Ly sinh hoc

ĐOÀN SUY NGHĨ (chủ biên)
LÊ VĂN TRỌNG
LÝ SINH HỌC
Huế 2005
Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com

LỜI NÓI ĐẦU
Ở Việt Nam và trên thế giới Lý sinh (biophysics) là môn học cơ sở được dạy trong các
trường đại học Khoa học, đai học Y - Dược, đại học Nông nghiệp, đại học Sư phạm, đại
học Thuỷ sản v.v... Hiểu được Lý sinh, cùng với một số môn khoa học cơ bản khác sẽ
hiểu được các nguyên lí của các quá trình sinh học, đặc biệt là cơ chế hoá lí và bản chất
vật lý của các hiện tượng sống. Để viết được giáo trình Lý sinh vừa bao hàm những kiến
thức cơ bản vừa cập nhật những thông tin mới, thật là một công việc hết sức khó khăn.
Nhưng với mong muốn phục vụ kịp thời kiến thức cơ bản về Lý sinh trong khuôn khổ
của dự án Giáo dục đại học mức B, chúng tôi đã mạnh dạn viết giáo trình này. Giáo trình
Lý sinh không chỉ phục vụ cho các sinh viên của các trường thuộc Đại học Huế mà còn là
tài liệu cần thiết cho những ai quan tâm đến chuyên ngành Lý sinh. Phân công nội dung:
- Mở đầu, chương 1, 2, 3, 7, 8, 9 do Tiến sỹ Đoàn Suy Nghĩ biên soạn.
- Chương 4, 5, 6 do Tiến sỹ Lê Văn Trọng biên soạn.
Để viết được giáo trình này, chúng tôi xin chân thành cảm ơn Ban dự án Giáo dục đại
học của Đại học Huế, GS. TS. Nguyễn Thị Kim Ngân và GS. TSKH. Lê Doãn Diên đã
đọc và đóng góp những ý kiến quí báu cho giáo trình này.
Để giáo trình ngày càng hoàn thiện, chúng tôi mong nhận được sự góp ý của người đọc
gần xa.
Chủ biên
Tiến sỹ: Đoàn Suy Nghĩ

MỞ ĐẦU
LÝ SINH, SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN
Sự áp dụng kiến thức vật lý vào nghiên cứu sinh học đã được thực hiện vào cuối thế kỷ
XVIII. Năm 1780 hai nhà khoa học Pháp là Lavoadie và Laplace đã tiến hành thí nghiệm
để khảo sát tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ thống sống.
Năm 1791, Galvani, giáo sư giải phẫu trường đại học Bolon (Italia) đã công bố kết quả
nghiên cứu trong quyển sách "Bàn về các lực điện động vật trong co cơ", khẳng định có
tồn tại dòng điện sinh vật. Năm 1859, Raymond đã phát hiện phần trước và phần sau cầu
mắt động vật có xương sống tồn tại một hiệu điện thế và đo được giá trị từ 10 đến 38mV,
gọi là điện thế tĩnh (hay điện thế nghỉ ngơi). Năm 1865, Holgreen phát hiện được giá trị
hiệu điện thế giữa phần trước và phần sau cầu mắt động vật có xương sống sẽ tăng lên
khi mắt được chiếu sáng. Sau này các nhà khoa học xác định, đó chính là điện thế hoạt
động (hay điện thế hưng phấn). Năm 1875, Calton khẳng định khi mắt được chiếu sáng,
không những điện cầu mắt tăng lên như Holgreen đã phát hiện mà điện ở vùng thị giác
trên bán cầu đại não cũng tăng lên. Sau này các nhà khoa học xác định đó chính là dòng
điện hưng phấn xuất hiện khi mắt được chiếu sáng, đã lan truyền theo dây thần kinh thị
giác tới vùng thị giác trên bán cầu đại não, dẫn tới hiệu ứng sinh học là cảm nhận được
ánh sáng. Năm 1922, Erlanger và Gasser dùng dao động ký âm cực để đo dòng điện hưng
phấn xuất hiện trong dây thần kinh. Năm 1922,Viện Lý sinh ở Liên Xô cũ được thành
lập.
Năm 1929, Berger ghi được điện não đồ của động vật. Lịch sử hình thành Lý sinh đã
được Taruxop, giáo sư trường Đai học tổng hợp Lomonoxop khẳng định: "Lý sinh được
xem như là một khoa học bắt đầu được hình thành từ thế kỷ XIX".
Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển mạnh mẽ những nghiên cứu khoa học về Lý sinh trong
các lĩnh vực: Nhiệt động học, động học của các quá trình sinh vật, vận chuyển chất qua
màng tế bào, quang sinh học và phóng xạ sinh học v.v...
Thời kỳ đầu Lý Sinh được xác định như là một ngành khoa học nghiên cứu các hiện
tượng vật lý trong hệ thống sống. Sau đó Lý sinh được xác định như là một ngành khoa
học nghiên cứu các cơ chế vật lí, đặc biệt là cơ chế hoá lý của các quá trình xảy ra trong
hệ thống sống ở mức độ phân tử, tế bào, mô và cơ thể.
Bước sang thế kỷ XXI, hàng loạt vấn đề đang được đặt ra cho các nhà Lý sinh cần phải
nghiên cứu. Đó là năng lượng sinh học, sự chuyển hoá năng lượng và sử dụng năng
lượng của hệ thống sống? Bản chất và cơ chế hình thành điện thế sinh vật? Hiện tượng
phân cực ở trong hệ thống sống xảy ra như thế nào và có gì khác so với ở hệ vật lý ? Bản
chất của quá trình hưng phấn là vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu.
Các chỉ số đặc trưng về vật lý và hoá lý đối với tế bào, mô, cơ quan, cơ thể có mối liên
quan như thế nào trong hệ thống tiến hoá ? Vấn đề tự điều chỉnh các quá trình sinh học
của cơ thể sống trước những thay đổi của yếu tố môi trường cũng đang được các nhà Lý
sinh quan tâm nghiên cứu. Sinh học phóng xạ hiện đang thu hút nhiều nhà khoa học đi
sâu nghiên cứu nhằm phục vụ cho công tác chọn giống mới, bảo quản lương thực, thực
phẩm, công cuộc chinh phục vũ trụ, sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hoà bình

và không loại trừ khả năng có cuộc chạy đua vũ trang trong việc nắm giữ "đòn hạt nhân
đầu tiên" với tham vọng bá quyền thế giới ?

Chương 1
NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT
I. Nhiệt động học hệ sinh vật và hướng nghiên cứu
Nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu hiệu ứng năng lượng, sự chuyển hoá
giữa các dạng năng lượng, khả năng tiến triển, chiều hướng và giới hạn tự diễn biến của
các quá trình xảy ra trong hệ thống sống.
Cơ thể sống trong quá trình sinh trưởng và phát triển đều có sử dụng năng lượng vì vậy
nhiệt động học hệ sinh vật là lĩnh vực cần được nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu của
nhiệt động học hệ sinh vật là cơ thể sống, đó là một hệ mở do luôn xảy ra sự trao đổi vật
chất và năng lượng với môi trường xung quanh, có khả năng tự điều chỉnh, tự sinh sản...
nên khác với hệ vật lí như chất rắn, chất lỏng hay chất khí... Hiện nay nhiệt động học hệ
sinh vật có các hướng nghiên cứu chủ yếu sau:
- Nghiên cứu sự chuyển biến năng lượng ở mức độ phân tử, tế bào, mô, cơ quan hay toàn
bộ cơ thể khi ở trạng thái sinh lý bình thường và trạng thái đang hoạt động. Xác định hiệu
suất sử dụng năng lượng của các quá trình sinh vật và năng lượng liên kết trong các liên
kết của các cao phân tử sinh học.
- Nghiên cứu tính chất nhiệt động của các quá trình diễn ra trong cơ thể sống như quá
trình khuyếch tán, thẩm thấu, vận chuyển tích cực...
- Nghiên cứu cơ chế tác động của sự thay đổi các yếu tố môi trường lên quá trình chuyển
hoá năng lượng và sự trao đổi năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường.
II. Một số khái niệm và đại lượng cơ bản
- Hệ: Hệ là một vật thể hay một nhóm vật thể được dùng làm đối tượng để nghiên cứu.
Ví dụ khi chọn cá thể để nghiên cứu thì cá thể là một hệ còn khi chọn quần thể để nghiên
cứu thì quần thể là một hệ.
- Hệ cô lập: Là hệ không có sự trao đổi vật chất và năng lượng giữa hệ với môi trường
xung quanh. Trên thực tế khó xác định được một hệ cô lập hoàn toàn nhưng ở qui mô thí
nghiệm các nhà khoa học có thể thiết kế được hệ cô lập như bom nhiệt lượng dùng để
nghiên cứu hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hóa.
- Hệ kín: Là hệ không trao đổi vật chất với môi trường xung quanh nhưng có trao đổi
năng lượng với môi trường xung quanh.
- Hệ mở: Là hệ có trao đổi cả vật chất và năng lượng với môi trường xung quanh. Ví dụ:
cơ thể sống là một hệ mở.
- Tham số trạng thái: Là các đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một hệ, ví dụ như
nhiệt độ, áp suất, thể tích, nội năng, entropi...
- Trạng thái cân bằng: Là trạng thái trong đó các tham số trạng thái đạt một giá trị nhất
định và không đổi theo thời gian.
- Quá trình cân bằng: Là quá trình trong đó các tham số trạng thái thay đổi với tốc độ
chậm tới mức sao cho tại mỗi thời điểm có thể xem như trạng thái của hệ là trạng thái cân
bằng.
- Quá trình đẳng nhiệt, đẳng áp, đẳng tích là quá trình diễn ra trong đó nhiệt độ, áp suất
và thể tích luôn không đổi trong suốt quá trình diễn ra.

- Quá trình thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu không
kèm theo bất cứ một sự biến đổi nào của môi trường xung quanh.
- Quá trình bất thuận nghịch: Là quá trình biến đổi mà khi trở về trạng thái ban đầu làm
thay đổi môi trường xung quanh.
- Hàm trạng thái: Một đại lượng được xem là một hàm trạng thái, đặc trưng cho trạng
thái của hệ, khi sự biến thiên giá trị của nó trong bất cứ quá trình nào cũng chỉ phụ thuộc
vào giá trị đầu và giá trị cuối mà không phụ thuộc vào con đường chuyển biến. Nội năng
(U), năng lượng tự do (F), thế nhiệt động (Z hay G), entanpi (H), entropi (S) là những
hàm trạng thái.
- Năng lượng: Năng lượng là đại lượng có thể đo được, có thể biến đổi một cách định
lượng luôn theo cùng một tỉ lệ thành nhiệt lượng. Năng lượng phản ánh khả năng sinh
công của một hệ. Đơn vị dùng để đo năng lượng là Calo (Cal) hay Joule (J).
- Công và nhiệt: Đó là hai hình thức truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác. Nếu như
sự truyền năng lượng từ hệ này sang hệ khác gắn liền với sự di chuyển vị trí của hệ thì sự
truyền đó được thực hiện dưới dạng công. Ví dụ khi chạy 100 mét thì năng lượng tiêu tốn
đã được dùng vào thực hiện công để di chuyển vị trí. Nếu sự truyền năng lượng từ hệ này
sang hệ khác làm tăng tốc độ chuyển động của phân tử ở hệ nhận năng lượng thì sự
truyền đó được thực hiện dưới dạng nhiệt.
Công và nhiệt là hàm số của quá trình vì chúng đều phụ thuộc vào cách chuyển biến.
- Nội năng: Nội năng của một vật thể bao gồm động năng của các phân tử chuyển động
và thế năng tương tác do sự hút và đẩy lẫn nhau giữa các phân tử cùng với năng lượng
của hạt nhân nguyên tử và năng lượng của các điện tử.
III. Định luật I nhiệt động học và những hệ quả của nó
Định luật I nhiệt động học được hình thành qua các công trình nghiên cứu của các tác
giả như M. V. Lomonoxob (1744), G. I. Heccer (1836), R. Majo (1842), Helmholtz
(1849), Joule (1877)... Định luật I nhiệt động học được phát biểu như sau:
"Trong một quá trình nếu năng lượng ở dạng này biến đi thì năng lượng ở dạng khác sẽ
xuất hiện với lượng hoàn toàn tương đương với giá trị của năng lượng dạng ban đầu".
Định luật I nhiệt động học bao gồm hai phần:
- Phần định tính khẳng định năng lượng không mất đi mà nó chỉ chuyển từ dạng này sang
dạng khác.
- Phần định lượng khẳng định giá trị năng lượng vẫn được bảo toàn (tức giữ nguyên giá
trị khi qui đổi thành nhiệt lượng) khi chuyển từ dạng năng lượng này sang dạng năng
lượng khác. Giá trị năng lượng chỉ được bảo toàn khi quá trình xảy ra là quá trình thuận
nghịch và hiệu suất của quá trình đạt 100%. Đối với quá trình bất thuận nghịch, hiệu suất
của quá trình nhỏ hơn 100% thì ngoài phần năng lượng truyền cho hệ phải cộng thêm
phần năng lượng đã toả ra môi trường xung quanh.
Biểu thức toán học của định luật I nhiệt động học: Một hệ cô lập ở trạng thái ban đầu có
nội năng U1, nếu cung cấp cho hệ một nhiệt lượng Q thì một phần nhiệt lượng hệ sử dụng
để thực hiện công A, phần còn lại làm thay đổi trạng thái của hệ từ trạng thái ban đầu có
nội năng U1 sang trạng thái mới có nội năng U2 (U2>U1). Từ nhận xét trên ta có biểu
thức:
Q = ΔU + A (1.1)

