Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

А. 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.

1. 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.

2. 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 — TxS, 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 pH 7,0, температура 25 °С, все растворы находятся в концентрации 1 моль/л, а все газы при давлении в 1 атм.

При стандартных условиях все функции обозначают как ΔG^0', ΔS^0' и ΔН^0'. Изменение стандартной свободной энергии (ΔG⁰) можно вычислить, зная константу равновесия (K'eq) химической реакции.

3. 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 эндергони-ческими.

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).

Таблица 6-1.
Соотношение между величинами К' и AG0' и направлением химических реакций

4. Сопряжение экзергонических и эндергонических процессов в организме

В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифос-фата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора.

Рассмотрим подробнее энергетику сопряжённых реакций на примере фосфорилирования глюкозы.

Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:

Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой (см. раздел 7), фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима: