0

Принципы термодинамики в биологических системах

Живая клетка представляет собой сложный химический реактор, в котором осуществляется более 1000 независимых катализируемых ферментами реакций. Тем не менее биологические системы подчиняются основным законам сохранения вещества и энергии и принципам термодинамики.

Совокупность всех осуществляющихся в клетке химических превращений называется метаболизмом. Метаболические реакции большей частью объединяются в последовательности, называемые путями метаболизма, причем связь между ними осуществляется:

во-первых, последовательно, когда продукт последней стадии является исходным веществом для первой стадии;

во-вторых, параллельно посредством ответвлений от основных путей.

Микроорганизмы усваивают два вида энергии — световую и химическую. Фототрафами называют организмы, для которых основным источником энергии является свет, а хемотрофами — организмы, получающие энергию в результате деградации питательных веществ. Энергия обычно хранится и транспортируется (внутри клетки) в виде удобных высоко-энергетических промежуточных соединений типа АТР (или АТФ). Клетка использует эту энергию для выполнения следующих трех функций:

1) химического синтеза больших или сложных молекул (т. е. для роста);

2) транспорта веществ в клетку и из нее;

3) механической работы, связанной с делением и передвижением клеток.

Эффективность использования свободной энергии в биосинтезе довольно высока и обычно превышает 20%.

Чтобы определить, пойдет ли данная химическая реакция в клетке в прямом или обратном направлении, необходимо вычислить изменение свободной энергии ΔG при прохождении данной реакции. В случае элементарной химической реакции

аА + вВ сС + дД (1)

изменение свободной энергии AG’ может быть записано в виде

ΔG/ = ΔG 0/ + RּTּ ln (2),

где а,в,с,д – молярные концентрации веществ А,В,С и Д. Надстрочный символ (/ )- ΔG/ и ΔG 0/ означает, что реакция идет в водной среде при рН=7,0. Это позволяет не включать концентрации воды и ионов водорода (Н+) в уравнение (2), даже если они участвуют в реакции.

ΔG 0/ — изменение свободной энергии в нейтральном водном растворе, когда концентрации реагентов и продуктов реакции равны 1моль.

R – газовая постоянная (8,315 Дж/(град ∙моль))

В закрытой системе реакция будет протекать слева направо (т.е. будет идти в прямом направлении) только в том случае, если ΔG/ отрицательно. Отсюда следует, что в состоянии равновесия ΔG/ равно нулю; реакция не идет самопроизвольно, когда ΔG/>0.

Такое допущение, безусловно, справедливо только в самом первом приближении, поскольку, во-первых, клетка не представляет собой закрытую систему и, во-вторых, концентрации реагентов обычно не достигают 1 М.

Многие биологические реакции и процессы, связанные с энергообменом, включают стадии окисления-восстановления типа

Аох + Bred
= Ared + Box     (3)

Для определения направления таких реакций часто используют параметр, называемый изменением стандартного потенциала ΔЕ0/ и определяемый следующим образом:

    ΔЕ/ = Е0/(Аох/Аred) — Е0/(Вох/Вred) (4)

Здесь Е0/(Аох/Аred) и Е0/(Вох/Вred)

— стандартные электродные потенциалы соответствующих полуреакций полуреакций.

В качестве точки отсчета для таких электродных потенциалов применяют водородный электрод, потенциал которого при давлении водорода 1,01 ∙105 Па и активности ионов гидроксония в растворе, равной 1, принимают равным нулю:

2Н+ + 2е- — > Н2 Е0=0,00В (рН = 0)    

Изменения свободной энергии и соответствующие изменения электродного потенциала связаны соотношением

ΔG/ = — n ּF ּ ΔЕ/ (5)

Здесь п — число участвующих в реакции электронов, а F
— константа Фарадея (23,062 ккал/(В-моль)). Согласно уравнению (5), слева направо (в прямом направлении) протекают только реакции с

положительными значениями ΔЕ/.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *