Informatie

Chemisch evenwicht - Deel 2: Vrije energie - Biologie


Chemisch evenwicht - Deel 2: Vrije energie

In een vorige paragraaf zijn we begonnen met een beschrijving van chemisch evenwicht in de context van voorwaartse en achterwaartse koersen. Er werden drie kernideeën gepresenteerd:

  1. Bij evenwicht veranderen de concentraties van reactanten en producten in een omkeerbare reactie niet op tijd.
  2. Een omkeerbare reactie bij evenwicht is niet statisch - reactanten en producten blijven bij evenwicht in elkaar converteren, maar de snelheden van de voorwaartse en achterwaartse reacties zijn hetzelfde.
  3. We zouden NIET in een gewone studentenval trappen door aan te nemen dat chemisch evenwicht betekent dat de concentraties van reactanten en producten gelijk zijn bij evenwicht.

Hier breiden we onze discussie uit en plaatsen we het concept van evenwicht in de context van vrije energie, en versterken we ook de Energy Story-oefening van het beschouwen van de "Voor/Start" en "Na/Einde" toestanden van een reactie (inclusief het inherente verstrijken van de tijd) .

Figuur 1. Reactiecoördinaatdiagram voor een generieke exergonische omkeerbare reactie. Vergelijkingen met betrekking tot vrije energie en de evenwichtsconstante: R = 8,314 J mol-1 K-1 of 0,008314 kJ mol-1 K-1; T is temperatuur in Kelvin.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (origineel werk)

Bovenstaande figuur toont een veelgebruikte relatie tussen ∆G° en Kgelijk aan: ∆G° = -RTlnKgelijk aan. Hier geeft G° de vrije energie aan onder standaardomstandigheden (bijv. 1 atmosfeer druk, 298K). In de context van een Energieverhaal beschrijft deze vergelijking de verandering in vrije energie van een reactie waarvan de beginconditie niet in evenwicht is; in het bijzonder is alle materie aan het "begin" in de vorm van reactanten, en het "einde" van de reactie is de evenwichtstoestand. Impliciet is het idee dat de reactie theoretisch tot in de oneindige tijd kan doorgaan, zodat het, ongeacht de vorm van het energieoppervlak, een evenwicht kan bereiken. Men kan ook een reactie overwegen waarbij de "begintoestand" ergens tussen de begintoestand hierboven en evenwicht ligt en misschien waar de reactie niet in evenwicht is. In dit geval kan men de ∆G (niet de standaardomstandigheden) tussen de "tussenliggende" starttoestand en het evenwicht onderzoeken door de vergelijking ∆G = ∆G° + RTlnQ te beschouwen, waarbij Q het reactiequotiënt wordt genoemd. Vanuit het standpunt van BIS2A zullen we een eenvoudige (een beetje onvolledige maar functionele) definitie gebruiken voor Q = [Producten]NS/[Reactanten]NS bij een gedefinieerde niet-evenwichts "start" toestand st. De vergelijking ∆G = ∆G° + RTlnQ kan daarom worden gelezen als de vrije energie van de transformatie die gelijk is aan de vrije energie geassocieerd met het vrije energieverschil voor ideale standaardconditie plus de bijdrage van vrije energie die de afwijking vertegenwoordigt van de "ideale" starttoestand vertegenwoordigd door de werkelijke starttoestand en omstandigheden. In beide gevallen is de "laatste" toestand nog steeds evenwicht; we veranderen alleen de uitgangspunten. Je kunt dit idee uitbreiden en het vrije-energieverschil berekenen tussen twee niet-evenwichtstoestanden, op voorwaarde dat ze goed zijn gedefinieerd, maar dat is aan je scheikundeleraar om je mee lastig te vallen. Het belangrijkste punt hier is dat er een manier is om veranderingen in vrije energie tussen specifiek gedefinieerde toestanden zowel te bedenken als te berekenen, niet alleen de standaard begintoestand en evenwicht als de eindtoestand.

Dit brengt ons bij het kernpunt van de samenvatting. In veel biologieboeken omvat de bespreking van evenwicht niet alleen de bespreking van voorwaartse en achterwaartse reactiesnelheden, maar ook een bewering dat ∆G = 0 bij evenwicht. Dit verwart sommige studenten vaak omdat ze ook geleerd hebben dat een ∆G die niet nul is, kan worden geassocieerd met een reactie die naar evenwicht gaat. We doen dit elke keer dat we de ∆G van een reactie rapporteren of een reactiecoördinaatdiagram onderzoeken. Dus studenten hebben de neiging om de uitspraak "∆G=0 bij evenwicht" uit het hoofd te leren zonder te beseffen waar het vandaan komt. De sleutel tot het sluiten van de schijnbare ontkoppeling voor velen is om te beseffen dat de interpretatie van de soms schijnbaar tegenstrijdige uitspraken sterk afhankelijk is van de definitie van de begin- en eindtoestanden die worden gebruikt om ∆G te berekenen. In het geval van het rapporteren van ∆G voor een reactie, werd de begintoestand beschreven in de bovenstaande paragrafen (op twee manieren: standaardcondities of niet-standaard, buiten evenwichtstoestand), en de eindtoestand is enige tijd later, zodra de reactie evenwicht heeft bereikt. Aangezien de begin- en eindtoestanden verschillend zijn, kan ∆G niet nul, positief of negatief zijn. Daarentegen beschouwt de uitspraak die "∆G=0 bij evenwicht" concludeert een andere begintoestand. In dit geval is de starttoestand het systeem dat al in evenwicht is. De eindtoestand wordt beschouwd als iets later, maar nog steeds in evenwicht. Aangezien de begin- en eindtoestanden ogenschijnlijk hetzelfde zijn, is ∆G = 0.


Gepersonaliseerde geneeskunde

7.8 Gratis energie

Het bestuderen van vrije energie is van het grootste belang om de functie van een macromolecuul in een biologisch systeem te begrijpen. Vrije energiegradiënten sturen de biochemische/biofysische processen aan. In het geval van DNA- of RNA-bindende eiwitten zijn er aanzienlijke conformationele veranderingen die kunnen plaatsvinden tijdens binding. Zo zijn computationele methoden ontworpen om nauwkeurig vrije energieën te berekenen, zoals uitgelegd door Shaikh et al. (2013) u = uverbintenis + uhoek + utweevlakshoek + uvdW + uelektrisch. De berekening van vrije energie kan van drie soorten zijn: solvatatievrije energie, bindingsvrije energie en conformationele vrije energie. MD berekent de bindingsenergieën en houdt de plaatsen rond de liganden meer ontspannen, waardoor de bindingspatronen nauwkeurig worden voorspeld. Verdere verbeteringen worden uitgevoerd om deze berekeningen nauwkeurig te beoordelen, waaronder technieken zoals thermodynamische integratie, lineaire interactie, verstoring van vrije energie en moleculaire mechanica. Hoewel deze methoden duur zijn om te gebruiken, bieden ze een veel gemakkelijkere voorspelling voor een medicijn dat kan binden aan het molecuul dat het screeningproces verrijkt (Zhao & Caflisch, 2014). Cui en Bastien (2012) beschreven het gebruik van vrije energie met behulp van gestuurde moleculaire dynamica. Er werd verder een profiel berekend om een ​​energiebarrière in de buurt van Tyr-31 te tonen in het geval van gist aquaporine Aqy1 van Pichia pastoris (Cui & Bastien, 2012).


