดงถึงกลไกแสดงในหนูดี กว่ามนุษย์ เรื่องของเราจะต้องมีการเพิ่มเติมกลูโคสทำโมล 95 ของ ATP ตอนนี้ 2.9 โมลของกลูโคสจะต้องผลิต 95 ไฝ ATP เรื่องของเราจะได้กินมากขึ้น และพักน้ำหนักเดียวกัน (รูปที่ 1D) หรือจะกิน 2.5 โมลของกลูโคส ยอดเดียวกันเป็นก่อนหน้านี้ แต่จะผลิต ATP น้อย โดยกินเฉพาะ 2.5 โมลของกลูโคส การเผาผลาญของเราเรื่องจะสมัครออกซิเดชันของร้านร่างกายจะสร้าง ATP เพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับภาวะธำรงดุล นี้จะส่งผลในการลดน้ำหนักเหมือนการบริโภคลดลงแคลอริก (รูปที่ 1D)สาระสำคัญของกฎหมายที่สองของอุณหพลศาสตร์เป็นว่า รับประกัน inefficiency ในกระบวนการเผาผลาญทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ความแปรปรวนของประสิทธิภาพจะไม่ถูกแยกออก ในความเป็นจริง กฎของอุณหพลศาสตร์จะเงียบในการดำรงอยู่ของตัวแปรประสิทธิภาพ ถ้าประสิทธิภาพอาจแตกต่างกัน (ดังตัวอย่างของ oxidative uncoupling) แล้ว "แคลอรี่มีแคลอรี่" คือไม่ คำจริง บทบาทของโปรตีน uncoupling ในมนุษย์ ระบุ เป็นที่ยังสมบูรณ์กำหนด [10] อย่างไรก็ตาม หลักการทางอุณหพลศาสตร์อนุญาตให้ตัวแปรประสิทธิภาพ และต้องกำหนดคุ้น empirically

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ระบบชีวภาพและอุณหพลศาสตร์ยังเป็นสิ่งสำคัญในการอภิปรายของระบบชีวภาพที่จะเข้าใจว่าพวกเขามีระบบเปิดคือพวกเขาใช้เวลาในการสารอาหารและออกซิเจนและขับถ่ายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์, น้ำ, ยูเรียและของเสียอื่น ๆ เช่นเดียวกับความร้อน
ความสำคัญที่เกี่ยวกับน้ำหนักการพิจารณาก็คือว่ามวลและพลังงานป่าสงวน (คำสั่งทั่วไปมากขึ้นของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์) แต่พวกเขาจะไม่ได้รับการอนุรักษ์อย่างสิ้นเชิงภายในมีชีวิต.
เพื่อแสดงให้เห็นความหมายที่ถูกต้องของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์พิจารณา เรื่องที่มีการใช้พลังงานที่พักผ่อนจะพบจากการผลิตจาก 95 โมลของเอทีพี นับตั้งแต่การเกิดออกซิเดชันของไฝเดียวของน้ำตาลกลูโคสให้ 38 โมลของเอทีพี 2.5 โมลของกลูโคสจะได้รับการตอบสนองความจำเป็นในการพักผ่อนของแต่ละคนนี้ต้องการพลังงาน มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะทราบว่าผลคาร์บอนไดออกไซด์น้ำและความร้อนจะไม่เก็บภายในสิ่งมีชีวิต พลังงานที่เก็บไว้มีประโยชน์อยู่ใน 95 โมลของเอทีพี (รูปที่ 1B) (สมการที่คล้ายกันอาจจะเขียนขึ้นสำหรับไขมันหรือโปรตีน แต่เรา จำกัด การสนทนาของเราเป็นน้ำตาลกลูโคสสำหรับความเรียบง่าย).