Trong đó ΔU = U2 - U1
Công thức (1.1) có thể viết dưới dạng:
ΔU = U1 - U1 = Q - A (1.2)
Đối với quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, phương trình (1.2) có thể viết dưới dạng:
dU = δQ - δA (1.3)
dU: Chỉ sự biến đổi nội năng, là hàm số trạng thái
δQ và δA: Chỉ sự biến đổi nhiệt và công, là hàm số của quá trình.
Từ biểu thức (1.2), định luật I nhiệt động học có thể phát biểu như sau:
"Sự biến thiên nội năng của hệ bằng nhiệt lượng do hệ nhận được trừ đi công do hệ đã
thực hiện".
Từ định luật I nhiệt động học dẫn đến các hệ quả sau đây:
- Nếu hệ biến đổi theo một chu trình kín (có trạng thái đầu và trạng thái cuối trùng nhau)
thì nội năng của hệ sẽ không thay đổi (U2 = U1→ΔU = 0).
- Khi cung cấp cho hệ một nhiệt lượng, nếu hệ không thực hiện công thì toàn bộ nhiệt
lượng mà hệ nhận được sẽ làm tăng nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu A = 0 → U2 - U1 = Q. Hệ nhận nhiệt nên Q > 0 →
U2 - U1 = Q > 0 → U2 > U1.
- Khi không cung cấp nhiệt lượng cho hệ mà hệ muốn thực hiện công thì chỉ có cách là
làm giảm nội năng của hệ.
Theo (1.2) ΔU = U2 - U1 = Q - A, nếu Q = 0 → U2 - U1 = -A
→ A = U1 - U2. Hệ muốn thực hiện công, tức A > 0
→ U1 - U2 > 0 → U1 > U2. Sau khi thực hiện công (tức A > 0), nội năng của hệ đã giảm
từ U1 xuống U2 nhỏ hơn.
- Hệ thực hiện theo chu trình kín, nếu không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ sẽ không
có khả năng sinh công.
Theo (1.2) ΔU = Q - A, nếu hệ thực hiện theo chu trình kín, theo hệ quả 1 thì ΔU = 0 →
Q - A = 0 → Q = A
Do vậy, nếu Q = 0, tức không cung cấp nhiệt lượng cho hệ thì hệ cũng không có khả
năng sinh công, tức A = 0. Hệ quả này, có thể phát biểu dưới dạng: "Không thể chế tạo
được động cơ vĩnh cửu loại một, là loại động cơ không cần cung cấp năng lượng nhưng
vẫn có khả năng sinh công".
IV. Định luật Heccer
Được Heccer tìm ra năm 1836, sau này được các nhà khoa học xếp thuộc vào hệ quả của
định luật I nhiệt động học. Định luật Heccer phát biểu như sau: "Hiệu ứng nhiệt của các
phản ứng hoá học chỉ phụ thuộc vào dạng và trạng thái của chất đầu và chất cuối mà
không phụ thuộc vào cách chuyển biến".
Ví dụ: Phản ứng tạo khí CO2 từ than nguyên chất là cacbon (C) có thể tiến hành theo 2
cách sau:
Cách 1: Đốt trực tiếp than nguyên chất thành khí CO2 sẽ giải phóng nhiệt lượng là Q1.
Phản ứng xảy ra:

C + O2 → CO2 + Q1
Cách 2: Chuyển than nguyên chất thành CO theo phản ứng:
C +
2
1
O2 → CO + Q2
Từ CO chuyển tiếp thành CO2 theo phản ứng:
CO +
2
1
O2 → CO2 + Q3
Sơ đồ minh hoạ:
C
Q2 Q3
CO
Q1
CO2
Theo định luật Heccer, chất đầu tham gia phản ứng (C) và sản phẩm của phản ứng (CO2)
giống nhau nên có hiệu ứng nhiệt giống nhau:
Q1 = Q2 + Q3
Trong thực nghiệm, hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt than thành CO không thể đo trực
tiếp được vì khi than cháy không bao giờ chỉ cho CO mà còn cho một ít CO2. Nhưng thực
nghiệm lại đo trực tiếp được
Q1 = 97 KCal/M và Q3 = 68 KCal/M.
Từ đó dễ dàng suy ra giá trị
Q2 = Q1 - Q3 = 97 KCal - 68 KCal
Q2 = 29 KCal/M.
Định luật Heccer có ý nghĩa rất quan trọng đối với hệ sinh vật. Trong hệ sinh vật diễn ra
nhiều phản ứng phức tạp, cho đến nay vẫn còn nhiều phản ứng trung gian chưa có thể đo
trực tiếp được hiệu ứng nhiệt. Dựa vào định luật Heccer có thể giải quyết được khó khăn
này.
V. Định luật I nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật
Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm để chứng minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt
động học khi áp dụng vào hệ thống sống là hai nhà khoa học Pháp Lavoisier và Laplace
vào năm 1780. Đối tượng thí nghiệm là chuột khoang. Thí nghiệm cách ly cơ thể khỏi
môi trường bên ngoài bằng cách nuôi chuột trong nhiệt lượng kế ở nhiệt độ 0o
C. Dùng
một lượng thức ăn đã xác định trước để nuôi chuột thí nghiệm.
Trong cơ thể chuột sẽ diễn ra các phản ứng phân huỷ thức ăn tới sản phẩm cuối cùng là
khí CO2 và H2O, đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng Q1. Nếu coi ở điều kiện 0o
C, chuột
đứng yên, không thực hiện công mà chỉ sử dụng nhiệt lượng giải phóng ra do oxy hoá

thức ăn để cung cấp nhiệt lượng cho cơ thể và tỏa nhiệt ra môi trường, qua nhiệt kế đo
được sự tăng nhiệt độ, theo công thức sẽ tính được nhiệt lượng Q1. Đồng thời lấy một
lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn đã cho chuột ăn trước khi thí nghiệm đem
đốt cháy trong bom nhiệt lượng kế cũng tới khí CO2 và H2O, giải phóng ra nhiệt lượng
Q2. So sánh hai kết quả thí nghiệm thấy giá trị Q1 tương đương với Q2. Điều này chứng tỏ
nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống hoàn toàn
tương đương với nhiệt lượng giải phóng ra từ các phản ứng ôxy hoá diễn ra ở ngoài cơ
thể sống. Nói cách khác, hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở trong cơ thể
sống và hiệu ứng nhiệt của quá trình ôxy hoá chất diễn ra ở ngoài cơ thể sống là hoàn
toàn tương đương.
Để tăng độ chính xác của thí nghiệm, sau này có nhiều mô hình thí nghiệm của nhiều
nhà nghiên cứu được tiến hành nhưng đáng chú ý nhất là của Atwater và Rosa vào năm
1904.
Đối tượng thí nghiệm là người và thời gian thí nghiệm là một ngày đêm (24 giờ). Trong
thời gian thí nghiệm, cho người tiêu thụ một lượng thức ăn nhất định, thông qua đo lượng
khí ôxy hít vào (hay khí CO2 thở ra), nhiệt thải ra từ phân và nước tiểu... sẽ tính được
hiệu ứng nhiệt của các phản ứng phân huỷ thức ăn diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ.
Đồng thời đốt lượng thức ăn tương đương với lượng thức ăn mà người đã tiêu thụ ở trong
bom nhiệt lượng kế sẽ đo được nhiệt lượng toả ra. Kết quả thí nghiệm:
Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng diễn ra ở cơ thể người trong 24 giờ:
Nhiệt lượng toả ra xung quanh : 1374 KCal
Nhiệt lượng toả ra do thở ra : 181 KCal
Nhiệt lượng toả ra do bốc hơi qua da: 227 KCal
Nhiệt do khí thải ra : 43 KCal
Nhiệt toả ra từ phân và nước tiểu : 23 KCal
Hiệu đính (do sai số) : 31 KCal
Tổng cộng nhiệt lượng thải ra : 1879 KCal
Nhiệt lượng do thức ăn cung cấp:
56,8 gam Protein : 237 KCal
79,9 gam Gluxit : 335 KCal
140,0 gam Lipit : 1307 KCal
Tổng cộng : 1879 KCal
Lưu ý: Khi ôxy hoá 1 gam Protein ở trong bom nhiệt lượng kế tới khí CO2 và H2O, giải
phóng ra 5,4 KCal còn trong cơ thể sống phân giải 1 gam Protein tới urê chỉ giải phóng
khoảng 4,2 KCal. Khi oxy hoá hoàn toàn 1 gam Gluxit, giải phóng khoảng 4,2 KCal còn
ôxy hoá hoàn toàn 1 gam Lipit giải phóng từ 9,3 đến 9,5 KCal.
Kết quả thí nghiệm của Atwater và Rosa khẳng định năng lượng chứa trong thức ăn sau
khi cơ thể tiêu thụ đã chuyển thành năng lượng giải phóng thông qua quá trình phân giải
bởi các phản ứng hoá sinh diễn ra trong cơ thể sống. Năng lượng chứa trong thức ăn và
năng lượng giải phóng ra sau khi cơ thể phân giải thức ăn là hoàn toàn tương đương.
Nhiệt lượng trong cơ thể người được chia làm hai loại là nhiệt lượng cơ bản (hay nhiệt
lượng sơ cấp) và nhiệt lượng tích cực (hay nhiệt lượng thứ cấp). Nhiệt lượng cơ bản xuất
hiện ngay sau khi cơ thể hấp thụ thức ăn và tiêu thụ ôxy để thực hiện phản ứng ôxy hoá

đồng thời giải phóng ra nhiệt lượng. Ví dụ khi cơ thể hấp thụ 1 phân tử gam (tức 1M)
glucose, lập tức xảy ra phản ứng ôxy hoá đường và giải phóng ra 678 KCal (nhiệt lượng
cơ bản). Cơ thể sẽ sử dụng nhiệt lượng cơ bản vào các hoạt động sống, nếu còn dư sẽ
được tích luỹ vào ATP. Phần nhiệt lượng tích luỹ vào các hợp chất cao năng gọi là nhiệt
lượng tích cực. Trong cơ thể sống, nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực có liên
quan với nhau. Nếu nhiệt lượng cơ bản nhiều mà cơ thể sử dụng ít thì nhiệt lượng tích
cực sẽ tăng lên. Nếu nhiệt lượng cơ bản không có thì không những nhiệt lượng tích cực
bằng không mà cơ thể phải phân giải ATP, giải phóng ra năng lượng để cung cấp cho các
hoạt động sống. Ở trạng thái sinh lý bình thường, cơ thể sống sẽ duy trì mối tương quan
nhất định giữa nhiệt lượng cơ bản và nhiệt lượng tích cực. Ở mức độ tế bào, có khoảng
50% năng lượng của chất dinh dưỡng được tích luỹ vào ATP.
VI. Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp và nguyên tắc hoạt động của cơ thể
sống
Phương pháp đo nhiệt lượng của Lavoadie và Laplace dùng trong thí nghiệm chứng
minh tính đúng đắn của định luật I nhiệt động học khi áp dụng vào hệ sinh vật, gọi là
phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp. Cơ sở của phương pháp này là dựa vào lượng khí
ôxy tiêu thụ hoặc lượng khí CO2 do cơ thể thải ra ở động vật máu nóng (động vật có vú
và người), có liên quan chặt chẽ với nhiệt lượng chứa trong thức ăn.
Ví dụ: Quá trình ôxy hóa glucose, phản ứng diễn ra như sau:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 678 KCal
(180gam) (134,4l) (134,4l)
Từ phản ứng trên cho thấy cứ ôxy hoá hoàn toàn 1 phân tử gam glucose thì cần phải
tiêu thụ 6 phân tử gam ôxy đồng thời thải ra 6 phân tử gam khí CO2 và giải phóng ra
678 KCal. Ở điều kiện tiêu chuẩn, mỗi phân tử gam chất khí đều chứa 22,4 lít. Do vậy 6
phân tử gam ôxy hoặc CO2 đều chứa: 6 x 22,4 lít = 134,4 lít.
Từ đó suy ra, cơ thể cứ tiêu thụ 1 lít O2 để ôxy hoá hoàn toàn một phân tử gam glucose
đồng thời thải ra 1 lít CO2 thì kèm theo giải phóng một nhiệt lượng là: 678 KCal:
134,4 lít = 5,047 KCal/lít và gọi là đương lượng nhiệt của ôxy. Dựa vào phương pháp
nhiệt lượng kế gián tiếp, có thể xác định được sự thải nhiệt của bất kì động vật máu nóng
nào thông qua số lít ôxy tiêu thụ (hoặc số lít CO2 thải ra). Từ phản ứng ôxy hóa glucose ở
trên và sau này áp dụng chung cho Gluxit khi ôxy hoá hoàn toàn sẽ giải phóng ra nhiệt
lượng được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 ( hoặc số lít CO2) x 5,047 (1.4)
Khi ôxy hóa Protein, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,46 (1.5)
Khi ôxy hoá Lipit, nhiệt lượng giải phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,74 (1.6)
Mối quan hệ giữa thức ăn, số lít O2 tiêu thụ và số lít CO2 thải ra cùng đương lượng nhiệt
của ôxy được thể hiện qua bảng 1.1.
Bảng 1.1: Đương lượng nhiệt của ôxy đối với các loại thức ăn.
Thức ăn
Số lít O2 cần để
ôxy hoá 1 gam
thức ăn
số lít CO2 thải ra
sau khi ôxy hoá
1g thức ăn
Đương lượng
nhiệt của ôxy

