Энергетика биохимических процессов

Возможность спонтанного прохождения какого-либо процесса зависит от того, какой знак будет иметь разность химических потенциалов конечного и исходного состояния системы (ΔΡ = P₂ - Р₁). Если P₂ меньше Р₁ и ΔΡ — величина отрицательная, то процесс идет спонтанно и при этом производится работа. Такой процесс носит название экзергонического (1). Если разность потенциалов близка к нулю, то система находится в равновесии (2). В случае эндергонического процесса ΔΡ — величина положительная (3), т. е. процесс не может идти самопроизвольно.

Для того чтобы запустить эндергонический процесс, необходимо воспользоваться принципом энергетического сопряжения. Наиболее наглядно это можно продемонстрировать на примере механической работы (4): когда две массы M₁ и M₂ связаны шнуром, M₁ будет двигаться вверх несмотря на то, что этот процесс эндергонический, т. е. в сопряженной системе определяющим фактором будет сумма разностей потенциалов двух процессов (ΔР_ЭФФ = ΔP₁ + ΔP₂). Суммарный процесс возможен при условии, если ΔР_ЭФФ — величина отрицательная. Благодаря энергетическому сопряжению возможно взаимопревращение одних форм работы и энергии в другие. Например, в батарейке карманного фонарика экзергоническая химическая реакция генерирует электрическое поле, которое используется для эндергонического процесса получения световой энергии. В мышцах химическая Энергия трансформируется в механическую работу и тепловую энергию.

Свободная энергия и законы термодинамики

Живые организмы с точки зрения термодинамики - открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики.

Законы термодинамики

Первый закон - закон сохранения энергии; его можно сформулировать так: общая энергия системы и окружающей среды - величина постоянная.

Внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной её части к другой или превращаться из одной формы в другую.

Второй закон гласит, что все физические и химические процессы в системе стремятся к необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неуправляемую форму. Мерой перехода или неупорядоченности системы служит величина, называемая энтропией (S), она достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие с окружающей средой.

Свободная энергия

Каждое органическое соединение, поступающее в организм извне или входящее в состав живой материи, обладает определённым запасом внутренней энергии (Е). Часть этой внутренней энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию системы называют свободной энергией (G).

При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (ΔG) и изменением энтропии (ΔS) можно представить следующим уравнением:

ΔG = ΔН - T×S, где ΔН - изменение энтальпии (внутренней энергии или теплоты, содержащейся

в системе); Т - абсолютная температура. В условиях, при которых протекают биохимические реакции, ΔН приблизительно равно ΔЕ (изменению внутренней энергии системы в результате реакции). Для биологических систем измерение свободной энергии производят обычно при стандартных условиях, когда рН 7,0, температура 25 °С, все растворы находятся в концентрации Г моль/л, а все газы при давлении в 1 атм.

При стандартных условиях все функции обозначают как ΔG⁰', ΔS⁰' и ΔН⁰'. Изменение стандартной свободной энергии (AG0') можно вычислить, зная константу равновесия (K'eq) химической реакции.

Эндергонические и экзергонические реакции

Направление химической реакции определяется значением ΔG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если при этом абсолютное значение ΔG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.

Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.

Если абсолютное значение ΔG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При ΔG, равном нулю, система находится в равновесии (табл. 6-1).