รูปที่ 1: ออกซิเดชันของกลูโคสในความร้อนจะไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ ผลิตภัณฑ์ของการเกิดออกซิเดชันเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำและทั้งหมดของพลังงานที่ผลิตจะถูกปล่อยออกเป็นความร้อน 1B: เพื่อแสดงให้เห็นถึงความหมายที่ถูกต้องของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในชีวิตเราจะต้องพิจารณาการอนุรักษ์เรื่องที่และพลังงานรวมถึงการขับถ่ายของผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมภายนอก ไม่มีผลิตภัณฑ์ของการเกิดออกซิเดชัน (CO2 และ H2O) ยังคงอยู่ในสิ่งมีชีวิต มีความสมดุลทางทฤษฎีและไม่มีการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักสุทธิ เฉพาะเอทีพีคิดเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ที่จะยังคงอยู่ ความร้อนที่สูญเสียไปถือว่าเป็น 60% ของการใช้พลังงานของการเกิดออกซิเดชันในขณะที่ประสิทธิภาพสะท้อนให้เห็นในเอทีพีสะสมที่มีอยู่สำหรับปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิต ร้านค้าไขมันในร่างกายมีความหมายเป็น TAG (triacylglycerol) 1C วิธีการทั่วไปของความคิดของการลดน้ำหนักจากการลดลงของแคลอรี่ ถ้าพูดถึงเรื่องของเรา ingests 2.3 โมลของกลูโคส (หรือเทียบเท่าไขมันและ / หรือโปรตีน) และผลิตเพียง 90 โมลของเอทีพีแล้วสภาวะสมดุลจะขอความช่วยเหลือร้านค้าที่ร่างกายของไขมัน (และ / หรือมวลของร่างกาย) เพื่อผลผลิตนอกจากนี้จำเป็นต้องใช้ 5 โมลเอทีพี CO2 ผลเพิ่มเติมและ H2O (และความร้อน) จะถูกขับออกมา (และรังสี) ที่นำไปสู่การสูญเสียน้ำหนัก 1D: ถ้าอย่างมีประสิทธิภาพจะลดลงแล้วเรื่องของเราจะต้องกินมากขึ้น (เช่น 2.9 โมลของน้ำตาลกลูโคสหรือเทียบเท่าไขมัน / โปรตีน) ในการผลิต 95 โมลของเอทีพีและยังคงอยู่ที่น้ำหนักเดียวกัน CO2 เพิ่มเติมและ H2O ผลิตจะถูกขับออกมาการรักษาน้ำหนักคงที่ 1E: ภายใต้เงื่อนไขของการเผาผลาญอย่างมีประสิทธิภาพลดลง (จาก 40% เป็นประมาณ 38% ในตัวอย่างนี้) 90 โมลของเอทีพีจะได้รับการผลิตจากการเกิดออกซิเดชันของกลูโคส 2.5 โมล (หรือเทียบเท่าไขมัน / โปรตีน) ส่วนที่เหลืออีก 5 ไฝที่จำเป็นสำหรับเอทีพีสภาวะสมดุลจะต้องทำขึ้นมาจากการเกิดออกซิเดชันของร้านค้าที่ร่างกายของมวลไขมันหรือไม่ติดมัน ซึ่งจะส่งผลในการลดน้ำหนักตรงตามที่มันไม่สำหรับตัวอย่างของแคลอรี่ลดลง (รูปที่ 1C).