Gluxit 0,83 0,83 5,047
Protein 0,97 0,77 4,46
Lipit 2,03 1,42 4,74
Đối với thức ăn hỗn hợp gồm cả Gluxit, Protein và Lipit khi bị ôxy hoá, nhiệt lượng giải
phóng ra được tính theo công thức:
Q(KCal) = số lít O2 x 4,825 (1.7)
Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp còn có thể xác định được nhiệt lượng giải phóng ra
khi ôxy hoá thức ăn thông qua:
Thương số hô hấp là tỉ lệ khí CO2 trên khí O2.
Thương số hô hấp cũng thay đổi tuỳ thuộc vào loại thức ăn được ôxy hoá.
- Đối với phản ứng ôxy hoá glucose
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O
Số lít khí CO2 6 x 22,4 lít
Thương số hô hấp = Số lít O2
=
6 x 22,4 lít
= 1
Thương số hô hấp của glucose được sử dụng cho cả Gluxit.
- Đối với phản ứng ôxy hóa Lipit có thương số hô hấp bằng 0,7, đối với Protein bằng 0,8
còn với thức ăn hỗn hợp có giá trị nằm trong khoảng từ 0,85 đến 0,9.
Thương số hô hấp có liên quan với đương lượng nhiệt của ôxy, thể hiện qua bảng 1.2.
Bảng 1.2: Thương số hô hấp (TS hô hấp) và đương lượng nhiệt của ôxy (ĐLN của ôxy)
TS hô hấp 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
ĐLN của ôxy 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,05
Khi ôxy hoá thức ăn, bằng cách đo lượng khí O2 tiêu thụ và lượng khí CO2 thải ra (đơn vị
là lít), tính được thương số hô hấp. Dựa vào bảng 1.2, lấy giá trị đương lượng nhiệt của
ôxy tương ứng với thương số hô hấp nhân với số lít O2 tiêu thụ sẽ biết được nhiệt lượng
giải phóng (còn gọi là lượng nhiệt trao đổi hay trị số trao đổi năng lượng).
Ví dụ: Nếu thương số hô hấp là 0,85 thì có đương lượng nhiệt của ôxy là 4,862 và biết cơ
thể tiêu thụ 20 lít O2 thì trị số trao đổi năng lượng sẽ là:
4,862 x 20 lít O2 = 97,24 KCal
VII. Phân biệt nguyên tắc hoạt động của cơ thể sống với máy nhiệt
Máy nhiệt là động cơ dùng nhiên liệu đốt như dầu Diedel, xăng để sinh công như máy
nổ ôtô, xe máy, máy bơm nước... Trong cơ học, hiệu suất sử dụng năng lượng của một
cái máy nhiệt, được tính theo công thức:
2
12
T
TT −
=η (1.8)
η: Hiệu suất của máy nhiệt (%)
T1: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái đầu (o
K)
T2: Nhiệt độ Kelvin ở trạng thái cuối (o
K)

Công thức chuyển đổi giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ bách phân (o
C):
T(o
K) = t(o
C) + 273 (1.9)
Giả sử hiệu suất sử dụng năng lượng của một máy nhiệt đạt trung bình là
33% = 33/100 ≈ 1/3
Nếu ta cũng giả sử cơ thể sống hoạt động giống như một máy nhiệt, tức là cũng có hiệu
suất sử dụng năng lượng là 33% ?
Nhiệt độ ban đầu của cơ thể người là 37o
C, theo công thức (1.9) tính ra:
T1 = 37 + 273 = 310o
K
Thay η = 33% ≈
3
1
và T1 = 310o
K vào công thức (1.8) sẽ được:
2
o
2
T
K310T
3
1 −
= → 3.(T2 - 310o
K)=T2
2T2 = 930o
K → T2 = 465o
K
Áp dụng công thức (1.9) ta có:
465 = t2(o
C) + 273 → t2 = 465 - 273 = 192o
C
Kết quả trên cho thấy cơ thể sống hoạt động không giống như một máy nhiệt. Đối với cơ
thể sống, Protein bị biến tính ngay ở nhiệt độ từ 40o
C đến 60o
C còn ở 192o
C thì không có
một sinh vật nhân chuẩn nào có thể sống được. Điều đó khẳng định cơ thể sống hoạt
động không giống như một máy nhiệt mà hoạt động theo nguyên lý của các quá trình sinh
học.
VIII. Định luật II nhiệt động học
Định luật I nhiệt động học chỉ cho biết về sự biến đổi giữa các dạng năng lượng khác
nhau, cho phép xác định biểu thức chỉ rõ sự liên quan về lượng giữa các dạng năng lượng
khác nhau khi xuất hiện trong một quá trình cho trước. Song định luật I nhiệt động học
không cho biết quá trình khi nào có thể xảy ra hoặc không xảy ra và chiều hướng diễn
biến của quá trình nếu xảy ra thì theo chiều hướng nào? Định luật II nhiệt động học xác
định được chiều hướng tự diễn biến của một quá trình cũng như cho biết quá trình tự diễn
biến đến khi nào thì dừng lại và cho phép đánh giá khả năng sinh công của các hệ nhiệt
động khác nhau.
Định luật II nhiệt động học có ba cách phát biểu.
Cách phát biểu thứ nhất còn gọi là tiên đề Clausius đưa ra 1850: "Nhiệt không thể tự
động truyền từ vật lạnh sang vật nóng". Từ đó suy ra rằng nhiệt nói riêng còn những quá
trình nhiệt động nói chung chỉ có thể tự diễn ra nếu xảy ra sự truyền năng lượng từ mức
độ cao đến mức độ thấp, tức là theo chiều gradien. Gradien của một thông số đặc trưng
cho một tính chất nào đó về trạng thái của hệ (như nồng độ) được xác định bằng hiệu số
giá trị của thông số đó ở tại hai điểm chia cho khoảng cách giữa hai điểm đó.
Ví dụ: Giả sử tại vị trí 1 có nồng độ là C1 còn ở vị trí 2 có nồng độ là C2 và C1 > C2 thì
hiệu số nồng độ sẽ là C1 - C2 còn hiệu số khoảng cách là x2 - x1. Đặt ΔC = C1 - C2 và Δx
= x2 - x1 thì gradien nồng độ được xác định:
12
21
xx
CC
x
C
−
−
=
Δ
Δ
(1.10) C1
xB
1 xB
2
C2
• •
>

Gradien là một đại lượng vectơ, có giá trị về hướng và giá trị độ lớn.
Khi so sánh một tế bào sống với một vật vô sinh như một hạt cát ta thấy rõ ngay rằng
trong tế bào sống duy trì nhiều loại gradien khác nhau. Gradien màng để duy trì điện thế
tĩnh và điện thế hoạt động, gradien nồng độ để duy trì nồng độ, gradien áp suất thẩm thấu
để duy trì lượng nước trong tế bào... Nếu tế bào chết thì các loại gradien cũng bị triệt tiêu.
Nếu xét ở mức độ gradien thì sự sống của tế bào luôn kèm theo sự tồn tại của các loại
gradien.
Cách phát biểu thứ hai do Thomson phát triển tiên đề của Clausius "Không thể có một
quá trình biến đổi chuyển toàn bộ nhiệt lượng thành công".
Theo cách phát biểu của Thomson thì hiệu suất hữu ích của quá trình bao giờ cũng nhỏ
hơn 1 (tức η < 1). Điều này có nghĩa trong tự nhiên không có một quá trình nào có thể
chuyển toàn bộ nhiệt lượng được cung cấp thành công hữu ích. Đối với các quá trình diễn
ra trong hệ thống sống có tuân theo cách phát biểu của Thomson hay không? Vấn đề này
sẽ đề cập đến ở phần sau.
Cách phát biểu thứ ba trên cơ sở ý kiến của Planck, cho rằng Entropi là một tiêu chuẩn
đầy đủ và cần thiết để xác định tính thuận nghịch và không thuận nghịch của bất cứ quá
trình vật lí nào diễn ra trong thiên nhiên. Định luật II nhiệt động học phát biểu như sau:
"Đối với hệ cô lập, mọi quá trình trong tự nhiên đều diễn biến theo chiều tăng của
entropi". Vậy entropi là gì? Để hiểu rõ đại lượng này ta xét ví dụ về nguyên lý hoạt động
của máy nhiệt.
Theo hình 1.1, nguyên lý hoạt động của máy nổ như sau:
Máy chỉ có khả năng sinh công A (tức bánh đã quay)
khi được cung cấp năng lượng là xăng. Khi xăng bị đốt
cháy có nhiệt độ là T1 và giải phóng nhiệt lượng là Q1.
Một phần của nhiệt lượng Q1 dùng để sinh công, phần
còn lại đã truyền cho nguồn nước làm lạnh máy là Q2,
dẫn đến làm tăng nhiệt độ của nước là T2. Ở đây Q1>Q2
và T1>T2
Theo (1.8) thì hiệu suất hữu ích của quá trình thuận
nghịch được xác định theo công thức:
1
21
1
21
1 T
TT
Q
QQ
Q
A −
=
−
==η (1.11)
Nguồn cung cấp nhiệt
Nguồn thu nhiệt
Máy sinh
công
Q1
T2
T1
Q2
Cân bằng phương trình ta có:
T1(Q1-Q2)=Q1(T1-T2) → T1Q1-T1Q2=Q1T1-Q1T2
Giản ước ta được: T1Q2=Q1T2 hay
2
2
1
1
T
Q
T
Q
= (1.12)
Hình 1.1: Nguyên lý
hoạt động của máy nổ
Từ vật lý học cho biết sự thay đổi entropi của một hệ được xác định theo công thức:
T
Q
S =Δ (1.13)
ΔS: sự thay đổi entropi của hệ.