Gratis energieberekeningen

Vrije energie vormt de belangrijkste thermodynamische grootheid om te begrijpen hoe chemische soorten elkaar herkennen, associëren of reageren. Voorbeelden van problemen waarbij kennis van het onderliggende vrije-energiegedrag vereist is, zijn onder meer conformationele evenwichten en moleculaire associatie, verdeling tussen niet-mengbare vloeistoffen, receptor-geneesmiddelinteractie, eiwit-eiwit en eiwit-DNA-associatie en eiwitstabiliteit.

Dit boek wil een samenhangend en alomvattend verslag presenteren van de concepten die ten grondslag liggen aan verschillende benaderingen die zijn bedacht voor de bepaling van vrije energieën. De lezer krijgt het nodige inzicht in de theoretische en computationele grondslagen van het onderwerp en krijgt relevante toepassingen te zien van modellering op moleculair niveau en simulaties van chemische en biologische systemen. Zowel formeel nauwkeurige als benaderende methoden worden behandeld met behulp van zowel klassieke als kwantummechanische beschrijvingen. Een centraal thema van het boek is dat de grote verscheidenheid aan rekentechnieken voor vrije energie die tegenwoordig beschikbaar zijn, kan worden opgevat als verschillende implementaties van een paar basisprincipes.

Het boek is bedoeld voor een breed lezerspubliek van afgestudeerde studenten en onderzoekers met een achtergrond in scheikunde, natuurkunde, techniek en fysische biologie.

"Dit is een welkom boek voor computationele chemici. ... het boek veronderstelt een geavanceerde kennis van de statistische mechanica van afgestudeerden en onderzoeksniveau. ... Het boek kan ten zeerste worden aanbevolen aan serieuze beoefenaars die goede vloeistoffase-simulaties uitvoeren of van plan zijn uit te voeren van vrije energieveranderingen of evenwichtsconstanten door de moleculaire dynamica-methode." (Donald G. Truhlar, Theoretical Chemistry Accounts, Vol. 121, 2008)


Abstract

Het effect van cholesterol op de eigenschappen van lipidemembranen is onderzocht met computersimulaties. Voor dit doel, de crossmembraan vrije energieprofielen van acht penetranten, d.w.z. H2O, O2, CO, CO2, NEE, NH3, CHCl3, en formamide, zijn berekend met de holte-insertie Widom (CIW)-methode in vier gesimuleerde dimyristoylfosfatidylcholine (DMPC)/cholesterol gemengde membranen met verschillende samenstellingen, d.w.z. die 0%, 4%, 8% en 40% cholesterol bevatten. De samenstellingen van de gesimuleerde tweecomponentenmembranen zijn gekozen aan beide zijden van de DMPC/cholesterol-mengafstand, en het zuivere DMPC-membraan is beschouwd als een referentiesysteem. Er is gevonden dat cholesterol de hoeveelheid bolvormige holtes in het membraangebied waarin hun OH-groep zich bevindt, verhoogt en daardoor de solvatatievrije energie van de penetranten in dit gebied verlaagt. Voor sterk polaire opgeloste stoffen is dit het gebied van het minimum van de vrije-energieprofielen, en dus, door dit minimum te verlagen, verhoogt cholesterol de vrije-energiebarrière van het dwarsmembraantransport van dergelijke penetranten. Anderzijds voor grotere en apolaire of matig polaire opgeloste stoffen, zoals CO2 en CHCl3, vertonen de vrije energieprofielen een piek in deze regio. In het geval van CHCl3cholesterol blijkt deze piek te verlagen en boven een bepaalde concentratie te elimineren en zo de vrije-energiebarrière van het crossmembraantransport van dit molecuul aanzienlijk te verlagen. Aan de andere kant, in het geval van CO2, wordt deze piek omgezet in een dip door cholesterol, en dus de vrije-energiebarrière van de penetratie van CO . door het membraan2 wordt eerst verlaagd door de fractie cholesterol in het membraan te verhogen tot een bepaalde concentratie, waarboven een verdere verhoging van de hoeveelheid cholesterol leidt tot een toenemende vrije-energiebarrière. Ten slotte, in het geval van diatomische penetranten, bevindt noch het maximum noch het minimum van de vrije energieprofielen zich in het gebied waar cholesterol de solvatatievrije energie verlaagt, en dus is de vrije-energiebarrière van het transmembraantransport van deze moleculen niet beïnvloed door cholesterol.

In papers met meer dan één auteur geeft de asterisk de naam aan van de auteur aan wie vragen over de paper moeten worden gericht.


Inhoud

Vrije energie is dat deel van elke eerstewetsenergie dat beschikbaar om thermodynamisch werk uit te voeren bij constante temperatuur, d.w.z., werk gemedieerd door thermische energie. Vrije energie is onderhevig aan onomkeerbaar verlies in de loop van dergelijk werk. [1] Aangezien energie van de eerste wet altijd behouden blijft, is het duidelijk dat vrije energie een verbruikbare tweedewets soort energie is. Op basis van systeemcriteria kunnen verschillende vrije-energiefuncties worden geformuleerd. Vrije-energiefuncties zijn Legendre-transformaties van de interne energie.

De Gibbs vrije energie wordt gegeven door G = HTS , waar H is de enthalpie, t is de absolute temperatuur, en S is de entropie. H = u + pV , waar u is de interne energie, P is de druk, en V is het volume. G is het meest bruikbaar voor processen waarbij een systeem met constante druk betrokken is P en temperatuur t, omdat, naast het opnemen van enige entropieverandering die alleen door warmte wordt veroorzaakt, een verandering in G sluit ook de uit p dV werk dat nodig is om "ruimte te maken voor extra moleculen" die door verschillende processen worden geproduceerd. Gibbs vrije energieverandering is daarom gelijk aan werk dat niet geassocieerd is met systeemexpansie of compressie, bij constante temperatuur en druk. (Vandaar het nut ervan voor chemici in de oplossingsfase, inclusief biochemici.)