ภาพประกอบข้างต้นสามารถนำมาเปรียบเทียบกับการเกิดออกซิเดชันของกลูโคสในความร้อนที่ไม่มีการใช้พลังงานที่มีประโยชน์ที่จะได้รับและพลังงานทั้งหมดของการเกิดออกซิเดชันเป็น วัดความร้อนที่ผลิต กระบวนการนี้จะไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ แบบดั้งเดิม (แอ็ทวอเตอร์) มูลค่ากลูโคสที่ได้รับในความร้อนจะอยู่ที่ประมาณ 4 กิโลแคลอรีพลังงานต่อกรัม (รูปที่ 1A) ในทางตรงกันข้ามสิ่งมีชีวิตดังกล่าวข้างต้น metabolizes และ oxidizes กลูโคสเพื่อให้ประมาณร้อยละสี่สิบของพลังงานของการเกิดออกซิเดชันจะถูกเก็บไว้เป็นประโยชน์เอทีพี (38 โมลต่อโมลของกลูโคส)) ในขณะที่ร้อยละหกสิบถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน, การขาดประสิทธิภาพในโหมดนี้ของการเกิดออกซิเดชัน . เอนโทรปี (เช่นกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์) แสดงให้เห็นถึงการขาดประสิทธิภาพในการนี้ ความร้อนความร้อนไม่สามารถตีความได้ในวิธีที่ง่าย พลังงานที่เก็บไว้ในที่มีประโยชน์เอทีพีแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของ 40% (ละเลยความแตกต่างในเอนโทรปีระหว่างโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่) ค่านี้จะใกล้เคียงกับประสิทธิภาพในการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตเช่นเดียวกับไขมันในขณะที่โปรตีนจะถูกออกซิไดซ์โดยทั่วไปมูลค่าที่ลดลงประมาณ 30-35% (รูปที่ 1B).
บทสรุปของอุณหพลศาสตร์ในชีวิต
1 กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สั่งการให้มีการขาดประสิทธิภาพการเผาผลาญหลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการทางชีววิทยาและชีวเคมีทั้งหมดที่มีความร้อนและโมเลกุลของเอนโทรปีสูง (คาร์บอนไดออกไซด์, น้ำ, ยูเรีย) เป็นผลิตภัณฑ์ที่พบมากที่สุด.
2 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์มีความพึงพอใจในการดำรงชีวิต (เปิด) ระบบโดยต้องคิดเป็นมวลขับออกมาและความร้อนที่แผ่และส่งออกในโมเลกุลเอนโทรปีสูง. การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากการบริโภคแคลอรี่ลดลงตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของการลดน้ำหนักคือการลดลงของการบริโภคแคลอรี่. ที่เสี่ยงต่อการเปลือกถ้าเรื่องของเรา ingests น้อยกว่า 2.5 โมลของน้ำตาลกลูโคสและผลิตตัวอย่างเช่นเพียง 90 โมลของเอทีพีจากอาหารแล้วสภาวะสมดุลจะต้องสมัครเป็นร้านค้าที่ร่างกายภายนอกสำหรับการเกิดออกซิเดชันต่อไป การเกิดออกซิเดชันนี้จากนั้นก็จะให้เพิ่มอีก 5 โมลของเอทีพีที่จำเป็น ออกซิเดชันของร้านค้าของร่างกาย (หรือไขมันมวลของร่างกาย) จะส่งผลในการผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นยูเรียน้ำและความร้อน ขับถ่ายของผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะส่งผลในการลดน้ำหนัก (รูปที่ 