Q: Nhiệt lượng cung cấp cho hệ (calo)
T: Nhiệt độ Kelvin (o
K) của hệ
Đối với quá trình biến thiên vô cùng nhỏ, ta có:
T
Q
dS
δ
= (1.14)
Đơn vị của entropi là Cal/M.độ
Entropi là một hàm trạng thái nên nó chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối
cùng của hệ.
Công thức (1.12) có thể biểu diễn qua hàm entropi như sau:
2
2
2
1
1
1
T
Q
S;
T
Q
S ==
S1: Entropi ở trạng thái đầu
S2: Entropi ở trạng thái cuối
Đối với quá trình thuận nghịch theo công thức (1.12) ta có:
S1=S2 → S = Const (hằng số) (1.15)
Trong một hệ nếu chỉ xảy ra các quá trình thuận nghịch thì hệ luôn duy trì ở trạng thái
cân bằng nên entropi của hệ là không đổi. Đối với quá trình không thuận nghịch thì
T
Q
S >Δ vì nhiệt lượng cung cấp cho hệ không chỉ làm thay đổi entropi của hệ mà còn
làm thay đổi entropi của môi trường xung quanh do sự ma sát và tỏa nhiệt. Thực nghiệm
đã xác định đối với một quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ ở trạng cuối (tức
S2) bao giờ cũng lớn hơn so với entropi của hệ ở trạng thái đầu (tức S1). Do vậy:
S2-S1>0 (1.16)
Trong một hệ xảy ra các quá trình không thuận nghịch thì entropi của hệ bao giờ cũng
tăng lên. Do vậy, nếu là hệ cô lập thì các quá trình xảy ra trong hệ sẽ tiến triển theo chiều
tăng của entropi và entropi của hệ sẽ đạt giá trị cực đại ở trạng thái cân bằng nhiệt động.
Tính chung cho cả quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch thì sự thay đổi entropi
của hệ có thể viết như sau:
ΔS ≥ 0 (1.17)
Đối với quá trình thay đổi entropi vô cùng nhỏ (gọi là quá trình vi phân) thì: dS ≥ 0
(1.18)
(Dấu bằng dùng cho quá trình thuận nghịch còn dấu lớn hơn dùng cho quá trình không
thuận nghịch). Vật thể
Q
A
B
Hệ cô lập
Ví dụ 1: Hệ cô lập gồm vật thể A và vật thể B. Vật
thể A có nhiệt độ là TA còn vật thể B có nhiệt độ là
TB. Giả sử T
Vật thể
B
A>TBB thì theo định luật II nhiệt động
học vật A sẽ truyền cho vật B một nhiệt lượng là Q.
Sự thay đổi entropi của vật A do mất nhiệt là:
dSA=
AT
Q
− còn sự thay đổi entropi của vật B do

nhận nhiệt là dSB=B
BT
Q
(dấu trừ chỉ entropi của vật
A bị giảm).
Sự thay đổi entropi của toàn hệ được xác định:
dS=dSA+dSB=B
BT
Q
AT
Q
− =
BA
BA
T.T
)T(TQ −
100o
C
Cục nước
đá (0o
C)
Hệ cô lập
Thùng dầu
Lớp cách
nhiệt hoàn
toàn
Vì TA>TB nên TB
A-TBB>0 suy ra dS>0
Ví dụ 2: Ngâm cục nước đá có nhiệt độ là
0o
C (tức tính ra nhiệt độ Kelvin là:
T1=273+0o
C=273o
K) vào trong thùng dầu
có nhiệt là 100o
C.
(tức T2=273+100=373o
K).
Nhiệt độ sẽ tự động truyền từ dầu sang cục nước đá qui ra nhiệt lượng là Q. Thực nghiệm
xác định được Q=80cal.
Dầu cung cấp nhiệt nên sự thay đổi entropi của dầu
là:
dSD= 214,0
373
80
−=− cal/độ (bị giảm đi).
Cục nước đá nhận nhiệt nên sự thay đổi entropi của nước đá là:
dDĐ=
273
80
=0,293cal/độ.
Sự thay đổi entropi của hệ (gồm dầu và cục nước đá) sẽ là:
dShệ= dSD+dSĐ = 0,293cal/độ - 0,214cal/dộ = 0,079cal/độ > 0
Nhận xét: Đối với hệ cô lập, quá trình truyền nhiệt tự diễn biến theo chiều tăng của
entropi. Điều này minh chứng cho tính đúng đắn của định luật II nhiệt động học.
IX. Tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học
Định luật II nhiệt động học có tính chất thống kê nên độ chính xác phụ thuộc vào số phân
tử có trong hệ. Trạng thái ít trật tự (tức có entropi lớn) có xác suất cao hơn trạng thái có
trật tự cao (tức có entropi nhỏ). Giữa entropi và xác suất nhiệt động có mối quan hệ như
thế nào?
Năm 1896 Boltzmann là người đầu tiên tìm được mối liên quan giữa entropi và xác suất
nhiệt động qua phương trình:
S = klnW (1.19)
S: Entropi của hệ k: Hằng số Boltzmann bằng 1,38.10-16
ec/độ
W: Xác suất nhiệt động
Để hiểu rõ tính chất thống kê của định luật II nhiệt động học, ta xét ví dụ: Trong 1 bình
có 6 phân tử được đánh số từ số 1 đến số 6. Ta ngăn bình thành 2 phần: phía bên phải
không có phân tử nào cả.
- Thời điểm ban đầu:
Bên trái Bên phải
1 2
3 4
5 6
Thành ngăn

Sau khi bỏ thành ngăn do chuyển động nhiệt của các phân tử nên các phân tử sẽ chuyển
động trong toàn bộ thể tích của bình tạo nên tất cả có 26
= 64
- Kiểu phân bố 5 phân tử ở bên trái bình còn 1 phân tử ở bên phải bình (có 6 kiểu phân
bố).
2
3 4
5 6
Kiểu 1
1 1 2
4
5 6
Kiểu 3
3
1
3 4
5 6
Kiểu 2
2
1 2
3 4
5
Kiểu 6
6
1 2
3 4
6
Kiểu 5
5
1 2
3
5 6
Kiểu 4
4
Xác suất phân bố của phân tử trong bình được trình bày ở bảng 1.3. Xác suất nhiệt động
là số kiểu có thể xảy ra của mỗi kiểu phân bố cho nên xác suất nhiệt động luôn luôn lớn
hơn 1 hoặc nhỏ nhất là bằng 1.
Xác suất toán học (kí hiệu là w) bao giờ cũng nhỏ hơn một và bằng 1 là lớn nhất. Xác suất toán
học là khả năng xảy ra số kiểu trên toàn bộ số kiểu phân bố.
Bảng 1.3: Sự phân bố của các phân tử giữa hai phần bình và xác suất phân bố của chúng.
Số phân tử
Bên trái bình Bên phải bình
Xác suất
nhiệt động W
Xác suất
toán học w
6 0 1 1/64
5 1 6 6/64
4 2 15 15/64
3 3 20 20/64
2 4 15 15/64
1 5 6 6/64
0 6 1 1/64
Kết quả ở bảng 1.3 cho thấy sự phân bố cân bằng mỗi bên có 3 phân tử là có xác suất
nhiệt động lớn nhất, tức W=20 nên theo công thức (1.19) thì entropi cũng có giá trị lớn
nhất. Như vậy, trạng thái cân bằng là trạng thái có xác suất nhiệt động lớn nhất đồng thời
cũng có entropi lớn nhất nên là trạng thái dễ xảy ra nhất. Trong 64 kiểu phân bố chỉ có 20

kiểu tuân theo định luật II nhiệt động học, tiến triển theo chiều hướng tăng của entropi và
đạt tới entropi lớn nhất còn 42 kiểu (gồm 6+15+15+6) cũng tiến triển theo chiều tăng của
entropi nhưng chưa đạt tới giá trị entropi lớn nhất. Đặc biệt chiều hướng tiến triển có 6
phân tử ở cùng một phía của bình có xác suất nhiệt động và entropi giống với trạng thái
ban đầu (tức entropi không tăng lên). Điều này không đúng với định luật II nhiệt động
học là quá trình luôn diễn ra theo chiều tăng của entropi. Khi số phân tử trong bình càng
tăng lên, ví dụ là 50 phân tử thì tổng số kiểu phân bố sẽ là 250
, là 1 con số cực kỳ lớn. Khi
đó khả năng tiến triển có cả 50 phân tử ở một phía của bình cũng chỉ chiếm 1 khả năng
(tức W=1) so với 250
khả năng và như vậy trường hợp xảy ra không đúng với định luật II
nhiệt động học sẽ càng ít đi ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
50
2
1
. Đó chính là tính thống kê của định luật II nhiệt động
học, tức là khi số phân tử trong hệ càng lớn thì tính đúng đắn của định luật II nhiệt động
học sẽ càng cao.
X. Định luật II nhiệt động học áp dụng vào hệ sinh vật
Hệ thống sống là một hệ thống mở, luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất và năng lượng
với môi trường ngoài. Theo cách phát biểu của Thomson: "Không thể chế tạo được động
cơ vĩnh cửu loại hai" là động cơ có hiệu suất hữu ích là 100%, khi áp dụng vào hệ thống
sống là hoàn toàn đúng đắn. Thực nghiệm đã xác định mọi quá trình diễn ra trong hệ
thống sống đều có hiệu suất hữu ích nhỏ hơn 100% (xem bảng 1.4).
Bảng 1.4: Hiệu suất của một số quá trình sinh vật
TT Quá trình sinh vật Hiệu suất (η)
1 Quá trình glicoliz (tiêu glucoza) 36%
2 Quá trình co cơ 30%
3 Quá trình oxy hóa photphorin hóa 55%
4 Quá trình quang hợp 75%
5 Quá trình phát quang của vi khuẩn 90%
Quá trình quang hợp của thực vật có hiệu suất 75% có nghĩa là cây xanh cứ hấp thụ
100calo từ năng lượng ánh sáng mặt trời thì có 75 calo được sử dụng vào tổng hợp chất
(phần năng lượng có ích) còn 25 calo tỏa nhiệt sởi ấm cơ thể hay phát tán nhiệt ra môi
trường xung quanh (phần năng lượng vô ích).
* Vai trò của entropi
Đối với hệ cô lập, định luật II nhiệt động học đã khẳng định mọi quá trình diễn biến đều
diễn ra theo chiều tăng của entropi và đạt giá trị cực đại khi đạt đến trạng thái cân bằng
nhiệt động thì dừng hẳn. Cơ thể sống là một hệ mở cho nên không thể áp dụng định luật
II nhiệt động học trực tiếp lên cơ thể sống. Định luật II nhiệt động học chỉ có thể áp dụng
vào hệ sinh vật nếu xem hệ bao gồm cả cơ thể sống và môi trường sống. Ta hãy xét sự
thay đổi entropi của hệ (kí hiệu là
dt
dS
) có liên quan tới sự thay đổi entropi của cơ thể

sống (kí hiệu là
dt
dSC
) và sự thay đổi entropi của môi trường (kí hiệu là
dt
dSm
) như thế
nào? Entropi là một hàm trạng thái và có tính chất cộng tính (tức là entropi của hệ bằng
tổng entropi của các thành phần nằm trong hệ) nên sự thay đổi entropi của hệ sẽ được xác
định theo công thức:
dt
dS
dt
dS
dt
dS mC
+= (1.20)
Thành phần
dt
dSC
= 0 khi các quá trình diễn ra trong cơ thể sống đều là quá trình thuận
nghịch. Song trên thực tế phần lớn các quá trình diễn ra ở cơ thể sống là những quá trình
bất thuận nghịch, do vậy
dt
dSC
>0
Thành phần
dt
dSm
= 0 khi giữa cơ thể sống và môi trường không xảy ra quá trình trao đổi
vật chất và năng lượng. Điều này không xảy ra vì trái với thực tế. Quá trình trao đổi vật
chất và năng lượng giữa cơ thể sống với môi trường là quá trình bất thuận nghịch (nhất là
quá trình trao đổi nhiệt) do vậy
dt
dSm
>0. Như vậy, khi
dt
dSC
>0 và
dt
dSm
>0 thì
dt
dS
>0.
Điều này là phù hợp với định luật II nhiệt động học.
Trong cơ thể sống xảy ra trường hợp khi quá trình đồng hóa diễn ra với cường độ mạnh
hơn so với quá trình dị hóa thì
dt
dSC
<0. Trường hợp này gặp ở quá trình quang hợp của
thực vật, khi đó có
dt
dSC
<0. Bù lại, quá trình trao đổi chất giữa thực vật với môi trường
nước, không khí và nhất là sự hấp thu năng lượng từ ánh sáng mặt trời đã làm tăng
entropi của môi trường lên rất cao nhất là ở trung tâm mặt trời đã xảy ra các phản ứng hạt
nhân để giải phóng năng lượng ánh sáng chiếu xuống trái đất. Các phản ứng hạt nhân bao
giờ cũng có entropi vô cùng lớn. Do vậy, giá trị
dt
dSm
sẽ lớn hơn không rất nhiều nên sự
thay đổi entropi của hệ là
dt
dS
vẫn lớn hơn không, phù hợp với định luật II nhiệt động
học.
Tóm lại khi áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống thì ta không nên tách
rời cơ thể sống ra khỏi môi trường sống mà phải xem cơ thể sống và môi trường sống là
cùng nằm trong một hệ.
Về mối liên quan giữa entropi và độ trật tự cấu trúc của cơ thể sống, Schrodinger cho
rằng: "Sự sống là sự hấp thụ entropi âm". Giải thích quan điểm này, theo tác giả là cơ thể
sống luôn luôn duy trì độ trật tự cao của mình bằng cách hấp thụ chất dinh dưỡng có độ
trật tự cao như protit, Gluxit, Lipit qua thức ăn. Thực ra, khi tiêu thụ chất dinh dưỡng, cơ
thể sống không sử dụng chúng như một nguồn trật tự (để nguyên và dùng làm nguyên
liệu để xây dựng nên cơ thể sống) mà chất dinh dưỡng sau khi hấp thụ được phân giải
thành chất để tế bào có thể hấp thu được. Chẳng hạn Protein của thịt gà có độ trật tự cao
(tức entropi thấp) khi được cơ thể hấp thụ nó sẽ bị phân giải thành các axit amin nên có

