П. Зитте, Э.В. Вайлер, Й.В. Кадерайт, А. Брезински, К. Кернер - Ботаника. Учебник для вузов. Том 2. Физиология растений, страница 8

4 . Х и м и ч е с к и й потенциалРазмерность ц выражается в единицахэнергии на моль (Дж- моль 4 ).Поскольку часто представляет интересне химический потенциал как таковой, аего изменение при изменении состояниясистемы относительно компонента i, то длярасчета изменения химического потенци­ала (= свободной энтальпии) i в смеси припереходе состояний А —> В выводится со­отношение6 . 1 . 4 . 1 . Общее определениеСвободную энтальпию открытой сис­темы со сложным составом, которую пред­ставляет собой клетка, практически нельзяопределить. Однако во многих случаях дос­таточно установить способность определен­ных компонентов этой системы произво­дить работу.

Так, например, представляетинтерес лишь разность свободной энталь­пии протонов (но не других ионов) с двухсторон клеточной мембраны, если удаетсярассчитать движущую силу протонов длявыполнения работы в сопряженных транс­портных процессах и их направление. Илиже интересно выявить различие свободнойэнтальпии воды в соседних водных раство­рах, разделенных клеточной мембраной,направление и масштабы потока воды че­рез эту поверхность раздела.Свободная энтальпия, рассчитанная намоль компонента i в смеси веществ из ккомпонентов, называется химическим по­тенциалом р, компонента i (п,,). Сумма хи­мических потенциалов всех к компонентовдает свободную энтальпию на моль смесивеществ.

Таким образом, вклады отдельныхкомпонентов взаимно дополняются. Хими­ческий потенциал каждого компонентаДц, = ц,(В) - ц,(А) == A(RTlnx,) + A(p,V,) + A(ghM1) + A(FEz,) == RTAlnx, + V,Ap + gM,Ah + Fz,AE.(6.9)Варианты общих уравнений 6.8 и 6.9представляют интерес для следующих глави будут рассмотрены ниже.6.1.4.2.

Водный потенциалПоскольку растительные клетки, как иклетки других организмов, не могут актив­но транспортировать воду, она перемеща­ется пассивно из участка с более высокой(более положительной) свободной энталь­пии к участку с более низкой (более отри­цательной) свободной энтальпией, т.е. этоэкзергонический процесс, протекающийсамопроизвольно (но не обязательно быс­тро). Так как в биологическом аспекте су-6.1. Энергетика обмена веществ |щественны лишь смеси воды с другимивеществами (например, в клетках и почве —водные растворы, в воздушной среде —водяной пар в газовой смеси), то в энер­гетических расчетах целесообразно приме­нять понятие водного потенциала, илипотенциала воды (и Н2 о)- Молекулы водыне заряжены электрически ( Z H ) 0 = 0), по­этому из уравнения 6.9 выпадает электри­ческая составляющая и оно принимает вид^н 2 о=^н 2 о + К Т 1 п х н 2 о+Р^н 2 о+ёЬМ Н 2 0 .

(6.10)Следовательно, для чистой воды (х н , 0 = 0)в стандартном состоянии (р = 0, h = 0) значе­ние Дн2о = Дн,оСогласно соотношению xH2o = Z , x , = l ,можно выразить концентрационную составля­ющую RTlnx H 2 0 как функцию мольной доливсех растворенных частиц RT In (1 - Х,х,). Дляразбавленных растворов можно приближенноподставить In (1 - х) = -х; применение соотно­шения Z,x, = VH,0£,c„ где с — молярная кон­центрация, дает в итоге уравнениеRTlnx H2 o = RTln (1 -I,x,) =- -RT S,x, = -RTVH202:,c,.Для более концентрированных растворов(как правило, 0,1 М и выше) следует употреб­лять моляльные концентрации (моль-кг') и ак­тивности вместо концентраций.Теперь RT Е,с, = П (П — осмотическое дав­ление, закон Ван-Гоффа). что даетRTlnxH20 » -ПУ Н20 ,(6.11)и отсюдаИн2о =ИНго -П^н 2 о +pVH2o +ghpH2oVH2o, (6.12)raeMH20= Рн 2 о^н,о (Рнр — плотность воды).Поскольку и в этом случае разность хи­мических потенциалов воды, как прави­ло, представляет больший интерес, чем аб­солютная величина потенциала, то при до­полнительном преобразовании относитель­но парциального молярного объема водыв первую очередь определяют отклонениехимического потенциала воды в рассмат­риваемой системе от стандартного состоя­нияVH2o33как водный потенциал раствора.

Далее изуравнения 6.12 следуетЧ ^ р - П + ghp^o-(6.14)*Р имеет размерность энергия/объем(= сила/площадь = давление) и выражает­ся в единицах бар или Па (1 бар = 0,1 МПа).В клеточных масштабах различие в вы­соте не значительно, так что уравнение 6.14после сокращения гравитационной состав­ляющей упрощается далее доЧ* = р - П.(6.15)Водный потенциал раствора, т.е. сво­бодная энтальпия воды на парциальныймолярный объем воды (VH20 = 18 мл), оп­ределяется, таким образом, тремя состав­ляющими потенциалами:• потенциал давления, р (гидростати­ческое давление, при котором раствор не­подвижен);• осмотический потенциал, -П (отри­цательное значение осмотического давле­ния П);• гравитационный потенциал (после­дним при рассмотрении процессов в кле­точных масштабах можно пренебречь).Следует отметить, что гидростатичес­кое давление определяется как отклонениеот давления окружающей среды.