1C). การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากการขาดประสิทธิภาพการเผาผลาญที่เพิ่มขึ้นหมายของกฎหมายที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์คือการที่มีประสิทธิภาพที่ลดลงได้อย่างแม่นยำมีผลเช่นเดียวกับแคลอรี่ลดลง หนึ่งวิธีง่ายๆแนวคิดของการลดประสิทธิภาพเกี่ยวข้องกับกระบวนการของการ uncoupling ในไมโตคอนเดีย เอทีพีที่ผลิตในความหลากหลายของสถานที่เซลล์ glycolysis ผลิตสุทธิต่อสองโมเลกุลของเอทีพีของน้ำตาลกลูโคสในพลาสซึมของเซลล์ ในทางกลับกันเราจำได้ว่า 36 โมเลกุลที่เพิ่มขึ้นของเอทีพีที่มีการผลิตจากน้ำตาลกลูโคสเป็นผลมาจากวงจร TCA ยลและการขนส่งอิเล็กตรอน เป็นส่วนหนึ่งที่สำคัญของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาของการไล่ระดับสีไฮโดรเจนไอออนผ่านเยื่อหุ้มยล ไล่ระดับความเข้มข้นนี้จะให้พลังงานที่จะถูกแปลงเป็นเอทีพีเป็นไฮโดรเจนไอออนผ่านลงทางลาดผ่านอนุภาคเทสเอทีพีคล้ายคลึงทั้งหมดให้พลังงานในก๊าซแรงดันสูงในกระบอกสูบที่มีลูกสูบที่สามารถเคลื่อนย้าย (การขยายตัวของก๊าซเป็นเหมือนการแพร่กระจายลงลาด: มันไม่ทำงานกับลูกสูบ) ใน mitochondrion พลังงานในการเคลื่อนย้ายลงทางลาดที่มีการบันทึกในเอทีพีสื่อกลางในการแลกเปลี่ยนสำหรับผลการดำเนินงานของการทำงานภายในเซลล์ การจับตัวของพลังงานนี้เรียกว่าการมีเพศสัมพันธ์พลังงานเพื่อการก่อตัวของเอทีพีเป็นกระบวนการที่สำคัญการอนุญาตให้งานที่จะทำโดยระบบที่อยู่อาศัย. มีที่รู้จักกันภายนอกและตัวแทนยากำลังซึ่งส่งผลให้เกิด uncoupling การก่อตัวของเอทีพีจากการกระจายของ ลาด Uncouplers เช่น 2 บายพาส 4 dinitrophenol เทสเอทีพีและก่อให้เกิดไฮโดรเจนไอออนกระจายการไล่ระดับสีโดยไม่ก่อเอทีพีที่สามารถทำให้เกิดความผิดปกติของอวัยวะในสาเหตุการตาย องศาเจียมเนื้อเจียมตัวมากขึ้นของ uncoupling อาจจะเกิดจากระดับของสารภายนอกที่เรารู้ว่าเป็นโปรตีน uncoupling (UCP) ที่ สามไอโซฟอร์มที่แตกต่างกัน UCP1, UCP2 UCP3 และได้รับการระบุป่านนี้ในเนื้อเยื่อเลี้ยงลูกด้วยนม ในขณะที่ความสำคัญทางสรีรวิทยาโดยรวมและญาติของโปรตีนเหล่านี้ยังคงเข้าใจไม่สมบูรณ์ในเนื้อเยื่อของมนุษย์ UCP1 ได้รับการแสดงในหนู [8] ที่จะส่งผลในองศาที่เจียมเนื้อเจียมตัวของ uncoupling ในไขมันสีน้ำตาล ระดับความสูงของความเข้มข้นของกรดไขมันที่มีความเกี่ยวข้องกับการเหนี่ยวนำของ UCP3 และแม้จะมีการลดลงของพยาธิวิทยาของประสิทธิภาพของกล้ามเนื้อหัวใจในหัวใจหนู [9] สำหรับวัตถุประสงค์ของตัวอย่างแล้วเราอาจจะพิจารณาว่าอาจจะมีการเรียกทางสรีรวิทยาที่มีผลใน uncoupling ออกซิเดชันลดประสิทธิภาพโดยรวมของการเผาผลาญกลูโคส ตัวอย่างเช่นถ้ามีประสิทธิภาพจะลดลงจาก 40% ถึง 35% ผลที่จะได้รับการผลิตเพียง 34 โมลของเอทีพีแทนที่จะเป็น 38 ในขณะที่นี้หมายถึงการแสดงให้เห็นถึงกลไกที่ดีขึ้นในหนูกว่ามนุษย์เรื่องของเราจะต้องมีระดับน้ำตาลมากขึ้นในการ ทำให้ 95 โมลของเอทีพี