độ trật tự kém hơn (tức entropi cao). Do vậy, quan điểm của Schrodinger là hoàn toàn
không phản ánh đúng bản chất của quá trình tiêu hóa và hấp thu của cơ thể sống. Độ trật
tự cấu trúc và độ trật tự của các quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể sống không phải
do entropi quyết định mà do cơ thể sử dụng nguồn năng lượng tự do từ nguồn thức ăn để
duy trì sự tồn tại và phát triển của cơ thể sống. Trong quá trình phát sinh và hình thành sự
sống trên trái đất, trải qua thời gian tiến hóa với sự chọn lọc của tự nhiên đã hình thành
nên các loài sinh vật có sự thích nghi cao với từng loại môi trường sống. Do các nguyên
lí của các quá trình sinh học quyết định đã làm cho cơ thể sống thích nghi cả về mặt cấu
trúc cũng như thích nghi về mặt chức năng chứ không phải hoàn toàn do entropi quyết
định như trong hệ lý hóa.
Tuy nhiên mọi quá trình sinh lý, sinh hóa diễn ra trong cơ thể sống đều kèm theo sự thay
đổi của entropi.
Khi xét entropi riêng của một cơ thể sống mà không gắn với entropi của môi trường
sống thì khi cơ thể ở trạng thái cân bằng dừng, entropi có một giá trị xác định nhưng
không phải là cực đại và không đổi. Khi cơ thể sống nhiễm phóng xạ, nhiễm chất độc
hại, nhiễm virut thì entropi sẽ tăng và có giá trị lớn hơn so với entropi khi ở trạng thái cân
bằng dừng. Khi cơ thể sống có quá trình sinh tổng hợp chất (như quá trình quang hợp ở
thực vật) diễn ra mạnh hơn so với quá trình phân hủy chất thì entropi sẽ giảm và có giá trị
nhỏ hơn so với entropi khi ở trạng thái cân bằng dừng là trạng thái có tốc độ phản ứng
tổng hợp cân bằng với tốc độ phản ứng phân hủy. Sự thay đổi entropi diễn ra trong cơ thể
sống không vi phạm định luật II nhiệt động học vì cơ thể sống là một hệ mở chứ không
phải là một hệ cô lập.
XI. Năng lượng tự do
Từ định luật I nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.3) là:
dU = δQ- δA
Từ định luật II nhiệt động học đã thiết lập được công thức (1.14) là:
T
Q
dS
δ
= → δQ = T.dS
Thay δQ = T . dS vào công thức (1.3) ta được:
dU = T . dS - δA → -δA = dU - T . dS (1.21)
Đối với quá trình đẳng nhiệt (là quá trình diễn ra ở nhiệt độ luôn không đổi) ta có thể
viết:
-δA = d(U - T.S) (1.22)
Người ta đặt F = U - T.S và gọi F là năng lượng tự do. Năng lượng tự do là một hàm
trạng thái .
Thay F vào (1. 22) ta được: - dF = δA (1.23)
Dấu trừ thể hiện quá trình sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công. Đối với quá trình
thuận nghịch, năng lượng tự do, được chuyển toàn bộ thành công. Từ vật lí đã xác định
được đối với quá trình đẳng áp (là quá trình diễn ra ở áp suất luôn không đổi) nếu công
sinh ra chỉ để chống lại áp suất bên ngoài thì công được tính theo công thức:
δA = P . dV (1.24)
δA: Công thực hiện

P: Áp suất
dV: Sự thay đổi thể tích
Thay (1.24) vào (1.3) ta có:
dU = δQ - P . dV → δQ = dU + P . dV (1.25)
Đối với quá trình đẳng áp (P=hằng số), công thức (1.25) có thể viết:
δQ = d(U + P . V) (1.26)
Người ta đặt H = U + P . V và gọi H là hàm entanpi. Entanpi là một hàm trạng thái. Công
thức (1.26) có thể viết lại như sau:
δQ = dH (1.27)
Đối với quá trình diễn ra ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không thay đổi, người ta đưa vào
hàm thế nhiệt động, kí hiệu là Z và được tính theo công thức:
dZ = dH - T . dS (1.28)
Hàm thế nhiệt động của phản ứng được tính theo công thức:
ΔZ = ΔZo + R.T.lnK (1.29)
ΔZo: Thế nhiệt động chuẩn khi phản ứng diễn ra ở nhiệt độ là 25o
C.
R: Hằng số khí
T: Nhiệt độ Kelvin (o
K)
K: Hệ số cân bằng của phản ứng
Dựa trên nghiên cứu sự phụ thuộc hệ số cân bằng của phản ứng vào nhiệt độ sẽ xác định
được sự thay đổi của entanpi theo công thức:
2
RT
Q
dT
Klnk δ
= (1.30)
→
dT
Klnd
.T.RQ 2
=δ (1.31)
Xác định được δQ, dựa vào công thức (1.27) sẽ tính ra dH.
1. Quá trình hình thành năng lượng tự do trong cơ thể sống
Năng lượng tự do được hình thành trong cơ thể sống là do quá trình phân hủy các chất
dinh dưỡng. Theo Crebs và Gonberg quá trình hình thành năng lượng tự do chia làm 3
giai đoạn chính sau đây:
- Phân hủy các cao phân tử sinh học tới monome (đơn phân tử), như từ Protein tới axit
amin, từ Gluxit tới glucose, từ Lipit tới glixerin và axit béo. Năng lượng tự do được giải
phóng ra ở giai đoạn này chỉ chiếm từ 0,1% đến 0,5% năng lượng dự trữ có trong cao
phân tử.
- Sự chuyển hóa của các monome kể trên tới axit Piruvic và axetyl coenzim A (là axit
Axetic đã hoạt hóa) và một số hợp chất nằm trong chu trình Crebs đã giải phóng ra năng
lượng tự do đạt từ 15% đến 30% năng lượng dự trữ có trong monome.
- Quá trình oxy hóa axetyl coenzim A tới khí CO2 và H2O trong chu trình Crebs, năng
lượng tự do được giải phóng ra đạt từ 70% đến 80% năng lượng dự trữ có trong axetyl
coenzim A. Hay quá trình oxy hóa axit palmatic, năng lượng tự do được giải phóng ra
chiếm 60%.

2. Sử dụng năng lượng tự do của cơ thể sống
- Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để cung cấp nhiệt cho cơ thể (ổn định nhiệt độ
cơ thể vào mùa hè cũng như mùa đông).
- Cơ thể sống sử dụng năng lượng tự do để thực hiện công cơ học (co cơ), công thẩm
thấu (hấp thụ hay bài tiết nước và các sản phẩm chất dinh dưỡng), công hô hấp, công điện
(duy trì điện thế tĩnh hay phát xung điện thế hoạt động)...
- Quan trọng hơn cả là cơ thể sống có khả năng tích lũy năng lượng tự do ở dạng các hợp
chất cao năng (ATP). Hợp chất cao năng ATP chính là nguồn năng lượng vạn năng của
mọi cơ thể sống nên được ví là "tiền tệ năng lượng".
3. Trạng thái cân bằng nhiệt động và trạng thái cân bằng dừng
Trạng thái cân bằng nhiệt động: Là trạng thái chỉ đặc trưng cho hệ cô lập. Khi hệ ở
trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có năng lượng tự do đạt giá trị cực tiểu và không đổi do
vậy hệ không có khả năng sinh ra công. Khi hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động sẽ có
entropi đạt giá trị cực đại, do vậy hệ có độ mất trật tự cao nhất. Trên thực tế khó bắt gặp
trạng thái cân bằng nhiệt động vì khó tìm thấy hệ cô lập hoàn toàn.
Trạng thái cân bằng dừng: Là trạng thái đặc trưng cho hệ mở nói chung và hệ sinh vật
nói riêng. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng thì sự thay đổi năng lượng tự do luôn xảy ra
nhưng với một tốc độ không đổi. Sở dĩ như vậy là do hệ luôn nhận năng lượng tư do từ
bên ngoài qua con đường thức ăn. Khi hệ ở trạng thái cân bằng dừng, entropi của hệ đạt
giá trị xác định và nhỏ hơn giá trị cực đại. Cơ thể sống luôn có xu hướng duy trì trạng
thái cân bằng dừng. Ví dụ như ở động vật ổn nhiệt luôn duy trì thân nhiệt ổn định theo
thời gian (ở người là 37o
C).

1
Chương 2
ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG SINH VẬT
Động học của các phản ứng sinh vật là nghiên cứu những cơ chế và các
qui luật tiến triển theo thời gian của các phản ứng hóa sinh diễn ra trong
cơ thể sống.
Trong cơ thể sống thường xuyên diễn ra các phản ứng của quá trình trao
đổi chất. Phản ứng diễn ra có thể là phản ứng bậc không, bậc một, bậc 2...,
phản ứng tự xúc tác, phản ứng nối tiếp, phản ứng song song, phản ứng
vòng, phản ứng dây chuyền...Tùy điều kiện ban đầu và với sự tham gia
của chất xúc tác hay chất ức chế mà các phản ứng hóa sinh xảy ra với tốc
độ khác nhau và bằng các con đường khác nhau.
I. Bậc phản ứng và tốc độ phản ứng
Bậc phản ứng: Bậc của phản ứng bằng số lượng các loại phân tử (hay
nguyên tử) tham gia trong một đơn vị cơ bản của chuyển biến hoá học mà
nồng độ hay áp suất của chúng quyết định tốc độ phản ứng. Theo Gunberd
và Vaag thì tốc độc của phản ứng: A = M+ N
Được xác định bằng công thức:
dt
dC
v −= = k . C
v: Tốc độ phản ứng
k: Hằng số tốc độ phản ứng
C: Nồng độ chất A
Dấu trừ thể hiện sự giảm nồng độ chất A theo thời gian diễn ra phản ứng.
Với phản ứng tổng quát: aA + bB = mM + nN
Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức:
v = k. [A]a
B]b
(2.1)
[A] và [B] là nồng độ chất A và nồng độ chất B còn a và b là các hệ số
của chất A và của chất B còn k là hằng số tốc độ phản ứng.
Bậc của phản ứng (n) là tổng các số mũ của nồng độ các chất ở trong biểu
thức tính tốc độ phản ứng (2.1), tức là n = a + b
Dựa vào đó, người ta chia ra phản ứng bậc một, phản ứng bậc hai, phản
ứng bậc ba.
Ví dụ 1: Phản ứng:N2O = N2 + 1/2 O2 có v = k [N2O]là phản ứng bậc một.

2
Ví dụ 2: Phản ứng: 2HI=H2 + I2 có v = k [HI]2
là phản ứng bậc hai.
Ví dụ 3: Phản ứng: 2NO + H2 = N2O + H2O có v = k [NO]2
[H2] là phản
ứng bậc ba.
II. Phản ứng bậc một
Phản ứng bậc một là phản ứng: A P⎯→⎯k
Tốc độ phản ứng được xác định theo công thức:
v =
dt
dC
− = kC (2.2)
C: Nồng độ chất A
k: Hằng số tốc độ phản ứng
Giả thiết vào thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to = 0, ứng
với nồng độ chất A là Co còn vào thời điểm t nồng độ chất A là C.
Phương trình (2.2) có thể viết dưới dạng sau:
kdt
C
dC
−=
Lấy tích phân 2 vế ta có:
∫ ∫−=
C
C
t
00
dt.k
C
dC
t
o
C
C
t.kCln
o
−= → lnC - lnCo = - kt
ln
oC
C
=-k.t →
oC
C
=e-kt
C = Co e-kt
(2.3)
t
Thời gian
C
O
Co
Nồng độ
Hình 2.1: Sự thay đổi nồng độ chất A
theo thời gian của phản ứng bậc 1.
Phương trình (2.3) biểu diễn
dưới dạng đồ thị: (hình 2.1)
Từ đồ thị thể hiện nồng độ
chất A giảm theo thời gian
sau khi phản ứng xảy ra và
giảm theo qui luật hàm số
mũ.

