Биохимия человека Том 1 - Марри Р. 1993
Биоэнергетика и метаболизм углеводов и липидов
Биоэнергетика
Свободная энергия и законы термодинамики
Изменение свободной энергии (∆G) — это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу; иначе говоря, это полезная энергия — в химических системах ее называют химическим потенциалом.
Первый закон термодинамики гласит: внутренняя энергия системы вместе с ее окружением остается постоянной. Это одна из формулировок закона сохранения энергии. Она утверждает, что при любых изменениях системы внутренняя энергия не утрачивается и не приобретается. Вместе с тем внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной ее части к другой или превращаться из одной формы в другую. Например, химическая энергия может переходить в тепло, превращаться в электрическую энергию, энергию излучения или в механическую энергию.
Второй закон термодинамики гласит: энтропия системы при самопроизвольных процессах возрастает. Энтропия служит мерой неупорядоченности, хаотичности системы и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие. При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы (∆G) и изменением энтропии (∆S) представляется следующим выражением, которое объединяет оба закона термодинамики:
∆G = ∆Н - T∆S,
где ∆Н — изменение энтальпии (теплоты), Т — абсолютная температура.
В условиях, при которых протекают биохимические реакции, ∆Н приблизительно равно ∆Е — изменению внутренней энергии системы в результате реакции. В этих условиях приведенное выше выражение можно записать в виде
∆G = ∆Е — T∆S.
Если ∆G отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими. Если к тому же ∆G велико по абсолютной величине, то реакция идет практически до конца и ее можно рассматривать как необратимую. Если же ∆G положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется эндергонической. Если к тому же ∆G велико, то система является устойчивой и реакция в этом случае практически не осуществляется. При ∆G равном нулю система находится в равновесии.
При концентрациях реагентов 1,0 моль/л изменение свободной энергии обозначают как ∆G° — изменение стандартной свободной энергии. Для биохимических реакций стандартным считается состояние при pH 7,0. Изменение стандартной свободной энергии в таком стандартном состоянии обозначается как ∆G°'.
Изменение стандартной свободной энергии можно найти, зная константу равновесия К'eq:
∆G°' = - 2,303 RT log К'eq
где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура (см. с. 84). Важно отметить, что ∆G может быть больше или меньше ∆G°' в зависимости от концентрации реактантов.
Следует ясно понимать, что в присутствии ферментов биохимические реакции лишь быстрее достигают равновесия, но конечные равновесные концентрации реактантов при этом не изменяются.