Являются ли ферменты вечными двигателями второго рода?

[yatcheh]

В 01.06.2025 в 19:32, Мансур Фазлуллин сказал:

Я подумал указанный эксперимент можно провести и без моделирования. Для этого потребуется верхняя часть пластикового стаканчика (тор), два маленьких магнитика, гвоздик, нитка, два металлических колечка.

Кладём тор на стол. К положению на 12 и 6 часов крепим магнитики. В положение на 3 часа (справа) крепим гвоздик по направлению к 6 часам, но до левой части должен оставаться зазор, чтобы при сжиманиях гвоздик не касался левой стороны. К гвоздику прикрепляем нитку с металлическими колечками на концах. Длину нитки подбираем так, чтобы если наш тор резко водить из стороны в сторону, колечки не примагничивались. Если нитка будет слишком длинной и при резких движениях тора колечки примагнитятся,  то это будет косвенно подтверждать, что броуновские движения фермента способствуют химической реакции, а это не совсем, то что нам нужно.

Сделали модель фермента. В этой модели тор - это сам фермент без активных центров. Магнитики - это активные центры фермента. Гвоздик с ниткой и колечками это субстрат. Для наглядности нитку можно подрезать, что бы при напряжении она рвалась.

Проверили что при резких движениях без деформации тора колечки не цепляются к магнитикам.

Затем начинаем резко двигать тор,  сжимая его, имитируя удары молекул которые деформируют фермент.

Сначала сжимаем в положении на 3 и 9 часов. При этом когда мы сжимаем расстояние между магнитиками и колечками увеличиваются, поэтому ничего не происходит.

Затем сжимаем в положение на 12 и 6 часов. При таких сжиманиях расстояние между колечками и магнитиками уменьшаются. Колечки примагничиваются и при разжимании тора нитка рвётся. Тем самым имитируя химическую реакцию.

Как Вы считаете данный эксперимент подтверждает, что ферменты способны использовать определённые удары молекул среды для ускорения химической реакции? 

 

Вы снова и снова удивляетесь свойствам открытых систем. А они кодифицируемы, и не представляют никакой сложности для вычислений, если это не попытка совместить тёплое с мягким, как это было у Пригожина.

[Мансур Фазлуллин]

В 01.06.2025 в 20:42, yatcheh сказал:

 

Вы снова и снова удивляетесь свойствам открытых систем. А они кодифицируемы, и не представляют никакой сложности для вычислений, если это не попытка совместить тёплое с мягким, как это было у Пригожина.

У Вас всё известно, всё кодифицируемо...

Может тогда объясните почему азотофиксирующие бактерии усваивают атмосферный азот при условиях окружающей среды.

А мы такие умные как получали с 1910 года аммиак из смеси азота с водородом при температуре 500 градусов и давление 350 атмосфер так и получаем. Единственное улучшение в 2000 году методом тыка перебрали двадцать тысяч разных катализаторов и нашли чуть лучший чем был в 1910 году?

[yatcheh]

В 01.06.2025 в 21:29, Мансур Фазлуллин сказал:

т тогда объясните почему азотофиксирующие бактерии усваивают атмосферный азот при условиях окружающей среды.

А мы такие умные как получали с 1910 года аммиак из смеси азота с водородом при температуре 500 градусов и давление 350 атмосфер так и получаем. Единственное улучшение в 2000 году методом тыка перебрали двадцать тысяч разных катализаторов и нашли чуть лучший чем был в 1910 году?

 

Азотофиксирующие бактерии используют более эффективный катализатор. Проблема не в том, что этот катализатор невозможно возпроизвести, проблема в том, что это будет очень дорого. Дешевле получать аммиак наработанными способами. 

Как только появится стартап с ферментативным катализом синтеза аммиака - мы о нём услышим.

Ферменты - такие же заложники термодинамики, как и всё сущее. Не надо им приписывать  того, чего у них нет и не может быть.

Изменено 1 Июня, 2025 в 19:11 пользователем yatcheh

[Loiso Pondohva]

Боже
Я не хочу вас ругать, потому что задавать глупые вопросы - не стыдно. И вы делаете это в корректной форме и не падаете совсем в псевдонауку
Но...
Как можно было упустить так много из школьной программы(особенно по биологии и биохимии. Химическая термодинамика и механизм работы той же нитрогеназы - 10й класс)...? И конечно вспоминается поговорка "один дурак способен задать столько вопросов, что и тысяча мудрецов не ответит".