3
III. Phản ứng bậc hai
Phản ứng bậc hai là phản ứng: A+B P⎯→⎯k
Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 2 được xác định theo công thức:
dt
dP
dt
dC
v =−= =k.Ca.Cb (2.4)
Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với
nồng độ chất A là a còn nồng độ chất B là b. Sau một thời gian là t, phản
ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ phản ứng có thể
viết dưới dạng sau:
v =
dt
dx
= k(a-x) (b-x) (2.5)
Suy ra: =
−− )xb()xa(
dx
k.dt
Để giải phương trình trên, lấy tích phân 2 vế:
∫∫ −−
=
x
o
t
o
)xb()xa(
dx
dt.k
→ k.t = .
)ba(
1
−
ln
)xb(
)xa(
−
−
+ C (2.6)
Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x = 0
Thay vào (2.6) sẽ được:
k.0 = .
)ba(
1
−
ln
b
a
+C → C = -ln
b
a
→ C = ln
a
b
Thay hằng số C vào phương trình (2.6) sẽ xác định được hằng số tốc độ
phản ứng:
x)-a(b
x)-(ab
ln.
t).ba(
1
k
−
= (2.7)
IV. Phản ứng bậc ba
Phản ứng bậc 3 là phản ứng:
A + B + C P⎯→⎯k
Theo định nghĩa, tốc độ phản ứng bậc 3 được xác định theo công thức:
==−=
dt
dP
dt
dC
v k.Ca.Cb.Cc (2.8)

4
Giả thiết ở thời điểm ban đầu trước khi phản ứng diễn ra là to=0, ứng với
nồng độ chất A là a, nồng độ B là b, nồng độ chất C là c. Sau một thời
gian t phản ứng xảy ra, tạo thành sản phẩm có nồng độ là x, thì tốc độ
phản ứng có thể viết dưới dạng sau:
v =
dt
dx
= k(a-x) (b-x) (c-x) (2.9)
hoặc:
)xc()xb()xa(
dx
−−−
= k.dt
Để giải phương trình trên, xét trường hợp đơn giản: a = b = c
Phương trình khi đó sẽ có dạng:
k.dt = 3
)xa(
dx
−
Lấy tích phân hai vế phương trình trên sẽ được:
∫∫ −
=
x
o
3
t
o )xa(
dx
dt.k
→ C
a
1
)xa(
1
2
1
t.k 22
+⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
= (2.10)
Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0
Thay vào (2.10):
C
a
1
a
1
2
1
0.k 22
+⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
−= → C = 0
Vậy hằng số tốc độ của phản ứng bậc 3 khi nồng độ các chất tham gia vào
phản ứng bằng nhau, được xác định theo công thức:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
= 22
a
1
)xa(
1
t.2
1
k (2.11)
V. Phản ứng thuận nghịch
Phản ứng thuận nghịch đơn giản nhất có dạng: A
⎯→⎯ 1k
2k
P
k1: Hằng số tốc độ phản ứng thuận
k2: Hằng số tốc độ phản ứng nghịch

5
Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là a,
sau thời gian t phản ứng xảy ra, tạo sản phẩm P có nồng độ là x, khi đó
nồng độ chất A sẽ là (a-x).
Tốc độ phản ứng thuận nghịch được xác định theo phương trình:
2121 .)( vvxkxak
dt
dx
dt
dC
v −=−−==−= (2.12)
v1=k1(a-x) là tốc độ phản ứng thuận
v2=k2.x là tốc độ phản ứng nghịch
Khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch (v1=v2) thì tốc độ
của quá trình sẽ bằng không (v=0) và hệ ở trạng thái cân bằng. Khi hệ ở
trạng thái cân bằng, phương trình (2.12) được viết như sau:
k1(a*
-x*
)-k2x*
=0 (2.13)
a*
: Nồng độ chất A khi hệ ở trạng thái cân bằng
x*
: Nồng độ chất P khi hệ ở trạng thái cân bằng
Từ (2.13) suy ra:
*
**
1
2
x
)xa(k
k
−
= (2.14)
Thay k2 vào phương trình (2.12) sẽ được:
x
x
xa
kxak
dt
dx
.
)(
)( *
**
11
−
−−=
*
**
x
)xaax(
dt
dx −
= .k1 →
)xaax(
dxx
dt.k **
*
1
−
= (2.15)
Lấy tích phân hai vế phương trình (2.15) ta có:
)x-a*ax(
dx
xdtk *
x
o
*
t
o
1 ∫∫ =
C)xaaxln(
a
x
t.k
x
o
**
*
*
1 +−−= →
k1.t [ ] C)xaaxln(axln
a
x ***
*
*
+−−= (2.16)
Để tìm hằng số C, dựa vào điều kiện khi to=0 thì x=0.
Thay vào phương trình (2.16) tính được C=0

6
Khi đó hằng số tốc độ phản ứng thuận được xác định theo công thức:
)xaax(
ax
ln
ta
x
k **
*
*
*
1
−
= (2.17)
Thay k1 vào phương trình (2.14) sẽ tính được hằng số tốc độ của phản ứng
nghịch:
)(
ln.
)(
**
*
*
*
*
**
2
xaax
ax
ta
x
x
xa
k
−
−
=
)xaax(
ax
ln
ta
)xa(
k **
*
*
**
2
−
−
= (2.18)
VI. Phản ứng song song
Trong cơ thể sống có nhiều chất tham gia vào các phản ứng song song.
Thí dụ như glucose có thể bị oxy hóa theo con đường oxy hóa khử của chu
trình Crebs hoặc theo chu trình hecxozamonophotphat. Phản ứng song
song đơn giản có dạng:
A
C
B
k2
k1
Giả thiết ở thời điểm bắt đầu xảy ra phản ứng to=0, chất A có nồng độ là
ao, sau thời gian t phản ứng xảy ra tạo ra sản phẩm B có nồng độ là b và
sản phẩm C có nồng độ là c còn nồng độ chất A khi đó là a. Tốc độ phản
ứng được xác định theo phương trình:
ak
dt
db
v 11 == và ak
dt
dc
v 22 == (2.19)
v1: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất B
v2: Tốc độ phản ứng chất A chuyển thành chất C
Tốc độ của cả quá trình:
a).kk(a.ka.k
dt
dc
dt
db
dt
da
v 2121 +=+=+=−= (2.20)

7
∫∫ +−=
t
o
21
a
a
dt).kk(
a
da
o
t).kk(
o21
o
21
e.aat).kk(
a
a
ln +−
=→+−= (2.21)
Thay a vào phương trình (2.19) ta được:
dt.e.a.k
dt
db
v t).kk(
o11
21+−
==
db = k1. dt.e.a t).kk(
o
21+−
Lấy tích phân hai vế ta có:
→∫∫
−−
=
t
o
t.)k(k
o1
b
o
dt.ea.kdb 21
[ t)kk(
21
o1 21
e1.
)kk(
a.k
b +−
−
+
= ] (2.22)
Từ phương trình (2.19) suy ra:
a.k
a.k
dt
dc
dt
db
v
v
2
1
2
1
== →
2
1
k
k
dc
db
= → k1.dc=k2.db (2.23)
b.
k
k
cb.kckdbkdck
1
2
2
b
o
12
c
o
1 =→=→= ∫∫ (2.24)
Thay giá trị b từ phương trình (2.22) vào (2.24) tính được nồng độ chất C
[ ]t).kk(
21
o1
1
2
1
2 21
e1.
)kk(
a.k
.
k
k
b.
k
k
c +−
−
+
==
[ t).kk(
21
o2 21
e1.
)kk(
a.k
c +−
−
+
= ] (2.25)
Từ phương trình (2.23) cho biết trong phản ứng song song, nếu hai phản
ứng bậc 1 xảy ra cùng một lúc thì tỉ số hằng số tốc độ phản ứng sẽ bằng tỉ
số nồng độ sản phẩm được tạo nên. Trường hợp nếu có 1 trong 2 phản ứng
là phản ứng bậc không (là phản ứng có tốc độ phản ứng không phụ thuộc
vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng) thì phản ứng bậc 1 sẽ có ý nghĩa
quyết định đến tốc độ giảm nồng độ chất A theo thời gian.

8
Trên cơ sở đó Hinshenvut rút ra một kết luận quan trọng: "Đối với cơ thể
sống khi nồng độ cơ chất có nồng độ thấp thì phản ứng do men xúc tác sẽ
xảy ra theo phản ứng bậc 1 còn khi nồng độ cơ chất bão hòa thì một số
phản ứng do men xúc tác tiến triển theo phản ứng bậc không còn một số
phản ứng do men xúc tác vẫn tiến triển theo phản ứng bậc 1 và chính phản
ứng bậc 1 sẽ xác định tốc độ của toàn bộ quá trình".
Thí dụ: Trong cơ thể thường xảy ra phản ứng song song.
Axit hipyric
Axit benzoic
Glucuronit
Glicocol
k1
k2
Glucuronic
Khi nồng độ axit benzoic nhỏ thì cả hai phản ứng đều tiến triển theo
phản ứng bậc một. Song trên thực tế k1>k2 nên phản ứng chủ yếu xảy ra
theo hướng axit benzoic kết hợp với glicocol để tạo thành axit hipuric, cho
nên trong nước tiểu chỉ phát hiện được axit hipuric. Khi nồng độ axit
hipuric lớn thì phản ứng chuyển axit benzoic thành axit hipuric là phản
ứng bậc không. Do vậy phần lớn axit benzoic kết hợp với axit glucuronic
để tạo thành glucuronit, nên xét nghiệm thấy nồng độ axit hipuric không
tăng còn nồng độ glucuronit tăng lên rất nhanh.
VII. Phản ứng nối tiếp
Phản ứng nối tiếp có dạng:
CBA 21 kk
⎯→⎯⎯→⎯
Tốc độ của phản ứng từ chất A tạo thành chất B được xác định theo
phương trình của phản ứng bậc nhất:
Cak
dt
dCa
v 1=−= (2.26)
Giải phương trình này đã thu được kết quả ở phần phương trình bậc nhất:
Ca = Co. (2.27)t.k1
e−
Co: Nồng độ chất A tại thời điểm ban đầu (to=0)
Ca: Nồng độ chất A tại thời điểm t
Tốc độ sự tạo thành chất B sẽ bằng hiệu số giữa tốc độ hình thành chất B
từ chất A và tốc độ phân hủy chất B thành chất C, xác định theo phương
trình:

9
b2a1
b
C.kC.k
dt
dC
v −== (2.28)
Cb: Nồng độ chất B ở thời điểm t
Để giải phương trình trên cần dựa vào điều kiện biên:
Khi to=0 thì nồng độ chất A là Co còn chất B chưa được tạo thành nên
Cb=0. Nghiệm của phương trình (2.28) theo cách giải từ phương trình vi
phân được tìm dưới dạng:
Cb= (2.29)t.k
2
t.k
1
21
e.e. −−
α+α
Trong đó α1, α2 là những hệ số cần phải xác định.
Lấy đạo hàm nghiệm Cb theo thời gian t ta có:
t.k
22
t.k
11
b 21
e.k.e.k.
dt
dC −−
α−α−= (2.30)
Thay Ca=Co. , Ct.k1
e−
b từ (2.29) và
dt
dCb
từ (2.30) vào phương trình (2.28)
ta được:
=α−α− −− t.k
22
t.k
11
21
ek.ek. ( ) ( )t.k
2
t.k
12
t.k
o1
211
e.e.ke.Ck −−−
α+α−
Giản ước còn lại:
12
1
112111
.
..
kk
Ck
kCkk o
o
−
=→−=− ααα
Thay giá trị α1 vào phương trình (2.29) sẽ thu được:
t.k
2
t.k
12
o1
b
21
ee.
kk
Ck
C −−
α+
−
=
Khi to = 0 thì Cb = 0 → 21
12
o1
2
kk
Ck
α−=α→
−
−=α
Khi biết α1 và α2, thay vào (2.29) sẽ thu được kết quả nồng độ chất B tại
thời điểm t.
( tktk
12
o1
b
21
ee
kk
Ck
C −−
−
−
= ) (2.31)
Tốc độ hình thành chất C sẽ được xác định qua nồng độ chất B và hằng số
k2 theo phương trình:
b2
b
Ck
dt
dC
v =−=

10
hay b2
c
Ck
dt
dC
v == (2.32)
Cc: nồng độ chất C ở thời điểm t
Thay giá trị Cb ở phương trình (2.31) vào phương trình (2.32) ta được:
).(
.. 21
12
21 tktkoc
ee
kk
Ckk
dt
dC −−
−
−
=
dte
kk
Ckk
dte
kk
Ckk
dC tk
12
o21tk
12
o21
c
2I −−
−
−
−
=
Lấy tích phân 2 vế ta được:
dte
kk
Ckk
dte
kk
Ckk
dC
t
o
tk
12
o21
t
o
tk
12
o21
C
o
c
21
c
∫∫∫
−−
−
−
−
=
( )1e
k
1
dte tk
1
t
o
tk 11
−−= −−
∫
( )1e
k
1
dte tk
2
t
o
tk 22
−−= −−
∫
Kết quả nồng độ chất C tại thời điểm t sẽ được xác định:
( ) ( )[ ]tk
1
tk
2
12
o
c
21
e1ke1k
kk
C
C −−
−−−
−
= (2.33)
Biểu diễn các phương trình (2.27),
(2.31), (2.33) về sự thay đổi nồng độ
chất A, B, C tham gia vào phản ứng
nối tiếp theo thời gian trên đồ thị sẽ
có dạng như trên hình 2.2.
Hình 2.2: Sự thay đổi nồng độ chất A, B, C theo thời gian
A B C
0
C
t
Xét một số trường hợp cụ thể:
- Nếu k1 lớn hơn rất nhiều so với k2 thì giai đoạn đầu tiến triển nhanh gấp
bội giai đoạn hai và cả hai giai đoạn đều tiến triển theo động học của phản
ứng bậc nhất. Trong trường hợp này tốc độ chung của phản ứng nối tiếp