De historisch eerdere Helmholtz vrije energie wordt gedefinieerd als: EEN = uTS . De verandering is gelijk aan de hoeveelheid omkeerbaar werk gedaan op, of verkrijgbaar bij, een systeem bij constante t. Dus de benaming "werkinhoud", en de aanduiding EEN van Arbeit, het Duitse woord voor werk. Omdat het niet verwijst naar hoeveelheden die bij het werk betrokken zijn (zoals: P en V), is de Helmholtz-functie volledig algemeen: de afname ervan is de maximale hoeveelheid werk die kan worden gedaan door een systeem op constante temperatuur, en het kan hoogstens toenemen met de hoeveelheid werk die wordt verricht Aan een systeem isotherm. De vrije energie van Helmholtz is van bijzonder theoretisch belang omdat deze evenredig is met de logaritme van de partitiefunctie voor het canonieke ensemble in de statistische mechanica. (Vandaar het nut voor natuurkundigen en chemici en ingenieurs in de gasfase, die niet willen negeren) p dV werk.)

Historisch gezien is de term 'vrije energie' gebruikt voor beide hoeveelheden. in de natuurkunde, gratis energie verwijst meestal naar de Helmholtz vrije energie, aangeduid met EEN (of F), terwijl in de chemie, gratis energie verwijst meestal naar de Gibbs vrije energie. De waarden van de twee vrije energieën zijn meestal vrij gelijkaardig en de beoogde vrije energiefunctie is vaak impliciet in manuscripten en presentaties.

Betekenis van "gratis"

De basisdefinitie van "energie" is een maatstaf voor het vermogen van een lichaam (in de thermodynamica, het systeem) om verandering teweeg te brengen. Wanneer iemand bijvoorbeeld een zware kist enkele meters naar voren duwt, oefent die persoon mechanische energie, ook wel arbeid genoemd, op de kist uit over een afstand van enkele meters naar voren. De wiskundige definitie van deze vorm van energie is het product van de kracht die op het object wordt uitgeoefend en de afstand waarover de doos bewoog (arbeid = kracht × afstand). Omdat de persoon de stationaire positie van de doos veranderde, oefende die persoon energie uit op die doos. De uitgeoefende arbeid kan ook "nuttige energie" worden genoemd, omdat energie van de ene vorm is omgezet in het beoogde doel, namelijk mechanisch gebruik. In het geval van de persoon die de doos duwt, werd de energie in de vorm van interne (of potentiële) energie verkregen door metabolisme omgezet in werk om de doos te duwen. Deze energieomzetting was echter niet eenvoudig: terwijl er wat interne energie in het duwen van de doos ging, werd een deel weggeleid (verloren) in de vorm van warmte (overgedragen thermische energie). Voor een omkeerbaar proces is warmte het product van de absolute temperatuur t en de verandering in entropie S van een lichaam (entropie is een maat voor wanorde in een systeem). Het verschil tussen de verandering in interne energie, die ΔU is, en de energie die verloren gaat in de vorm van warmte, is wat de 'nuttige energie' van het lichaam wordt genoemd, of het werk van het lichaam dat op een object wordt uitgevoerd. In de thermodynamica is dit wat bekend staat als "vrije energie". Met andere woorden, vrije energie is een maatstaf voor arbeid (nuttige energie) die een systeem bij constante temperatuur kan uitvoeren. Wiskundig wordt vrije energie uitgedrukt als:

gratis energie EEN = uTS

Deze uitdrukking wordt vaak geïnterpreteerd als te betekenen dat werk wordt gewonnen uit de interne energie u terwijl TS staat voor energie die niet beschikbaar is om arbeid te verrichten. Dit is echter onjuist. In een isotherme expansie van een ideaal gas is de interne energieverandering bijvoorbeeld Δu = 0 en het uitbreidingswerk met wie = −t ΔS is uitsluitend afgeleid van de TS termijn zogenaamd niet beschikbaar om werkzaamheden uit te voeren. Maar het is opmerkelijk dat de afgeleide vorm van de vrije energie: dA = −SdT − PdV (voor Helmholtz vrije energie) geeft inderdaad aan dat een spontane verandering in de vrije energie van een niet-reactief systeem (NIET de interne energie) de beschikbare energie omvat om arbeid te verrichten (compressie in dit geval) PdV en de niet-beschikbare energie −SdT. [2] [3] [4] Een soortgelijke uitdrukking kan worden geschreven voor de Gibbs-vrije energieverandering. [5] [3] [4]

In de 18e en 19e eeuw begon de theorie van warmte, dat wil zeggen dat warmte een vorm van energie is die verband houdt met trillingsbeweging, zowel de calorische theorie, dat wil zeggen dat warmte een vloeistof is, als de vier-elemententheorie, te verdringen. waarin warmte de lichtste van de vier elementen was. Op soortgelijke wijze begon men in deze jaren warmte te onderscheiden in verschillende classificatiecategorieën, zoals “vrije warmte”, “gecombineerde warmte”, “stralingswarmte”, soortelijke warmte, warmtecapaciteit, “absolute warmte”, “latente warmte”. calorisch”, “vrij” of “waarneembaar” calorisch (calorie verstandig), onder andere.

In 1780 stelden Laplace en Lavoisier bijvoorbeeld: “In het algemeen kan men de eerste hypothese in de tweede veranderen door de woorden 'vrije warmte, gecombineerde warmte en vrijgekomen warmte' te veranderen in 'vis viva, verlies van vis viva, en toename van vis viva.'” Op deze manier wordt de totale hoeveelheid calorieën in een lichaam, genaamd absolute hitte, werd beschouwd als een mengsel van twee componenten waarvan de vrije of waarneembare calorische waarde een thermometer zou kunnen beïnvloeden, terwijl de andere component, de latente calorische waarde, dat niet kon. [6] Het gebruik van de woorden "latente warmte" impliceerde een gelijkenis met latente warmte in de meer gebruikelijke zin dat het werd beschouwd als chemisch gebonden aan de moleculen van het lichaam. Bij de adiabatische compressie van een gas bleef de absolute warmte constant, maar de waargenomen temperatuurstijging impliceerde dat een bepaalde latente calorische waarde "vrij" of waarneembaar was geworden.

Tijdens het begin van de 19e eeuw begon het concept van waarneembare of vrije calorieën te worden aangeduid als "vrije warmte" of door warmte vrijgemaakt. Zo spreekt in 1824 de Franse natuurkundige Sadi Carnot in zijn beroemde "Reflections on the Motive Power of Fire" over hoeveelheden warmte die bij verschillende transformaties worden 'geabsorbeerd of vrijgemaakt'. In 1882 bedacht de Duitse natuurkundige en fysioloog Hermann von Helmholtz de uitdrukking 'vrije energie' voor de uitdrukking ETS , waarbij de verandering in EEN (of G) bepaalt de hoeveelheid energie ‘gratis’ voor arbeid onder de gegeven omstandigheden, namelijk constante temperatuur. [7] : 235

Zo werd in traditioneel gebruik de term 'gratis' gekoppeld aan Gibbs vrije energie voor systemen bij constante druk en temperatuur, of aan Helmholtz vrije energie voor systemen bij constante temperatuur, om 'beschikbaar in de vorm van nuttig werk' te betekenen. ] Met betrekking tot de Gibbs vrije energie, moeten we de kwalificatie toevoegen dat het de energie vrij is voor niet-volume werk en samenstellingsveranderingen. [9] : 77-79

Steeds meer boeken en tijdschriftartikelen bevatten niet de bijlage "gratis", verwijzend naar: G als gewoon Gibbs-energie (en ook voor de Helmholtz-energie). Dit is het resultaat van een IUPAC-bijeenkomst in 1988 om uniforme terminologieën vast te stellen voor de internationale wetenschappelijke gemeenschap, waarin het adjectief 'gratis' zogenaamd werd verbannen. [10] [11] [12] Deze standaard is echter nog niet algemeen aanvaard, en veel gepubliceerde artikelen en boeken bevatten nog steeds het beschrijvende 'gratis'. [ citaat nodig ]

Net als het algemene concept van energie, heeft vrije energie een paar definities die geschikt zijn voor verschillende omstandigheden. In de natuurkunde, scheikunde en biologie zijn deze omstandigheden thermodynamische parameters (temperatuur t, volume V, druk P, enzovoort.). Wetenschappers hebben verschillende manieren bedacht om vrije energie te definiëren. De wiskundige uitdrukking van Helmholtz vrije energie is:

Deze definitie van vrije energie is nuttig voor gasfasereacties of in de natuurkunde bij het modelleren van het gedrag van geïsoleerde systemen die op een constant volume worden gehouden. Als een onderzoeker bijvoorbeeld een verbrandingsreactie in een bomcalorimeter wil uitvoeren, wordt het volume constant gehouden tijdens de reactie. Daarom is de warmte van de reactie een directe maat voor de vrije energieverandering, Q =u. In oplossingschemie daarentegen worden de meeste chemische reacties onder constante druk gehouden. Onder deze voorwaarde, de hitte Q van de reactie is gelijk aan de enthalpieverandering ΔH van het systeem. Onder constante druk en temperatuur staat de vrije energie in een reactie bekend als Gibbs vrije energie G.

Deze functies hebben een minimum in chemisch evenwicht, zolang bepaalde variabelen (t, en V of P) worden constant gehouden. Daarnaast hebben ze ook theoretisch belang bij het afleiden van Maxwell-relaties. Werk anders dan p dV kan worden toegevoegd, bijvoorbeeld voor elektrochemische cellen, of f dx werken in elastische materialen en in spiercontractie. Andere vormen van arbeid die soms overwogen moeten worden zijn spanning-rek, magnetisch, zoals bij adiabatische demagnetisatie gebruikt bij de benadering van het absolute nulpunt, en arbeid als gevolg van elektrische polarisatie. Deze worden beschreven door tensoren.

In de meeste gevallen van belang zijn er interne vrijheidsgraden en processen, zoals chemische reacties en faseovergangen, die entropie creëren. Zelfs voor homogene "bulk"-materialen zijn de vrije energiefuncties afhankelijk van de (vaak onderdrukte) samenstelling, net als alle echte thermodynamische potentialen (uitgebreide functies), inclusief de interne energie.

Naam Symbool Formule Natuurlijke variabelen
Interne energie u ∫ ( T d S − p d V + ∑ ik μ ik d N ik ) mu _dN_ echts)> S , V , < N ik >>>
Helmholtz vrije energie F U − T S T , V , < N ik >>>
Enthalpie H U + p V S , p , < N ik >>>
Gibbs gratis energie G U + p V T S T , p , < N ik >>>
Landau potentieel, of
groot potentieel
Ω , Φ G >> U − T S − < Displaystyle U-TS-> ik < Displaystyle sum _,> μ ik N ik N_> T , V , < μ ik >>>

Nl is het aantal moleculen (of mol) van het type l in het systeem. Als deze grootheden niet verschijnen, is het onmogelijk om samenstellingsveranderingen te beschrijven. De verschillen voor processen bij uniforme druk en temperatuur zijn (alleen aangenomen) pV werk):

waar μl is de chemische potentiaal voor de lde component in het systeem. De tweede relatie is vooral handig bij constant t en P, omstandigheden die experimenteel gemakkelijk te bereiken zijn en die levende wezens ongeveer karakteriseren. Onder deze omstandigheden vereenvoudigt het

Elke afname van de Gibbs-functie van een systeem is de bovengrens voor elk isotherm, isobaar werk dat in de omgeving kan worden vastgelegd, of het kan eenvoudig worden gedissipeerd en verschijnt als t maal een overeenkomstige toename van de entropie van het systeem en/of zijn omgeving.

Een voorbeeld is oppervlakte-vrije energie, de hoeveelheid toename van vrije energie wanneer het oppervlak met elke oppervlakte-eenheid toeneemt.

De padintegraal Monte Carlo-methode is een numerieke benadering voor het bepalen van de waarden van vrije energieën, gebaseerd op kwantumdynamische principes.

Werk en vrije energie veranderen Bewerken

Voor een omkeerbaar isotherm proces,S = Qrev/t en daarom de definitie van EEN resulteert in

Dit vertelt ons dat de verandering in vrije energie gelijk is aan de omkeerbare of maximale arbeid voor een proces dat bij constante temperatuur wordt uitgevoerd. Onder andere omstandigheden is vrije-energieverandering niet gelijk aan bijvoorbeeld werken voor een omkeerbare adiabatische expansie van een ideaal gas, Δ A = w rev − S Δ T >-SDelta T> . Belangrijk is dat voor een warmtemotor, inclusief de Carnot-cyclus, de verandering in vrije energie na een volledige cyclus nul is, Δ cyc A = 0 >A=0> , terwijl de motor niet-nul werk produceert. Het is belangrijk op te merken dat voor warmtemotoren en andere thermische systemen de vrije energieën geen geschikte karakteriseringen bieden. Interne energie en enthalpie zijn de geprefereerde mogelijkheden voor het karakteriseren van thermische systemen.

Vrije energieverandering en spontane processen

De hoeveelheid die "gratis energie" wordt genoemd, is een meer geavanceerde en nauwkeurige vervanging voor de verouderde term affiniteit, die in voorgaande jaren door scheikundigen werd gebruikt om de kracht die chemische reacties veroorzaakten. De term affiniteit, zoals gebruikt in chemische relaties, dateert tenminste uit de tijd van Albertus Magnus in 1250. [ citaat nodig ]

Uit het leerboek uit 1998 Moderne thermodynamica [13] door Nobelprijswinnaar en scheikundeprofessor Ilya Prigogine vinden we: "Omdat beweging werd verklaard door het Newtoniaanse concept van kracht, wilden scheikundigen een soortgelijk concept van 'drijvende kracht' voor chemische verandering. Waarom vinden chemische reacties plaats, en waarom doen ze stoppen op bepaalde punten? Chemici noemden de 'kracht' die chemische reacties veroorzaakte affiniteit, maar het ontbrak aan een duidelijke definitie."

Gedurende de hele 18e eeuw was de dominante visie met betrekking tot warmte en licht die van Isaac Newton, genaamd de Newtoniaanse hypothese, waarin staat dat licht en warmte vormen van materie zijn die worden aangetrokken of afgestoten door andere vormen van materie, met krachten die analoog zijn aan zwaartekracht of chemische affiniteit.

In de 19e eeuw hadden de Franse chemicus Marcellin Berthelot en de Deense chemicus Julius Thomsen geprobeerd affiniteit te kwantificeren met behulp van reactiewarmte. In 1875, na het kwantificeren van de reactiewarmte voor een groot aantal verbindingen, stelde Berthelot de principe van maximale arbeid, waarin alle chemische veranderingen die plaatsvinden zonder tussenkomst van energie van buitenaf, neigen naar de productie van lichamen of van een systeem van lichamen die warmte afgeven.

Daarnaast legden Antoine Lavoisier en Pierre-Simon Laplace in 1780 de basis van de thermochemie door aan te tonen dat de warmte die vrijkomt bij een reactie gelijk is aan de warmte die wordt opgenomen in de omgekeerde reactie. Ze onderzochten ook de soortelijke warmte en latente warmte van een aantal stoffen en de hoeveelheden warmte die bij verbranding vrijkwamen. Op soortgelijke wijze formuleerde de Zwitserse chemicus Germain Hess in 1840 het principe dat de warmteontwikkeling in een reactie hetzelfde is, of het proces nu in een eenstapsproces of in een aantal fasen wordt uitgevoerd. Dit staat bekend als de wet van Hess. Met de komst van de mechanische theorie van warmte in het begin van de 19e eeuw, werd de wet van Hess gezien als een gevolg van de wet van behoud van energie.

Op basis van deze en andere ideeën beschouwden Berthelot en Thomsen, evenals anderen, de warmte die vrijkomt bij de vorming van een verbinding als een maat voor de affiniteit, of het werk dat door de chemische krachten wordt gedaan. Deze opvatting was echter niet helemaal juist. In 1847 toonde de Engelse natuurkundige James Joule aan dat hij de temperatuur van water kon verhogen door er een schoepenrad in te draaien, waarmee hij aantoonde dat warmte en mechanische arbeid gelijkwaardig of evenredig aan elkaar waren, d.w.z. ongeveer, dWdQ . Deze verklaring werd bekend als het mechanische equivalent van warmte en was een voorloper van de eerste wet van de thermodynamica.

In 1865 had de Duitse natuurkundige Rudolf Clausius aangetoond dat dit equivalentieprincipe moest worden gewijzigd. Dat wil zeggen, men kan de warmte afkomstig van een verbrandingsreactie in een kolenoven gebruiken om water te koken, en deze warmte gebruiken om stoom te verdampen, en dan de verbeterde hogedrukenergie van de verdampte stoom gebruiken om een ​​zuiger te duwen. We zouden dus naïef kunnen redeneren dat men de aanvankelijke verbrandingswarmte van de chemische reactie volledig kan omzetten in het duwen van de zuiger. Clausius toonde echter aan dat we rekening moeten houden met het werk dat de moleculen van het werkende lichaam, dat wil zeggen de watermoleculen in de cilinder, op elkaar doen als ze passeren of transformeren van één stap of toestand van de motorcyclus naar de volgende, bijvoorbeeld van (P1,V1) tot (P2,V2). Clausius noemde dit oorspronkelijk de "transformatie-inhoud" van het lichaam en veranderde de naam later in entropie. De warmte die wordt gebruikt om het werkende lichaam van moleculen van de ene toestand naar de andere te transformeren, kan dus niet worden gebruikt om extern werk te doen, bijvoorbeeld om de zuiger te duwen. Clausius definieerde dit transformatie warmte als dQ = T dS .

In 1873 publiceerde Willard Gibbs Een methode voor geometrische weergave van de thermodynamische eigenschappen van stoffen door middel van oppervlakken, waarin hij de voorlopige schets introduceerde van de principes van zijn nieuwe vergelijking die in staat is om de neigingen van verschillende natuurlijke processen te voorspellen of te schatten die zullen optreden wanneer lichamen of systemen met elkaar in contact worden gebracht. Door de interacties te bestuderen van homogene stoffen die in contact staan, dwz lichamen, waarvan de samenstelling deels vast, deels vloeibaar en deels damp is, en door een driedimensionale volume-entropie-interne energiegrafiek te gebruiken, kon Gibbs drie toestanden van evenwicht, dat wil zeggen "noodzakelijkerwijs stabiel", "neutraal" en "instabiel", en of er al dan niet veranderingen zullen optreden. In 1876 bouwde Gibbs voort op dit raamwerk door het concept van chemisch potentieel te introduceren om rekening te houden met chemische reacties en toestanden van lichamen die chemisch van elkaar verschillen. In zijn eigen woorden, om zijn resultaten in 1873 samen te vatten, zegt Gibbs:

Als we in een enkele vergelijking de noodzakelijke en voldoende voorwaarde van thermodynamisch evenwicht willen uitdrukken voor een stof wanneer deze wordt omgeven door een medium met constante druk P en temperatuur t, kan deze vergelijking worden geschreven:

δ(εT + ) = 0

wanneer δ verwijst naar de variatie die wordt geproduceerd door eventuele variaties in de toestand van de lichaamsdelen, en (wanneer verschillende delen van het lichaam zich in verschillende toestanden bevinden) in de verhouding waarin het lichaam is verdeeld over de verschillende toestanden. De voorwaarde van stabiel evenwicht is dat de waarde van de uitdrukking tussen haakjes een minimum moet zijn.

In deze beschrijving, zoals gebruikt door Gibbs, ε verwijst naar de interne energie van het lichaam, η verwijst naar de entropie van het lichaam, en ν is het volume van het lichaam.

Daarom verklaarde de Duitse wetenschapper Hermann von Helmholtz in 1882, na de introductie van deze argumenten door Clausius en Gibbs, in tegenstelling tot de hypothese van Berthelot en Thomas dat chemische affiniteit een maat is voor de reactiewarmte van een chemische reactie, gebaseerd op de principe van maximale arbeid, dat affiniteit niet de warmte is die wordt afgegeven bij de vorming van een verbinding, maar eerder de grootste hoeveelheid arbeid die kan worden gewonnen wanneer de reactie op een omkeerbare manier wordt uitgevoerd, bijv. elektrische arbeid in een omkeerbare cel. De maximale arbeid wordt dus beschouwd als de vermindering van de vrije of beschikbare energie van het systeem (Gibbs vrije energie G Bij t = constant, P = constante of Helmholtz vrije energie EEN Bij t = constant, V = constant), terwijl de afgegeven warmte meestal een maat is voor de vermindering van de totale energie van het systeem (interne energie). Dus, G of EEN is de hoeveelheid energie "gratis" voor arbeid onder de gegeven omstandigheden.