Вещь первая. Вы хотите повысить эффективность энзимов?
В таком случае нет смысла привлекать второй закон и прочие вещи. Ваша задача - сконструировать фермент (или другой катализатор) под это дело, а потом сделать его использование в промышленности коммерчески выгодным и обоснованным. Делов то.
Не вижу цели "намеренно обстреливать ферменты атомами на нужных скоростях", вам просто нужно идти в биотех.

С помощью методов ускоренной эволюции энзимов - мы вполне можем повышать скорость (некоторых) ферментов в тысячи и десятки тысяч раз. Наверняка ещё докрутить это дело можно, если привлечь компьютерный фолдинг и искусственное конструирование ферментов. 
Работаем, делаем, развлекаемся.
Более того, можно попытаться сделать существующие ферменты кислото и термостойкими, придать им новые свойства, изменить растворимость. При должном усердии, даже в гараже, можно попытаться вывести свою собственную супер-лактазу, и потом её гены наклонировать на ПЦР. А потом запатентовать и продавать. 

Более того, все условия "ударов молекул под правильными углами", обобщаются как оптимальная pH, температура, и ионная среда необходимая для оптимальной работы фермента. 
 

В 01.06.2025 в 18:32, Мансур Фазлуллин сказал:

А можно ли рассматривать ускорение реакций катализаторами как полезную работу в практическом смысле?

Да, можно и нужно. И как я и сказал, есть сотни способов сделать это, не копаясь в физике. А если уж ВЫ ХОРОШИЙ МАТЕМАТИК И ХИМФИЗИК, то добро пожаловать в докинг и комп. моделирование. 

 

В 01.06.2025 в 18:32, Мансур Фазлуллин сказал:

Сейчас для того чтобы получать топливо приходится перерабатывать тяжёлые нефти и нефтяные остатки. Да хоть молекулам гудрона и суждено стать молекулами той же дизельной фракции, т.к. ΔG < 0. Но всё равно вместо того чтобы ждать несколько миллионов лет когда это произойдёт строят различные установки, где ради того чтобы ускорить процесс "которому всё равно предрешено произойти" приходится создавать температуру под 500 градусов и давление около 200 атмосфер. 

 

И снова вы упускаете как то, что я вам говорил, так и ту же школьную программу...
1-Не все энзимы - это ПРОСТО катализаторы. СУЩЕСТВУЮТ ферменты, которые МОГУТ совершать реакции против равновесия. Вот они уже похожи на маленькие молекулярные машинки или двигатели.
Загвоздка в том, что эти ферменты...АТФ-зависимые (реже ГТФ зависимые, не суть важно, энергозависимые).

2-Разберём ваши примеры (уже в последний раз, чтобы не отвечать на каждую частность) упомянутую вами нитрогеназу (а точнее нитрогеназы, это семейство ферментов)
Энергия реакции превращения азота и водорода в аммиак ΔG=−16.5 кДж/моль. Энтальпия -46,2 кДж/моль
То есть в теории это экзотермическая и самопроизвольная реакция. Загвоздка в том, что у неё чудовищная энергия активации (разрыв связи N-N что-то порядка 850-900 кДж на моль). так что ждать пока она произойдёт сама, можно триллионы лет. 
В теории, мог бы существовать катализатор, который мог бы снижать энергию активации настолько сильно, что она пойдёт при нормальных условиях. Но это точно не нитрогеназа. 
Нитрогеназа делает примерно следующее N₂ + 8H⁺ + 8е⁻ + 16АТФ → 2NH₃ + H₂ + 16АДФ + 16Ф_н 
Она не будет работать просто в растворе, если не дать ей топлива в виде АТФ. Более того, нитрогеназы чертовски медленные (секунды, десятки секунд на молекулу). Они кислородчувствительные. И они делают, как видно из реакции, паразитный водород.
Давайте посчитаем...
Гидролиз АТФ даёт 50-70 кДж на моль. То есть бактерия потратила на моль аммиака порядка 400-450 кДж
На тонну аммиака это будет где-то 25-26 ГИГАДЖОУЛЬ.
Большая часть энергии от работы нитрогеназы - тратится на синтез паразитного водорода, функционирование самой нитрогеназы, рассеивается в виде тепла. (Втч энергия которая таки выделится при синтезе аммиака).
Если мне не изменяет память, то на тонну аммиака при процессе Хабера-Боша уходят энергии также порядка десятков Гигаджоулей и порядка 20-30 долларов на тонну.  
Так что я бы даже посомневался являются ли нитрогеназы эффективнее.
Вероятно тут мы пока сильно обгоняем природу по экономической целесообразности.
Что реально было бы прикольно - вживить нитрогеназы злаковым. Но с этим пока что есть какие-то сложности
А так нитрогеназы - одни из самых элегантных, но кривых, капризных и затратных энзимов, которые бактерии используют скорее от полной безысходности

3-Теперь кратенько разберём крекинг углеводородов.
В отличии от синтеза аммиака, это ЭНДОтермическая реакция. G>0
Разрыв связи углерод-углерод - требует затрат энергии. В природе, скорее будут со временем образовываться гудроны из керосина, чем наоборот

Так что любой энзим который потенциально этим бы занимался, абсолютно также будет брать энергию из АТФ или иного источника. Хоть из гамма квантов (почему нет, это потенциально возможно).