11
được xác định bằng tốc độ của giai đoạn hai vì là giai đoạn tiến triển chậm
nhất.
- Nếu k1 nhỏ hơn rất nhiều so với k2 thì chất B được tạo thành sẽ không
bền và bị phân giải nhanh để hình thành nên chất C (tức k2 lớn). Theo qui
định của phản ứng nối tiếp, phản ứng nào có tốc độ chậm nhất sẽ quyết
định tốc độ của toàn bộ quá trình. Trong trường hợp này thì k1 sẽ quyết
định tốc độ của phản ứng nối tiếp.
VIII. Phản ứng vòng
Phản ứng vòng là một chuỗi các phản ứng diễn ra theo chu trình như chu
trình Crebs, chu trình Glioxilic, chu trình Ocnitin... giữ một vai trò quan
trọng trong quá trình trao đổi chất của cơ thể sống. Tốc độ của chu trình
phụ thuộc vào nồng độ tương đối của các chất tham gia vào từng giai đoạn
của chu trình. Cơ thể có khả năng điều chỉnh nồng độ của các chất tham
gia vào chu trình nhờ vào cơ chế điều hòa tốc độ phản ứng. Dạng đơn giản
nhất của phản ứng vòng là phản ứng men - cơ chất (hình 2.3).
MC
M
CP
M: Men
C: Cơ chất
MC: Phức chất men - cơ chất
P: Sản phẩm của phản ứng
Hình 2.3. Phản ứng men - cơ chất
IX. Phản ứng bậc không
Phản ứng bậc không là phản ứng có tốc độ không thay đổi và tốc độ phản
ứng không phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng. Tốc độ
phản ứng bậc không được xác định theo phương trình:
ok
dt
dC
v =−= (2.34)
Phản ứng bậc không điển hình là phản ứng men tiến triển trong điều kiện
thừa cơ chất. Trong điều kiện đó, tất cả các phân tử men đều ở dạng liên
kết với cơ chất và tốc độ phản ứng được xác định bởi tốc độ của phản ứng
phân hủy phức hợp men - cơ chất để tạo thành sản phẩm P. Như vậy, tốc
độ hình thành sản phẩm P sẽ không phụ thuộc vào nồng độ cơ chất mà phụ
thuộc vào nồng độ men tham gia xúc tác cho phản ứng.
Phản ứng bậc không là một hệ thống gồm nhiều phản ứng. Trong cơ thể
nếu có xảy ra phản ứng bậc không thì phản ứng tạo sản phẩm phải xảy ra
ít nhất qua hai giai đoạn như kiểu phản ứng men - cơ chất, đã xét ở trên.

12
X. Phản ứng tự xúc tác
Phản ứng tự xúc tác là phản ứng tạo thành sản phẩm và sản phẩm lại
đóng vai trò là một chất xúc tác.
Ví dụ phản ứng tự xúc tác: A B⎯→⎯k
Tốc độ phản ứng tự xúc tác sẽ phụ thuộc vào cả nồng độ chất A (kí hiệu
Ca) và nồng độ chất B (kí hiệu là Cb).
v =
dt
dCb
=k.CaCb (2.35)
Khi sản phẩm của phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng lên. Một
đặc trưng riêng của phản ứng tự xúc tác là trong khoảng thời gian tương
đối dài, lượng sản phẩm của phản ứng tương đối nhỏ nhưng sau đó chuyển
sang giai đoạn tiến triển cực nhanh của phản ứng.
Trong cơ thể phần lớn phản ứng chuyển từ Proenzyme thành enzyme là
phản ứng tự xúc tác. Ví dụ phản ứng chuyển pepxinogen thành pepxin là
phản ứng tự xúc tác.
XI. Phản ứng dây chuyền
Phản ứng dây chuyền là một hệ thống các phản ứng và có sự xúc tác của
sản phẩm trung gian. Điều kiện để có thể xảy ra phản ứng dây chuyền là
phải có các trung tâm hoạt động đầu tiên. Các trung tâm hoạt động đầu
tiên thường là các gốc tự do. Các gốc tự do có các điện tử không được
ghép đôi nên chúng có khả năng tham gia vào phản ứng hoá học rất cao do
vậy chúng thường có thời gian sống rất ngắn. Gốc tự do khi tham gia vào
phản ứng với các phân tử ngoài tạo thành sản phẩm cuối cùng còn có khả
năng tạo ra sản phẩm trung gian là những gốc tự do mới và gốc tự do mới
này lại tiếp tục tương tác với các phân tử khác để gây ra phản ứng tiếp
theo.
Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng dây chuyền thường rất cao nên ở
trong điều kiện bình thường rất khó xảy ra. Dưới tác dụng của tia phóng
xạ sẽ dẫn tới phản ứng dây chuyền, chẳng hạn như quá trình chiếu xạ nước
đã gây ra các phản ứng sau:
hv+H2O H⎯→⎯−e
2O+
→H+
+OHO
(gốc tự do)
hv+H2O H⎯→⎯+e
2O-
→OH-
+HO
(gốc tự do)
OHo
+OHO
→H2O2→H2O+Oo
(gốc tự do) v.v...
* Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh
Phản ứng dây chuyền không nảy nhánh là phản ứng khi một gốc tự do
tham gia vào phản ứng mất đi thì một gốc tự do mới xuất hiện. Như vậy,

13
lượng gốc tự do vẫn giữ nguyên cho tới khi xảy ra sự đứt mạch. Sự đứt
mạch đồng nghĩa với phản ứng dây chuyền chấm dứt và sẽ không còn khả
năng tạo ra gốc tự do mới. Có hai nguyên nhân chính dẫn tới sự đứt mạch.
Nguyên nhân thứ nhất là do gốc tự do bị thành bình phản ứng hấp thụ
hoặc gốc tự do tương tác với tạp chất làm chúng không có khả năng tạo ra
gốc tự do mới. Nguyên nhân thứ hai là khi nồng độ gốc tự do cao, chúng
sẽ tương tác với nhau nên dẫn tới sự đứt mạch. Phản ứng tạo HCl là phản
ứng dây chuyền không nảy nhánh:
Clo
+H2→HCl+Ho
Ho
+Cl→HCl+Clo
v.v...
Hai phản ứng trên là một mắt xích của phản ứng dây chuyền. Số mắt xích
được tạo ra do một gốc tự do ban đầu được gọi là chiều dài của mạch. Nếu
gọi β là xác suất đứt mạch, thì xác suất tiếp tục mạch sẽ là 1-β. Xác suất
mạch có n mắt xích được tính theo công thức:
Pn=(1-β)n
.β (2.36)
Chiều dài trung bình của mạch sẽ bằng:
β
β−
=
1
l (2.37)
Chiều dài của mạch phụ thuộc vào bản chất của phản ứng dây chuyền,
điều kiện tiến triển của phản ứng như bình phản ứng, nhiệt độ, áp suất...
Tốc độ của phản ứng dây chuyền không nảy nhánh được xác định theo
công thức:
dt
dn
=no-g.n (2.38)
no: Số trung tâm hoạt động được tạo thành
g: Tốc độ đứt mạch
n: Nồng độ gốc tự do
Nếu tốc độ tạo mạch là wo thì tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy
nhánh cũng được xác định theo công thức:
w = wo.l (2.39)
l: Chiều dài trung bình của mạch.
Qua các công thức trên cho thấy tốc độ phản ứng dây chuyền không nảy
nhánh chủ yếu phụ thuộc vào lượng trung tâm hoạt động được tạo thành
(tức nồng độ gốc tự do). Nếu các yếu tố bên ngoài làm tăng lượng gốc tự
do như các chất bị chiếu sáng hay bị chiếu xạ sẽ làm tăng lượng gốc tự do
dẫn tới tăng tốc độ của phản ứng dây chuyền. Ngược lại, các yếu tố làm

14
giảm lượng gốc tự do như các chất ức chế sự hình thành gốc tự do sẽ làm
giảm tốc độ phản ứng dây chuyền.
* Phản ứng dây chuyền nảy nhánh
Phản ứng dây chuyền nảy nhánh là phản ứng ở mỗi mạch của phản ứng
khi một gốc tự do tham gia vào phản ứng có thể tạo ra hai hay nhiều gốc
tự do mới. Phản ứng ôxy hóa hydro là một phản ứng dây chuyền nảy
nhánh:
H2 + O2→ Ho
+ H (tạo mạch)o
2O
Ho
+ O2→ OHo
+ Oo
(nảy nhánh)
Oo
+ H2→ OHo
+ Ho
(tiếp tục mạch phản ứng)
OHo
+ H2→ H2O + Ho
(tiếp tục mạch phản ứng)
Gốc tự do Ho
tương tác với thành bình sẽ làm ngắt mạch phản ứng.
Một số trường hợp quá trình tạo trung tâm hoạt động có thể không phải do
các gốc tự do ban đầu trực tiếp gây nên mà do sản phẩm của phản ứng dây
chuyền tạo nên.
Ví dụ: Ro
+O2→ROOo
ROOo
+RH→ROOH+Ro
ROOH→ROo
+OHo
Độ tăng lượng gốc tự do ở phản ứng dây chuyền nảy nhánh được xác định
qua phương trình:
dt
dn
=wo+ϕ.n (2.40)
n: Nồng độ gốc tự do
wo: Tốc độ tạo trung tâm hoạt động.
ϕ=f-g, trong đó f là tốc độ nảy nhánh còn g là tốc độ đứt mạch.
Nếu f>g thì nồng độ gốc tự do sẽ được xác định theo công thức:
fg
w
n o
−
= (2.41)
Giải phương trình (2.40) sẽ thu được nghiệm:
( )1to
e
w
n −ϕ
ϕ
= (2.42)
Nếu tích số ϕ.t rất lớn hơn 1 thì nghiệm được tính theo công thức:

15
to
e
w
n ϕ
ϕ
= (2.43)
* Đặc điểm của phản ứng dây chuyền
Phản ứng dây chuyền có các đặc điểm sau:
- Phản ứng dây chuyền có thời gian tiềm ẩn. Trong thời gian này chủ yếu
tạo trung tâm hoạt động đầu tiên.
- Phản ứng dây chuyền có hai giới hạn nồng độ. Ở giới hạn nồng độ gốc tự
do thấp thì gốc tự do dễ tương tác với thành bình hay với phân tử chất ức
chế nên phản ứng không tiến triển được. Ở giới hạn nồng độ gốc tự do quá
cao thì các gốc tự do dễ tương tác với nhau gây ra hiện tượng đứt mạch
nên làm cho tốc độ phản ứng tiến triển chậm lại.
- Tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh không tuân theo định luật
Arrhenius. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng dây chuyền nảy nhánh
tăng gấp bội so với định luật Arrenius.
Taruxop theo cơ chế của phản ứng dây chuyền nảy nhánh đã giải thích
sự tác dụng của tia phóng xạ lên cơ thể sống. Khi chiếu xạ, nếu xét về mặt
năng lượng thì có giá trị rất thấp nhưng lại gây ra hiệu ứng sinh học cao
(gọi là hiệu ứng nghịch lý năng lượng). Điều này được giải thích là do tia
bức xạ đã gây ra hiện tượng ion hóa, tạo ra các trung tâm hoạt động là
những gốc tự do và chính các gốc tự do đã gây ra phản ứng dây chuyền
nảy nhánh, dẫn tới hiệu ứng tổn thương ở sinh vật bị chiếu xạ. Taruxop
cũng cho rằng các chất có tác dụng hạn chế tổn thương do tia xạ gây ra
(gọi là các chất bảo vệ phóng xạ) là do nó ngăn chặn được phản ứng dây
chuyền nảy nhánh. Phản ứng miễn dịch ở người khi tiêm kháng nguyên,
sau thời gian ủ bệnh (thường từ 3 đến 21 ngày) kháng thể chưa xuất hiện
trong máu, sau đó là giai đoạn nồng độ kháng thể tăng theo hàm số mũ,
không tỷ lệ thuận với lượng kháng nguyên đưa vào cơ thể. Theo
E. Manuel, phản ứng tạo kháng thể diễn ra theo kiểu phản ứng dây chuyền
nảy nhánh. Ví dụ khi tiêm vaccine phòng bệnh bạch cầu, đưa vào cơ thể
người chỉ 0,36mg nhưng sau thời gian ủ bệnh, lượng kháng thể trong máu
đã suất hiện lớn gấp 1 triệu lần so với lượng kháng nguyên. E. Manuel
cũng cho rằng cơ thể khi bị nhiễm các độc tố như nọc độc của rắn, bò cạp,
iperit, rixin... thì phản ứng tạo kháng thể xảy ra theo kiểu phản ứng dây
chuyền nảy nhánh.
XII. Nhiệt độ và tốc độ phản ứng
Theo lý thuyết động học của các quá trình hoá học thì tốc độ phản ứng
bao giờ cũng phụ thuộc vào nồng độ chất tham gia vào phản ứng và phụ
thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng. Ban