Tot nu toe was de algemene opvatting zo geweest dat: "alle chemische reacties het systeem naar een evenwichtstoestand drijven waarin de affiniteiten van de reacties verdwijnen". In de komende 60 jaar werd de term affiniteit vervangen door de term vrije energie. Volgens scheikundehistoricus Henry Leicester, het invloedrijke leerboek uit 1923 Thermodynamica en de vrije energie van chemische reacties door Gilbert N. Lewis en Merle Randall leidde tot de vervanging van de term "affiniteit" door de term "vrije energie" in een groot deel van de Engelstalige wereld.


Abstract

De oplosbaarheid van medicijnen in water wordt onderzocht in een reeks artikelen en in het huidige werk. De vrije energie van solvatatie, Δ , van een medicijnmolecuul in zijn pure medicijnsmelt bij 673,15 K (400 ° C) is verkregen voor 46 medicijnmoleculen met behulp van de vrije energie-perturbatiemethode. De simulaties werden uitgevoerd in twee stappen, waarbij eerst de Coulomb- en vervolgens de Lennard-Jones-interacties werden verkleind van volledige naar geen interactie. De resultaten zijn geïnterpreteerd met behulp van een theorie die ervan uitgaat dat Δ = ΔGcav + ELJ + EC/2 waarbij de vrije energie van holtevorming, ΔGcav, in deze pure medicijnsystemen werd verkregen met behulp van harde-lichaamtheorieën, en ELJ en EC zijn respectievelijk de Lennard-Jones- en Coulomb-interactie-energieën van het ene molecuul met het andere. Aangezien de belangrijkste parameter in harde-lichaamtheorieën de volumefractie is, werd een toestandsvergelijkingsbenadering gebruikt om het moleculaire volume te schatten. Veelbelovende resultaten werden verkregen met behulp van een theorie voor harde oblaten, waarin de axiale verhouding van de oblaten werd berekend uit het moleculaire oppervlak en het volume verkregen uit simulaties. De Coulomb-term, EC/2, is de helft van de Coulomb-energie in overeenstemming met de lineaire respons, die een goede overeenkomst vertoonde met onze simulatieresultaten. In comparison with our previous results on free energy of hydration, the Coulomb interactions in pure drug systems are weaker, and the van der Waals interactions play a more important role.

Auteur aan wie de correspondentie moet worden gericht. Phone: +46 31 7761065. Fax: +46 31 7763834. E-mail: [email protected]


Biology – High school textbook UEN OER

This high school Biology textbook is an Open Educational Resource (OER) textbook written specifically for students to have a reputable source for them to obtain materials and information aligned to the Utah school biology curriculum. The hope is that teachers use these resources for their students, as they keep records and suggestions on how to improve this amazing biology open textbook. The book is revised every year, based on teachers feedback and new objectives on improving the book.

Utah’s first OER project was science. USBE has been working with science for over several years. UEN recognizes the support of the Hewlett Foundation, the CK12 Foundation, and Brigham Young University in development of these materials. Visit the Science Activities webpage to view all of the Online Interactive Activities that are included in each textbook.

This textbook is licensed CC-BY-NC, providing open educational content for high school biology.

The majority of content was created from CK-12 flexbooks project, http://www.ck12.org/saythanks – Thanks!

See more content from Utah Education Network in our UEN Publisher category.

Biology High School Textbook – Table of Contents

Sample Biology – Open Educational Resource

1.1 Flow of Energy How Does Energy Flow Through an Ecosystem?
Am I all alone? Do organisms live in isolation? No, organisms are not separated from their environment or from other organisms. They interact in many ways with their surroundings.

For example, this deer may be drinking from this stream or eating nearby plants. Ecology is the study of living (biotic) and nonliving (abiotic) interactions in an environment. All organisms have the ability to grow and reproduce. To grow and reproduce, organisms must get materials and energy from the environment. Plants obtain their energy from the sun through photosynthesis, whereas animals obtain their energy from other organisms. Either way, these plants and animals, as well as bacteria and fungi, are constantly interacting with other species as well as the nonliving parts of their ecosystem (the interaction of all of the living and nonliving parts of a community). An organism’s environment includes two types of factors:

• Abiotic factors are the parts of the environment that are not living, such as sunlight, climate, soil, water, and air.

• Biotic factors are the parts of the environment that are alive, or were alive and then died, such as plants, animals, and their remains. Biotic factors also include bacteria, fungi and protists. Ecology studies the interactions between biotic factors, such as organisms like plants and animals, and abiotic factors. For example, all animals (biotic factors) breathe in oxygen (abiotic factor). All plants (biotic factor) absorb carbon dioxide (abiotic factor) and need water (abiotic factor) to survive.

• Ecosystems can be studied at small levels or at large levels. The levels of organization are described below from the smallest to the largest: 17

• Individuals are members of the same species (a group of individuals who are genetically related and can breed to produce fertile offspring), if their members cannot produce offspring that can also have children. The second word in the two-word specific name given to every organism is the species name. For example, in Homo sapiens, sapiens is the species name and Homo is the genus.

• A population is a group of organisms belonging to the same species that live in the same area and interact with one another.

• A community is all of the populations of different species that live in the same area and interact with one another.

• An ecosystem includes the living (biotic) organisms (all the populations) in an area and the non-living (abiotic) aspects of the environment and their interactions.

• The biosphere in the figure below, is the highest level of ecological organization. It is the part of the earth, including the air, land, surface rocks, and water, where life is found and includes almost all of the Earth. Parts of the lithosphere, hydrosphere, and atmosphere make up the biosphere.

See more Books under Science Category Below

There’s a Hole in my Galaxy - In the year 2563 Maya and her friend Ava borrow the family space ship for a trip to Pluto. Halfway there they have a battle with a black hole where they are almost sucked in. Along the way, we learn lots of facts about black holes. Sample text from There’s a Hole in my Galaxy . Why Do Sunflowers Love the Sun? - Viveka wants to paint the sunflowers near her house, but they keep moving. Follow this story to find out the mystery of how the sunflowers change throughout the day. Sample Text from Why Do Sunflowers Love the Sun? Viveka wants to paint the sunflower field near her house. She looks at the sunflowers carefully one . Eye Can See – From magnifying glases to telescopes - Eye Can See details a group of children’s visit to their parent’s laboratory and all the magnifying equipment they find. From magnifying glass to microscope, binoculars to a telescope, this book teaches children about all things magnifying. Sample Text From Eye Can See School is closed for summer. Every day Chanda, Tinku and Motu have . Lost in the Internet - Kunal’s Mum warned him against watching too much on the internet lest he gets sucked in, but he doesn’t listen. Kunal gets suddenly sucked into the internet and goes on a journey of discovery. Sample Text From Lost in the Internet Kunal loved the Internet. He was always asking Mummy for her phone so he . Ma, Is That You? – Security made simple - Four friends have a secret meeting place, but someone keeps trying to get in. Is it Ma like the person says, or is it a scary monster? The group has 3 forms of security to protect their secret meeting place. This book provides a nice simple explanation of security and why it’s important in a . How to Catch the Wind – STEM fun - In How to Catch the Wind – STEM fun we learn how the wind is used to make electricity. A Simple book with an easy to understand explanation of wind power. Sample Text from How to Catch the Wind – STEM fun Air is always around us. Moving air is called wind. When wind blows, . /> The Mighty Tethys Sea – Archaeology - The Mighty Tethys Sea explains how the continents split apart, from the mighty Gondwana and the mighty tethys sea, to what they are now, and how the Himalayas were formed. Discover how once there were seas where there now are mountains, and how it all changed into the shape of the earth today. Author: Juvena . Tig’s World – An important question - In Tig’s World Tig asks her mom who is a scientist and her dad who is a writer what happens to the people on the bottom side of the earth and why they don’t fall off. Whose answer is right? Author: Sam Wilson, Illustrator: Dorian Dutrieux Sample Text from Tig’s World Tig’s mom is a . Slip and Slide – A tale of friction - Slip and Slide – A tale of friction – Seven sisters play in the snow, slipping and sliding, but when they try to get back in the house they can’t get back up the slope. This book explains the concept of friction by way of a story that is easy to remember. Here are the . The One and Only Human Body – Facts about our bodies - The One and Only Human Body contains lots of facts about our bodies, from the smallest and largest organs to the length of our intestine, let’s explore our bodies! Sample Text from The One and Only Human Body Take a step into the human body. From head to toe, it is filled with organs, bones, .