ตอนนี้ 2.9 โมลของกลูโคสจะต้องผลิต 95 โมลเอทีพี เรื่องของเราอาจจะกินมากขึ้นและพักที่น้ำหนักเดียวกัน (รูปที่ 1D) หรือจะกิน 2.5 โมลของน้ำตาลกลูโคสจำนวนเงินเช่นเดียวกับก่อนหน้านี้ แต่จะผลิตเอทีพีน้อย โดยการรับประทานอาหารเพียง 2.5 ไฝการเผาผลาญของกลูโคสเรื่องของเราจะขอความช่วยเหลือการเกิดออกซิเดชันของร้านค้าของร่างกายที่จะทำให้เอทีพีเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับสภาวะสมดุล ซึ่งจะส่งผลในการลดน้ำหนักตรงตามที่มันสำหรับแคลอรี่ลดลง (รูปที่ 1D). สาระสำคัญของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ก็คือว่ามันรับประกันการขาดประสิทธิภาพในกระบวนการเผาผลาญทั้งหมด อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพจะไม่ได้รับการยกเว้น ในความเป็นจริงกฎหมายของอุณหพลศาสตร์จะเงียบในการดำรงอยู่ของตัวแปรที่มีประสิทธิภาพ หากประสิทธิภาพจะแตกต่างกัน (เช่นในตัวอย่างของ uncoupling ออกซิเดชัน) แล้ว "แคลอรี่เป็นแคลอรี่" ไม่เป็นคำสั่งจริง บทบาทของ uncoupling โปรตีนในมนุษย์ตามที่ระบุจะเป็นยังกำหนดไม่สมบูรณ์ [10] อย่างไรก็ตามหลักการทางอุณหพลศาสตร์อนุญาตให้มีประสิทธิภาพตัวแปรและการดำรงอยู่ของมันจะต้องได้รับการพิจารณาสังเกตุ

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

ระบบชีวภาพและอุณหพลศาสตร์
ยังเป็นสิ่งสำคัญในการอภิปรายของระบบชีวภาพ ที่จะเข้าใจพวกเขาเป็นระบบเปิด คือ พวกเขาใช้เวลาในสารอาหารและออกซิเจนและขับคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ยูเรีย และผลิตภัณฑ์อื่น ๆเสีย เช่นเดียวกับความร้อนความสำคัญเกี่ยวกับการพิจารณาน้ำหนักที่มวลและพลังงานอนุรักษ์ ( งบทั่วไปของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ) แต่พวกเขาจะไม่เพื่อทั้งหมดภายในสิ่งมีชีวิต .
ถึงตีความที่เหมาะสมของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์พิจารณาเรื่องที่พัก การใช้พลังงานจะพบโดยการผลิต 95 ไฝ ATP .เนื่องจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของกลูโคสมีไฝไฝเดียว 38 ATP 2.5 โมลกลูโคสจะต้องเจอคนๆนี้พักผ่อนความต้องการพลังงาน มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะทราบว่าเป็นผลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และความร้อนไม่สะสมในสิ่งมีชีวิต . ประโยชน์สะสมพลังงานใน 95 ไฝของเอทีพี ( รูปที่ 1A )( สมการที่คล้ายกันอาจจะเขียนไขมัน หรือโปรตีน แต่เราจำกัดการสนทนาของเรากับกลูโคสสำหรับความเรียบง่าย )