То есть:
Ацетилхолин эстеразы - и на бумаге и на практике делают процесс который и так не требует затрат энергии, и энергии не тратят, просто стерически снижая энергию активации. Это скорее катализатор типа марганцовки в перекиси
Нитрогеназы - делают процесс который на бумаге не требует затрат энергии, а на практике - требует. Тоже самое что катализаторы Боша, но хуже.
Потенциальные "Гудрон Лиазы" будут заниматься тем что и на бумаге и на практике затрат энергии требует.
Тем же к примеру занимаются всякие протонные помпы, когда они качают протоны против градиента электрического поля.

В целом можно сделать и бактерий которые делают тоже самое. Вопрос зачем им это, бактерии намного веселее полностью переварить и сжечь гудрон, и получить энергию, а не тратить её на укорочение цепочек. И их нужно будет кормить чтобы это работало.
Но тут всё также упирается в то, что в прикладных целях - это просто легче делать температурой, чем заморачиваться с биотехом.
 

В 01.06.2025 в 21:09, yatcheh сказал:

Азотофиксирующие бактерии используют более эффективный катализатор.

По моим расчётам, даже не более эффективный вроде как)
/Не считая факта работы при нормальных температурах

Изменено 2 Июня, 2025 в 04:18 пользователем Loiso Pondohva

[Loiso Pondohva]

В 01.06.2025 в 20:29, Мансур Фазлуллин сказал:

У Вас всё известно, всё кодифицируемо...

Может тогда объясните почему азотофиксирующие бактерии усваивают атмосферный азот при условиях окружающей среды.

А мы такие умные как получали с 1910 года аммиак из смеси азота с водородом при температуре 500 градусов и давление 350 атмосфер так и получаем. Единственное улучшение в 2000 году методом тыка перебрали двадцать тысяч разных катализаторов и нашли чуть лучший чем был в 1910 году?

Потому что вместо температуры, тратят на это - невозможно огромное количество энергии в форме АТФ. Которую в свою очередь насинтезировали, сжигая условный сахар. 

Изменено 2 Июня, 2025 в 03:40 пользователем Loiso Pondohva

[Loiso Pondohva]

В 01.06.2025 в 11:59, Мансур Фазлуллин сказал:

А теперь объясните как предложенная Вами модель с ртутью противоречит этой формулировке?

Чтобы ртуть куда-то налить, её нужно поднять. Чтобы что-то всплыло сделав работу, его нужно потопить. 

В 01.06.2025 в 14:26, Мансур Фазлуллин сказал:

mgΔh/2

Нельзя просто «сложить» ΔEₚ пылинки и ΔEₚ капельки и говорить о чистом +mgΔh/2.
Вы сосредоточившись на данной пылинике, вообще забываете что свободная энергия в сосуде никуда не растёт.
Энергия которую "приобрела" всплывшая пылинка, компенсируется всякой вязкостью воды, иными столкновениями, замедлениями других частиц, итд итд. Сосуд (если это закрытая система) не приобретёт энергии, даже если пылинка всплывёт на поверхность. Просто помимо данной пылинки и занявшего её места пузырька, ещё N пылинок утонут и N молекул воды охладятся. 

В 01.06.2025 в 18:32, Мансур Фазлуллин сказал:

Демон Максвелла следит за молекулами.

Не обязательно. Демон Максвелла следит на флуктуациями, а не за молекулами. Я мог бы предложить демона максвелла, который бы следил и извлекал бы энергию из спонтанной телепортации кита на околоземную орбиту или закатывания камня в горку (а почему нет, физика напрямую не запрещает китам и камням этого делать. Просто статистика очень бессердечна).
 
Чтобы извлечь энергию из флуктуации (подъёма пылинки) нужно за этой пылинкой 
а-Наблюдать
б-Иметь устройство (пипетку) фиксирующую "пылинку" в верхнем положении и впоследствии эту энергию извлекающую
Яхз
Представьте, что вы хотите собрать все красные шарики в коробке, а коробку постоянно трясёт тепловым движением. Даже если шарики случайно соберутся в углу, вам придется потратить энергию, чтобы быстро закрыть их крышкой.
Эта энергия будет больше, чем выигрыш от их упорядочивания.