See more Textbooks Below

Grade 1 Workbooks - This post contains all our Grade 1 and Kindergarten (Pre-K, K) textbooks, workbooks, and worksheets. Genieten van! ****** Grade 1 English Language and Arts Workbooks All our kindergarten and grade 1 English Language and Arts (ELA, EFL, ESL, grammar, art, music) workbooks and open education resources. Grade 1 to 2 ELA Activity Books and Teachers Guides . Grade 2 Workbooks - This post contains all our grade 2 free school textbooks, workbooks, and worksheets, perfect for classroom or homeschool use. Genieten van! English Language and Arts Textbooks Grade 2 Grade 2 English including ELA, EFL, ESL, EAL, and all art related subjects. Grade 1 to 2 ELA Activity Workbooks and Teacher Guides Publisher: Open Schools BC . Grade 3 Workbooks - This post contains all our grade 3 free school textbooks, workbooks, and worksheets. These free school resources and OER textbooks are perfect for classroom or homeschool use. Genieten van! Grade 3 English Language and Arts Textbooks Grade 3 English language and arts (ELA), including EFL, ESL, EAL, and all art related subjects. English Banana Big . Grade 4 Textbooks - This post has all of our free school textbooks for Grade 4, perfect for classroom and homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 4 Grade 4 English including ELA, EFL, ESL, EAL, and all art related subjects. Engage NY – Grade 4 English Resources US CCSS Engage NY Grade 4 English Language . Grade 5 Textbooks - This post has all of our free school textbooks, workbooks, activity books, and tests for Grade 5, perfect for classroom or homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 5 Grade 5 English including ELA, EFL, ESL, EAL, and all art related subjects Grade 5 English Textbooks India * NCERT/CBSE Grade 5 English . Grade 6 Textbooks - This post has all of our free school textbooks for Grade 6, perfect for classroom or homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 6 Grade 6 English including ELA, EFL, ESL, EAL, and all art related subjects Grade 6 English Textbooks India * NCERT/CBSE Grade 6 English Textbook, Honeysuckle, and supplementary reader A Pact . Grade 7 Textbooks - This post has all of our free school textbooks for Grade 7, these open education resources are perfect for classroom or homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 7 Grade 7 English including ELA, EFL, ESL, EAL, and all art related subjects Engage NY – Grade 7 English Resources US CCSS Engage NY . Grade 8 Textbooks - This post contains all our free grade 8 textbooks, workbooks, and worksheets. These open education resources are perfect for classroom or homeschool use, enjoy! ****** Grade 8 ELA Textbooks Below are all our English Language and Arts free school textbooks. Engage NY – Grade 8 English Resources US CCSS Engage NY Grade 8 English Language resources, . Grade 9 Textbooks - This post has all of our free school textbooks for Grade 9, awesome free high-school OER textbooks for classroom or homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 9 This section includes all our Grade 9 textbooks in English (EFL, ESL, EAL), and all mediums of arts including music. Writing on the Run Grade . Grade 10 Textbooks - This post has all of our free school textbooks for Grade 10 free textbooks, perfect for classroom and homeschool use, enjoy! English Language and Arts Textbooks Grade 10 Note – for US Subjects which cover Grades 9 to 12 please see Grade 9 – https://freekidsbooks.org/grade-9-textbooks/ Engage NY – Grade 10 English Resources US CCSS Engage NY .

Note – if you sign up through these links, it doesn’t cost you any extra, but FKB receives a small donation, which helps us move towards our aim of
FREE Hardcopies!

All our posts are checked by Grammarly, the FREE online grammar checker (We still receive a donation even if you only sign up for the free account :-):
/>

This site is hosted by Bluehost:
/>

Leave a comment (it won’t be public) if you want help getting your own website cost-effectively.


Antioxidants and free radicals

Antioxidants keep free radicals in check. Antioxidants are molecules in cells that prevent free radicals from taking electrons and causing damage. Antioxidants are able to give an electron to a free radical without becoming destabilized themselves, thus stopping the free radical chain reaction. "Antioxidants are natural substances whose job is to clean up free radicals. Just like fiber cleans up waste products in the intestines, antioxidants clean up the free radical waste in the cells," said Wright. Well-known antioxidants include beta-carotene and other carotenoids, lutein, resveratrol, vitamin C, vitamin E, lycopene and other phytonutrients.

Our body produces some antioxidants on its own, but an insufficient amount. Oxidative stress occurs when there is an imbalance of free radicals and antioxidants (too many free radicals and too few antioxidants), according to the Pharmacognosy Review.

Antioxidants can be acquired through diet. "Antioxidants are plentiful in fruits and vegetables, especially colorful fruits and vegetables," said Wright. "Some examples include berries, tomatoes, broccoli, spinach, nuts and green tea."

Antioxidants became well known in the 1990s when scientists began to realize the possible effects of free radicals on cancer development, atherosclerosis and other chronic conditions. During the subsequent decades, scientists have conducted many studies on the effects of antioxidants with mixed results. Wright gave a few examples. "A six-year trial, the Age-Related Eye Disease Study (AREDS), found that a combination of vitamin C, vitamin E, beta-carotene and zinc offered some protection against the development of advanced age-related macular degeneration," she said.

On the other hand, Wright mentioned that a beta-carotene trial among Finnish men who were heavy smokers found an increase in lung cancer among those taking beta-carotene supplements.

Scientists do not completely understand the mixed results from the trials or the exact mechanism that makes antioxidants effective or ineffective against free radicals, but according to Wright, the study results suggest that it is more effective and potentially safer to get antioxidants through whole foods rather than supplements.