Оно мо­жет принимать как положительные значе­ния («избыточное давление»), так и отри­цательные («разрежение», «откачивание»).Абсолютное давление всегда положитель­но и в полном вакууме соответственно рав­но нулю. Следовательно, потенциал дав­ления воды (р) в стандартном состоянииравен 0 (р = 0), а ее абсолютное давлениесоставляет 1 бар (0,1 МПа).Если между водными потенциаламидвух компартментов имеется различие(ЛЧ* Ф 0), то вода будет постоянно двигать­ся из зоны с более положительным вод­ным потенциалом в зону с более отрица­тельным водным потенциалом. При этомснижается ее свободная энтальпия. Это так­же экзергонический процесс и, следова­тельно, он протекает самопроизвольно.Понятие водного потенциала и след­ствия этой концепции оказываются весь­ма полезными для понимания всего вод­ного обмена растения (см.

6.3).34| ГЛАВА 6. ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ6.1.4.3. Химический потенциалионов и трансмембранныйпотенциалХимический потенциал электрическизаряженных частиц в растворе определя­ется главным образом их концентрацией иэлектрическим зарядом. Соответственноэтому записывается уравнение химическогопотенциала для иона i:и при сведении вместе всех констант пристандартной температуре (Т = 298 К), при­меняя определение значения рН (рН == -log[H+]), получаемАдн+ -0,059ДрН + ДЕ (В).

(6.19)МДдн+Выражениец, = u?+RTlna 1 +FEz,(6.16)(а,=активность иона i; для разбавленных раст­воров а, = с,; с, — молярная концентрация i).Если рассматривать два раствора i вкомпартментах А и В, разделенных элект­роизолирующей мембраной, то разностьхимических потенциалов i, Дд, (называе­мая также электрохимическим потенциа­лом), определяется как Дц, = д,в - д А :обозначается как про­тон-движущая сила (англ. proton motiveforce — pmf) и используется для характе­ристики энергии протонного градиента.При этом две составляющие, каждая поотдельности или совместно, способны вы­полнять работу: с одной стороны, концен­трационный потенциал .ионов водорода(ДрН), с другой — электрический потен­циал (ДЕМ).

Примеры см. в 6.1.5.Для состояния равновесия (Дц, = 0) изуравнения 6.17 получаемДц, = R T l n - ^ + F z ^ E 8 - Е А ) »а,RTm-^+ F z , ( E B - E A ) = 0;аА= R T l n \ + F z , ( E B - E A ) . (6.17)с.Особенное значение в дальнейшем будетиметь электрохимический потенциал ионовводорода на мембранах клетки, так как онпредставляет собой движущую силу многихтранспортных процессов через клеточныемембраны и для синтеза АТФ в хлоропластах (см. 6.4.9), а также и митохондриях (см.6.10.3.3). Для Н+ zH- = 1, и отсюда имеемГН+1ВA H H + = R T l n j g J ^ + F ( E B - Е А ).

(6.18)При этом реакционное пространство Апредставляет внутриклеточный, а реакцион­ное пространство В — внеклеточный (илифункционально внеклеточный) компартменты. Разность потенциалов Е в - ЕА = ДЕМ обо­значается как трансмембранный электричес­кий потенциал (кратко: мембранный потен­циал). В упрощенной форме можно записатьДдн,_F12,3RTF[Н + ]-+ДЕкё[Н+]Здесь и далее log — десятичный логарифм.В отечественной литературе его обычно обозна­чают символом Ig.

— Примеч. ред.ДЕ^ = FBЕА2,3RTFz, i°g-V>так что при Т = 298 КAEN0,059log-0,059l o g \ . (6.20)Это уравнение называется уравнениемНернста (AEN, равновесный потенциалНернста, В).Для сА * с в между обоими компартментами возникает разность потенциалов. Приэффективной 10-кратной разности концен­траций (при z, = 1) разница напряженийсоставит 59 мВ (при z, = 2 соответственно29,5 мВ). Верно обратное: при приложенномпостоянном напряжении в 59 мВ. в состоя­нии равновесия для проницаемого иона меж­ду этими компартментами будет устанавли­ваться разница концентраций в 1:10.6.1.4.4. Окислительно-восстано­вительный потенциалМногочисленные имеющие отношениек биологии превращения веществ протека­ют с восстановлением или окислением ме­таболитов.

Под восстановлением понимаютприсоединение электронов, под окислени-6.1. Энергетика обмена веществ |ем — отдачу электронов молекулой. Окис­ление и восстановление протекают, какправило, как сопряженные процессы (окис­лительно-восстановительные, или редоксреакции). Окислительно-восстановительныереакции можно описать также с помощьюопределенного для ионов в уравнении 6.17химического потенциала (электрохимичес­кого потенциала). При этом для сопряжен­ных реакций Ада + Bred <=» A„.d + Вох уравне­ние Нернста принимает следующий вид:ДЕ = ДЕ2,3RT lQE [A red ][B 0(6.21)Fz' 0 xHBred][Агде R, Т и F — введенные ранее величины;z — число перенесенных согласно формулереакции электронов; ДЕ° — разница стан­дартных окислительно-восстановительныхпотенциалов окислителя и восстановителя:дЕ° = Еов - Е0А.