«Зафиксировать» коротковременный подъём, чтобы превратить его в полезную работу, можно только приложив какое-то внешнее устройство, способное предотвратить обратное опускание.
Так вот, мозг-рука-пипетка-микроскоп, даже если сделать их на молекулярном уровне, будут тратить энергию на слежку и фиксирование пыльцы. И более того, будут греться. 
 

Изменено 2 Июня, 2025 в 04:23 пользователем Loiso Pondohva

[Loiso Pondohva]

В 01.06.2025 в 18:32, Мансур Фазлуллин сказал:

Как Вы считаете данный эксперимент подтверждает, что ферменты способны использовать определённые удары молекул среды для ускорения химической реакции? 

Может я и разберу это, если у меня будет настроение
Но тут в рассуждениях неправильно примерно всё...
Начиная от масштабов сил (деформация даже на миллиметры, намного больше, чем то, что одна, даже очень быстрая модель кислорода, может сделать с молекулой массой пару Килодальтон), введения внешнего потенциала, и отсутствие учёта затрат, и снова применением случайности там, где нужны статистические эффекты...

Кончая тем, что это вообще не модель фермента, т.к ферменты работают СОВСЕМ на других принципах, а не на сжатии и растяжении самих себя. 😅

Как минимум.
Ферменты способны снизить энергию АКТИВАЦИИ некоторых реакций в 10^6+. Это было бы аналогично приближению магнитов, скажем в тысячу+ раз (закон обратных квадратов все дела).
Почему? Потому что ферменты умно устроены. Они способны правильно ориентировать субстрат за счёт гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, поляризировать химические связи, стабилизировать переходные состояния веществ и так далее. 
И более того, для всего этого, им зачастую не обязательно двигаться. Это просто вытекает из их химической структуры. Они не "приближают и отдаляют" куски молекул *для делания тех реакций, что вы себе представляете, по крайней мере). 
Но даже если бы они это вдруг делали. 
Вот влетает в молекулу которая весит десятки килодальтон, быстрый атом кислорода. Ну насколько он её изогнёт? На пол ангстрема в лучшем случае? В вашей аналогии, вы бы этот стакан сжали менее чем на тысячную от диаметра такого стакана.
Если она от этого внезапно станет работать лучше, мне ничего не мешает внести этот изгиб, лишней аминокислотой в структуру самого белка

Тепловая же энергия молекулы кислорода - несопоставима с энергиями химических связей. 
Даже если в одно место "влетит" атом воздуха, скажем скоростью 1000 м/с (а это средняя тепловая скорость для температур газа в районе 10тыс кельвин) то энергия будет едва ли сопоставима с самой слабой Ваандер-Вальсовой или водородной связью (0.1 эВ)
Для разрыва нормальной такой связи нужно 10-20 таких атомов влетающих в одно место. 
Для более нормальных скоростей (400 м/с) энергия средней частицы в принципе тонет где-то в районе 0.01/2 эВ.

 

 

Изменено 2 Июня, 2025 в 04:08 пользователем Loiso Pondohva

[Loiso Pondohva]

В 01.06.2025 в 20:29, Мансур Фазлуллин сказал:

У Вас всё известно, всё кодифицируемо...

Так и бывает, если читать умные книжки и решать задачки. Всё странным образом становится логичным и связанным между собой))

И более того, вы понимаете, что многие комбинации и вариации уже перебрали до вас, и более того, стройно и подробно расписали это в учебнике. Как работает каждый фермент, как он работает молекулярно, как его обсчитать по термодинамике, как его улучшить итд итд. 
Более того вы прочитаете какими именно элегантными методами всё это было установлено, и как много дисциплин скооперировались чтобы это установить. Поймёте вы и логические и философские предпосылки научного метода в целом. 
Более того, даже будучи профессором с Хиршом под 100, гением национального масштаба итд. Вы ужаснётесь от того, насколько много людей на этой планете или на порядок умнее вас, или просто более глубоко знакомы с узкой темой. 

В детстве я думал что я изобрёл закон сохранения массы (когда привёл мысленный эксперимент с базукой и кирпичом и понял что атомы то...Не исчезают.)
Потом я также "изобретал" и формулы сокращённого умножения, и прочие весёлые штуки
В прошлом году мне пришла в голову очень странная идея связанная с принципиально новым классом лекарств. Увы, я нашёл что это лет 5 как сделали японцы и написали статью ((
Но разрыв сокращается!