16
đầu được giải thích do tăng số lần va chạm của các nguyên tử hay phân tử
tham gia vào phản ứng hoá học. Trên cơ sở tính toán xác suất va chạm,
nếu va chạm nào giữa các nguyên tử hay phân tử cũng dẫn tới phản ứng
thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên từ 102
đến 106
lần so với tốc độ thực tế đo
được nếu ta tăng nhiệt độ trong khoảng từ 0o
C đến 100o
C. Từ đó các nhà
nghiên cứu cho rằng chỉ một phần trong số các va chạm đó mới có khả
năng tạo phản ứng hoá học. Phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các nguyên tử
hay phân tử đạt được một giá trị năng lượng nhất định gọi là năng lượng
hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa là giá trị năng lượng nhỏ nhất mà nguyên
tử hay phân tử cần phải đạt được mới có thể tham gia vào phản ứng.
Các nhà nghiên cứu đã áp dụng hàm phân bố Maxwell - Boltzmann để
giải thích mối liên quan giữa tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa.
Maxwell - Boltzmann đã thiết lập được công thức :
N*
=N. RT
E
e
−
(2.44)
N*
: Số phân tử đạt giá trị năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng hoạt
hóa.
N: Tổng số phân tử ban đầu trong một đơn vị thể tích.
E: Năng lượng hoạt hóa của phân tử và R là hằng số khí
T: Nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ Kelvin)
Công thức (2.44) biểu diễn trên đồ thị (hình 2.4) gọi là hàm phân bố
Boltzmann. Đồ thị biểu diễn số phân tử N theo vận tốc v (E=
2
mv2
).
T1 < T2
Ehh E
N
0
a)
Ehh E
N
0
b)
Hình 2.4: Sự phân bố của các phân tử theo năng lượng
Qua đồ thị (hình 2.4a) cho thấy chỉ có một số phân tử có năng lượng
bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (Eh) thì mới có khả năng
tham gia vào phản ứng. Khi nhiệt độ tăng lên (T2>T1) thì đường cong phân

17
bố Boltzmann dịch chuyển về phía bên phải, tức là số lượng phân tử có
E≥Eh tăng lên (phần gạch ngang hình 2.4b) vì vậy tốc độ phản ứng tăng
lên.
Nhiều phản ứng, nhất là các phản ứng hóa sinh, tuy có nồng độ, nhiệt độ
và năng lượng hoạt hóa giống nhau nhưng tốc độ phản ứng vẫn khác nhau.
Như vậy, không phải mọi va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử có
năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng hoạt hóa đều dẫn tới phản ứng.
Điều này được giải thích do tốc độ phản ứng còn liên quan tới cấu trúc
hình học của các phân tử va chạm, gọi là yếu tố lập thể (ký hiệu là p).
XIII. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa sinh vào nhiệt độ
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được mô tả qua phương
trình Arrenius.
K= p.z. RT
Eh
e
−
(2.45)
K: Tốc độ phản ứng
p: Yếu tố lập thể
Eh: Năng lượng hoạt hóa
z: Số lần va chạm
R: Hằng số khí bằng 1,987 KCal/M.độ
T: Nhiệt độ tuyệt đối
Phương trình Arrenius có thể viết dưới dạng logarit:
lnK = ln(p.z) -
RT
Eh
(2.46)
Đặt y = lnK ; x =
T
1
; a =
R
Eh
− ; b = ln(p.z)
Phương trình (2.46) có thể viết dưới dạng:
y = a.x + b (2.47)
Đây là phương trình bậc nhất, đồ thị của nó có dạng đường thẳng
(hình 2.5). Dựa vào đồ thị xác định được:
tgα =
R
Eh
→ Eh = R.tgα
Biết tgα sẽ xác định được năng lượng hoạt hóa.

18
1/T
lnK
b
α
O
lnK
b
α
O
Hình 2.5: Sự phụ thuộc của lnK vào nhiệt độ ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
T
1
Năng lượng hoạt hóa là đại lượng để đánh giá khả năng tham gia vào phản
ứng của các chất. Để đánh giá sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt
độ, đại lượng đặc trưng cho sự tăng (hoặc giảm) tốc độ phản ứng khi tăng
(hoặc giảm) nhiệt độ là hệ số VantHoff (còn gọi là hệ số nhiệt phản ứng)
ký hiệu là Q10.
Q10=
1
2
K
K
(2.48)
K2: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T±10
K1: Tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T
Giữa năng lượng hoạt hóa và hệ số Q10 có mối liên quan với nhau. Theo
phương trình Arrenius (2.45), thay K2=p.z. 2
h
T.R
E
e
−
và K1=pz. 1
h
T.R
E
e
−
vào
phương trình (2.48) ta được:
Q10=pz. 2
h
T.R
E
e
−
/ pz. 1
h
T.R
E
e
−
Q10= 1
h
T.R
E
e . 2
h
T.R
E
e
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
21
h
T
1
T
1
R
E
e
Q10 =
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ −
21
12h
T.T
TT
R
E
e thay T2 - T1 = 10 ta được:

19
Q10 = 21
h
T.RT
10.E
e → lnQ10 =
21
h
T.RT
E10
Eh = 0,1 RT1T2. lnQ10 (2.49)
Thay R=1,987KCal/M.độ và đổi logarit cơ số e (ln) thành logarit cơ số 10
(lg) ta được:
Eh=0,46 T1 T2 lg Q10 (2.50)
Đơn vị tính năng lượng hoạt hóa là KCal/M.
Những phản ứng có bản chất khác nhau thường có năng lượng hoạt hóa
khác nhau và như vậy hệ số Q10 cũng khác nhau. Các phản ứng hoá học
có năng lượng hoạt hóa khoảng vài chục KCal/M, thường có Q10 bằng
2 đến 3. Năng lượng hoạt hóa của các phản ứng men khoảng từ 4 đến
12KCal/M, Q10 thường nhỏ hơn 2. Quá trình khuyếch tán năng lượng hoạt
hóa thấp, Q10 xấp xỉ bằng 1. Đặc trưng của phản ứng men là có năng
lượng hoạt hóa thấp nên các phân tử dễ dàng tham gia vào phản ứng.
Nguyên nhân là do các phân tử men có vai trò làm giảm năng lượng hoạt
hóa của các phân tử tham gia vào phản ứng khi men kết hợp với phân tử
tạo phức chất trung gian, làm cho quá trình phân hủy phức chất diễn ra
nhanh hơn. Ví dụ phản ứng phân hủy đường saccharose bởi axit có năng
lượng hoạt hóa bằng 25,6KCal/M nhưng nếu thủy phân đường saccharose
có sự xúc tác của men amilase thì năng lượng hoạt hóa giảm xuống còn
11 KCal/M.
Năng lượng hoạt hóa của đa số các quá trình diễn ra trong hệ sinh vật
thường có giá trị thuộc vào một trong ba giá trị là 8; 12; 18 KCal/M. Tuy
vậy, năng lượng hoạt hóa của các quá trình biến tính lại có năng lượng
hoạt hóa rất cao. Ví dụ như phản ứng đông tụ hemoglobin có năng lượng
hoạt hóa tới 60 KCal/M hay phản ứng tan huyết dưới tác dụng của nước
nóng có năng lượng hoạt hóa là 64 KCal/M v.v...
Đối với các quá trình sinh vật, ngoài giá trị năng lượng hoạt hóa, hệ số
nhiệt Q10 còn được đặc trưng bởi giá trị nhiệt độ thích ứng. Theo Klein,
nhiệt độ thích ứng là nhiệt độ quá trình xảy ra với tốc độ lớn nhất. Cần
phân biệt nhiệt độ thích ứng với khoảng nhiệt độ thích ứng. Khoảng nhiệt
độ thích ứng là khoảng nhiệt độ mà giá trị Q10 có giá trị không đổi. Trong
hệ sinh vật, khoảng nhiệt độ thích ứng rộng hay hẹp là tùy thuộc vào loài.
Trong hệ sinh vật, động vật ổn nhiệt có nhiệt độ thích ứng khác nhau. Ví
dụ: người là 37o
C, chó là 39,2o
C, gà vịt là 42,5o
C, bồ câu 44o
C v.v...
Đối với các phản ứng có sự xúc tác của men thì đường cong phụ thuộc của
tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có dạng như trên hình 2.6.

20
Tu
0
K
T
Hình 2.6: Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng có men xúc tác vào nhiệt độ
Đường cong trên hình 2.6 là kết quả của phản ứng trao đổi hoá học và
phản ứng phân hủy cấu trúc. Trong khoảng nhiệt độ (0<T<Tu) khi nhiệt độ
tăng thì tốc độ phản ứng tăng là do phân tử men vẫn còn giữ được hoạt
tính xúc tác.
Tu là nhiệt độ tối ưu. Phản ứng diễn ra ở nhiệt độ tối ưu có tốc độ phản
ứng lớn nhất. Khi nhiệt độ tăng cao hơn giá trị nhiệt độ tối ưu thì các phân
tử men bị phá hủy cấu trúc nên mất hoạt tính xúc tác, dẫn tới tốc độ phản
ứng giảm.
XIV. Phương pháp phức hoạt hóa
Phương pháp phức hoạt hóa là phương pháp lý thuyết để xác định tốc độ
của phản ứng hóa sinh đơn giản, dựa trên tính chất của các nguyên tử hay
phân tử tham gia vào phản ứng và các tham số nhiệt động như sự thay đổi
của entropi, của entanpi... Cơ sở của phương pháp phức hoạt hóa là dựa
trên quan niệm về sự tồn tại của một phức chất hoạt hóa (còn gọi là ở
trạng thái hoạt hóa) và phản ứng chỉ có thể xảy ra khi các phân tử ở trạng
thái hoạt hóa va chạm với nhau. Trong phản ứng, sự thay đổi thế năng của
các chất tham gia trước và sau khi phản ứng diễn ra được biểu diễn trên
hình 2.7.
Các nguyên tử hay phân tử muốn tham gia vào phản ứng phải đạt mức
năng lượng bằng hoặc lớn hơn giá trị năng lượng hoạt hóa (hay nguyên tử
hoặc phân tử đã được hoạt hóa). Phân tử chất ban đầu (chất A) có giá trị
năng lượng Eo, nếu xảy ra va chạm sẽ không dẫn tới phản ứng. Phân tử
chất A muốn tham gia vào phản ứng thì phải được hoạt hóa, tức là cung
cấp thêm cho nó giá trị năng lượng E1≥Eh. Năng lượng E1 dùng để làm
giảm thế năng tương tác (tức làm giảm lực hút) giữa các nguyên tử hay
nhóm nguyên tử trong phân tử để làm giảm năng lượng liên kết bên trong
phân tử. Nếu phản ứng xảy ra theo chiều thuận thì Eo là giá trị năng lượng
của chất ban đầu, E1 là năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và E1>Eo.

21
Eo
A
E1
E2
A*
P
Hình 2.7: Sự thay đổi năng lượng của các chất tham gia vào phản ứng
Khi các phân tử chất A đã được hoạt hóa (A*
) va chạm với nhau sẽ dẫn
tới phản ứng tạo sản phẩm P có giá trị năng lượng là E2. Đối với phản ứng
thuận E1<E2 nên E1-E2<0. Do vậy, đây là phản ứng tỏa nhiệt. Nếu phản
ứng diễn ra theo chiều nghịch thì chất P ban đầu phải có giá trị năng lượng
hoạt hóa bằng E2 mới dẫn tới phản ứng tạo thành sản phẩm A có giá trị
năng lượng là E1. Ở đây E2>E1 nên E2-E1>0 và phản ứng nghịch là phản
ứng thu nhiệt.
Các nhà nghiên cứu cho rằng giữa các phân tử tham gia vào phản ứng
(chất A) và các phân tử ở trạng thái hoạt hóa (A*
) luôn có sự cân bằng.
Phản ứng xảy ra như sau:
A A*
→ P (sản phẩm)
K*
hoặc: A (A+E) → P (sản phẩm)
E là enzyme còn (A+E) là phức hợp enzym với cơ chất A.thái và được xác
định bằng tỉ số nồng độ phân tử ở trạng thái hoạt hóa trên nồng độ phân tử
ở trạng thái ban đầu.
[ ]
[ ]A
A
K
*
*
= hoặc
[ ]
[ ][ ]E.A
EA
K* +
= (2.51)
[A]: Nồng độ chất A trước phản ứng
[A*
]: Nồng độ chất A ở trạng thái hoạt hóa

Ly sinh hoc

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Ly sinh hoc

Similaire à Ly sinh hoc (20)

Plus de Le Tran Anh

Plus de Le Tran Anh (20)

Dernier

Dernier (20)

Ly sinh hoc