1 รูป A : ออกซิเดชันของกลูโคสในแคลอรีมิเตอร์ได้อย่างไม่มีประสิทธิภาพ ผลิตภัณฑ์ของออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ และทั้งหมดของพลังงานที่ผลิตออกมา เช่น ความร้อน 1B :แสดงให้เห็นถึงการตีความที่เหมาะสมของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในสิ่งมีชีวิต เราต้องพิจารณาว่า การอนุรักษ์สสารและพลังงาน รวมถึงการขับถ่ายของผลิตภัณฑ์สู่สิ่งแวดล้อมภายนอก ไม่มีผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาออกซิเดชัน ( CO2 และ H2O ) ยังคงอยู่ภายในชีวิต มีอัตราส่วนไม่สมดุลและน้ำหนักรวมเปลี่ยน เพียง เอทีพี แทนพลังงานที่มีประโยชน์จะยังคงอยู่ การเสียความร้อนถือ 60% ของพลังงานของปฏิกิริยา ในขณะที่ประสิทธิภาพที่สะท้อนอยู่ในสะสม ATP ที่มีอยู่สำหรับปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิต . เก็บไขมันในร่างกายเป็น signified เป็นแท็ก ( triacylglycerol ) 1c วิธีการทั่วไปของการคิดของการสูญเสียน้ำหนักจากการลดลงของการบริโภคแคลอริก . ถ้าประธานของเรา ingests 23 โมลกลูโคส ( หรือเทียบเท่า และ / หรือ โปรตีน ไขมัน ) และผลิตเพียง 90 ไฝของเอทีพี แล้วสมดุลจะสมัครร้านค้าของร่างกายไขมันและ / หรือมวลร่างกาย ) ให้ผลผลิตเพิ่มเป็น 5 โมลเอทีพี . เพิ่มค่า CO2 และ H2O ( และความร้อน ) จะถูกขับออกมา ( และรังสี ) ที่นำไปสู่การสูญเสียน้ำหนัก 1 ดี : ถ้าประสิทธิภาพจะลดลงแล้ว วิชาของเราจะต้องกินอีก ( เช่น 29 โมลของกลูโคส ไขมันและโปรตีน หรือเทียบเท่า ) เพื่อผลิต 95 ไฝของเอทีพี และยังคงอยู่ที่น้ำหนักเดียวกัน การเพิ่ม CO2 และ H2O ที่ผลิตจะถูกรักษาน้ำหนักให้คงที่ 1e : ภายใต้เงื่อนไขของประสิทธิภาพลดลงการเผาผลาญอาหาร ( จาก 40% เป็นประมาณ 38 % ในตัวอย่างนี้ ) , 90 ไฝของ ATP จะถูกผลิตจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฝ 2.5 กลูโคส ( หรือเทียบเท่าโปรตีน / ไขมัน )ส่วนที่เหลือ 5 โมล เอทีพี ที่จำเป็นสำหรับการสมดุลต้องถูกสร้างขึ้นจากปฏิกิริยาของร่างกายร้านค้า ของไขมัน หรือมวล . นี้ส่งผลในการสูญเสียน้ำหนักตรงตามที่มันตัวอย่างเช่น ลดการบริโภคแคลอริก ( รูป
1C )ภาพประกอบข้างต้นสามารถเปรียบเทียบการออกซิเดชันของกลูโคสในวัดความร้อนที่ไม่มีพลังงานที่มีประโยชน์ได้ และพลังงานรวมของปฏิกิริยาออกซิเดชันคือวัด เพราะความร้อนที่ผลิต กระบวนการนี้จะสมบูรณ์ผล ประเพณี ( Atwater ) ค่ากลูโคสได้ในประมาณ 4 กิโลแคลอริมิเตอร์คือพลังงานต่อกรัม ( รูปที่ 1A ) โดยความคมชัดชีวิตเหนือ เผาผลาญกลูโคสและให้ oxidizes ประมาณสี่สิบเปอร์เซ็นต์ของพลังงานของปฏิกิริยาออกซิเดชัน เก็บไว้เป็นประโยชน์เอทีพี ( 38 โมลต่อโมลของกลูโคส ) ในขณะที่ร้อยละหกสิบ คือที่ปล่อยความร้อน ประสิทธิภาพในโหมดนี้ของการเกิดออกซิเดชัน เอนโทรปี ( คือกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ) แสดงขึ้นในความนี้ส่วนวัดความร้อนความร้อนไม่อาจตีความในทางที่ง่าย พลังงานที่ถูกเก็บไว้ในที่มีประโยชน์ เอทีพี แสดงถึงประสิทธิภาพของ 40 % ( แต่ความแตกต่างในค่าระหว่างโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้น ) ค่านี้มีประสิทธิภาพสำหรับออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตเป็นไขมัน