Открытие совершить возможно. Даже революционное открытие, сидя при этом дома. 
Даже открытие как либо опровергающее современные представления о явлении.

Но чтобы изучать "физику/химию/биологию" невозможного, нужно сначала изучить всё, до существующего края науки, по возможному.

Да, некоторые учёные могут страдать "костностью", "слепотой" и приверженностью "классицизму" (Лорд Кельвин тому пример). Но ни было ни одного новатора и первооткрывателя которые бы пришли и сказали "А закона сохранения не существует. Это всё рамки в ваших головах. Вот вечный двигатель".

Они говорили "Глядите, мы этого не наблюдаем, но им моих теор. расчётов - такие объекты обязаны быть во вселенной"
"Никто не верит что можно посылать энергию на расстоянии, но ничего не запрещает это сделать, нужно только найти как"
Или "Глядите, все думают что операция внутри сердца невозможна. Но она невозможна только потому, что нет способа его безопасно остановить. А я такой способ сделал."
Все первооткрыватели были ПРЕКРАСНО подкованы в существующей базе. Они знали ВСЁ о пределах возможного, и именно благодаря этому находили те немногие, "невозможные" лазейки.

Все лучшие фантасты были первоклассно подкованы в классической науке, чтобы "предсказывать невозможное и как бы оно могло работать". Что забавно, сейчас во многих областях писать фантастику стало почти невозможно. Потому что современная физика или биология дают предсказания далеко за гранью любой фантастики и наблюдаемого. Осталось их проверить.

Даже в области искусства, архитектуры или лингвистики, все авангардисты, кубисты, модернисты, революционеры изначально были первоклассными классицистами и реалистами, усвоившими всю базу накопленной информации, чтобы предложить нечто принципиально новое.
Тут разница как между...Пикассо и ребёнком
Человеком сознательно пришедшего к деконструктивизму и кубизму, зная все законы композиции, и просто мазнёй.
Как между архитектором который зная всю нужную математику строил внешне "невозможные" дома, и дизайнером который предложил "почему бы тут не обойтись без колонн?" (Ни в коем случае не в обиду)
___
Я это всё к чему. Это не демотиватор. Это не "не задавайте тупых вопросов". Странные вопросы порой прекрасное топливо для рассуждения,  и любопытство - не порок. Критическое мышление - вообще замечательно.
Это скорее напутствие.
На вид глупые вопросы могут быть чертовски глубокими (как, допустим, радуга не объясняется простой дифракцией, а объясняется довольно сложной серией внутренних отражений на сфере). 
Но если конкретно вы думаете что чего-то не знаете, не значит что никто не знает. Если что-то не применяется в утилитарной промышленности, нужно понять, а почему именно не применяется. Потому что бабло рулит всем и большинство промышленных штук - удивительно целесообразны. 

 

[Loiso Pondohva]

Ещё, чтобы ещё больше въехать почему именно ферменты в данном вопросе не уникальнее обычных катализаторов
И какие проблемы вообще возникают когда кто-то пытается из катализатора сделать perpetuum mobile
И сопряжённые темы 
Можете ознакомиться с этим топиков с 6, до где-то 12 страницы
Начиная с цеолитов и разложения воды на них на кислород и водород
(особенно подумайте над приведённым примером с Венерой)
Ну и остальные обсуждения (только не от Кобасиста)) вам будут полезны для общего развития

 

[Максим0]

В 01.06.2025 в 23:29, Мансур Фазлуллин сказал:

У Вас всё известно, всё кодифицируемо...

Может тогда объясните почему азотофиксирующие бактерии усваивают атмосферный азот при условиях окружающей среды.

А мы такие умные как получали с 1910 года аммиак из смеси азота с водородом при температуре 500 градусов и давление 350 атмосфер так и получаем. Единственное улучшение в 2000 году методом тыка перебрали двадцать тысяч разных катализаторов и нашли чуть лучший чем был в 1910 году?

Делал опыт:

Заливал крепким раствором гидроксида лития свежеосаждённую смесь гидроксидов ванадия(2) и магния, продувал через оную обескислороженный воздух, получался гидразин - при комнатной температуре и давлении... вот только так и не придумал как его потом назад электричеством восстанавливать, несколько раз восстановил цинком, а потом рН упало и вместо гидразина основным стал аммиак с водородом. После отстаивания слил рассол и отогнал из него водичку с самодельным гидразином.

Если придумать как эффективно электролитически регенерировать ванадий(2), получится рентабельная технология.

Изменено 2 Июня, 2025 в 17:45 пользователем Максим0