When Plants Go to War

C ompared to the hectic rush of our bipedal world, a plant’s life may appear an oasis of tranquility. But look a little closer. The voracious appetites of pests put plants under constant stress: They have to fight just to stay alive.

And fight they do. Far from being passive victims, plants have evolved potent defenses: chemical compounds that serve as toxins, signal an escalating attack, and solicit help from unlikely allies.

However, all of this security comes at a cost: energy and other resources that plants could otherwise use for growth and repair. So to balance the budget, plants have to be selective about how and when to deploy their chemical arsenal. Here are five tactics they’ve developed to ward off their insect foes without sacrificing their own wellbeing.

Rather than pump out chemical defenses 24-7 (a waste of resources), plants hold off production until an attack is underway. As soon as an insect bites a leaf, the leaf sounds the alarm by emitting volatiles—chemical flares that tell other parts of the plant, as well as its neighbors, to start manning the barricades.

This early warning system works via a cascade of molecular events. First, it triggers the release of “jasmonate” hormones, which in turn break down proteins known as JAZ. These proteins silence genes that direct the manufacture of various toxic and protective chemicals. By eliminating JAZ, jasmonate hormones free these genes to express themselves, thus powering up a plant’s weapons assembly line.

The Decisive Moment

Have you ever looked at a macaque’s fingerprints, or the tail of an arctic tern? As a wildlife photographer, I have come to see my job as reclaiming these kinds of unusual perspectives on nature, to provide viewers with a. LEES VERDER

Plants also make use of underground networks to warn each other of impending danger. Many species have a symbiotic relationship with a soil-borne fungus, which penetrates the outer layers of a plant’s roots, feeding off its carbon stores and helping it take up vital nutrients such as nitrogen and phosphorus in return. The fungus grows by sending out long, threadlike branches called hyphae, which colonize nearby plants, forming vast underground webs.

In experiments with bean plants, when researchers placed aphids on a plant encased in a polythene bag (so it couldn’t broadcast warnings by air), other plants hooked up to the subterranean fungal web began churning out defensive compounds. Their unconnected neighbors, however, did not. The fungus appears to work like a biological Internet, carrying vital intelligence from plant to plant.

Plants also conserve resources by recruiting allies to fight some of their battles for them. Among a plant’s armaments are volatiles that beckon predators of its insect attackers.

When caterpillars graze European maize, for example, the plants emit the volatile β-caryophyllene, which attracts parasitic wasps. The wasps lay their eggs inside the caterpillars, slowing their feeding and eventually, when the eggs hatch a few weeks later, killing them. European maize also releases β-caryophyllene below ground in response to rootworm attacks. This signal drifts through pores in the soil, calling to predatory roundworms: “Dinner’s ready, come and get it!”

In some cases, however, a call for help can invite unwelcome guests. Maize varieties cultivated in the United States, for example, have lost the ability to produce β-caryophyllene, leaving them more vulnerable to insect attacks. But when researchers restored the gene responsible for producing this chemical in laboratory plants, their roots became infested with a pathogenic fungus. The fungus, it seemed, had evolved to recognize β-caryophyllene as an invitation, presenting the maize with a tough choice: Keep its wasp and worm allies, and succumb to the fungus—or take its chances against the herbivores.

Why go to the trouble of firing weapons willy-nilly when you can lure your attacker into a carefully set trap? Plants in the Brassicaceae family (including broccoli, cabbage, and mustard) store seemingly harmless compounds known as glucosinolates in cellular compartments next to stores of enzymes called myrosinase. The two reserves are separated only by a thin cell wall. When an unsuspecting herbivore chews through this wall, the myrosinase enzymes mix with the glucosinolates, catalyzing chemical reactions that engulf the attacker in a toxic cloud. (It’s these reactions that give Brassicaceae species their characteristic bitter flavors and antioxidant properties.)

Only when these booby traps are effective, however, will plants put more resources into creating them. When chewing insects such as caterpillars activate the traps, the resulting damage induces the plant to ramp up glucosinolate production. However, sucking insects such as aphids, which avoid setting off the traps by feeding through a needlelike tube, have little effect: The plant doesn’t waste resources on ineffective weapons.

Some plants have learned the communication codes of their enemies and use them to spread false information. Aphids, for example, release the pheromone β-farnesene when a predator attacks. This warning tells other aphids in the area that they’ve been rumbled and it’s time to skedaddle. Plants often emit β-farnesene during an aphid attack, perhaps in an attempt to scare off their aggressors by aping their distress call. But not just any β-farnesene signal will do.

In most cases, plants release the pheromone in a steady stream as part of a mixture of defensive volatiles, and aphids have learned to ignore it. The wild potato, however, has found a way to modify this signal to successful effect: It stores the pheromone in delicate bulbs on the ends of tiny leaf hairs. When an aphid lands on the leaf, its legs stick to the leaf’s tacky surface. As the aphid thrashes about trying to free itself, it breaks the bulbs, releasing β-farnesene in bursts that seem to mimic an aphid’s pulsed alarm call.

During a hard-fought battle, a plant must tend to its injuries. A range of compounds known as green leaf volatiles act as antiseptics, protecting damaged tissue against bacterial or fungal infection. (These volatiles, which make up the fragrance of freshly cut grass, send another warning to neighboring plants, reminding them that danger is at hand.)

An injured plant also produces traumatic acid, known as the “wound hormone,” which stimulates cell division to close up a laceration in much the same way that blood clots in an animal’s wound. These responses happen within minutes of attack: Plants begin patching themselves up while still fighting off invaders. A plant must therefore constantly decide how to divide its resources between defense and regeneration.

And as the struggle between plants and insects plays out generation after generation, each opponent is continuously revising its playbook to try to gain the upper hand. Insects, for example, are beginning to evolve antidotes to plants’ various defenses, including the ability to neutralize toxins or even steal them for their own ends, thus pressuring plants to develop new tactics. This war is a Red Queen’s arms race: Both sides are running at full tilt just to stand still.

Mike Newland is a post-doctoral research assistant at the University of East Anglia, looking at interactions between the biosphere and atmosphere.

This article first appeared online in our “Stress” issue in December, 2015.


Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion

Sun and wind provide more than enough clean energy to cover the requirements of mankind – unfortunately, however, not always where and when it is needed, and often not in a usable form. Scientists at the Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion are working on finding ways of storing such energy in chemical compounds. They investigate how energy can be efficiently converted into storable and usable forms, in particular searching for suitable catalysts for the chemical reactions necessary for this process. To this end, researchers use plants as models that directly produce sugar by harnessing the energy of light. But they also want to enhance methods such the electrolysis of water, with which excess electrical energy can be stored.

Contact

PhD opportunities

This institute has an International Max Planck Research School (IMPRS):

In addition, there is the possibility of individual doctoral research. Please contact the directors or research group leaders at the Institute.


Bekijk de video: Kesetimbangan Kimia (Januari- 2022).