Том 1 (1128365), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Эта компонента называется свободной энергией иобозначается символом G. Прирост свободной энергии связан с приростамитепла и энтропии соотношениемгде ΔН - тепло, выделенное и поглощенное в соответствующей реакции(называемое также приростом энтальпии) , Т - абсолютная температура, Sэнтропия (измеряется в кал/моль·К). Из этого соотношения с очевидностьюследует, что реакция, не приводящая к изменению температуры (Δ H = 0),сопровождается убыванием свободной энергии (т.е. Δ G < 0), если энтропиявозрастает (ΔS > 0), и наоборот.Поскольку энергия передается в том направлении, которое связано сувеличением энтропии (второй закон термодинамики), химические реакциипротекают самопроизвольно, если они сопровождаются возрастанием энтропии(и, следовательно, убыванием свободной энергии).
Иначе говоря, движущейсилой химических реакций является уменьшение свободной энергии.Неизбежная тенденция к возрастанию энтропии, сопровождаемая столь женеизбежным превращением полезной химической энергии в бесполезнуютепловую, заставляет живые системы время от времени захватывать новыепорции энергии, чтобы поддерживать свой структурный и функциональныйстатус-кво. Фактически способность извлекать полезную энергию изокружающей среды является одним из тех замечательных свойств, которыеотличают живые системы от неживых.За исключением хемоавтотрофных бактерий и водорослей, которыеполучают энергию в ходе окисления неорганических соединений, и техживотных, которые питаются этими организмами, вся жизнь на Земле зависитот энергии излучения, поступающей от Солнца.
Эта электромагнитная энергия(включая видимый свет) рождается в процессе ядерного синтеза,сопровождаемого превращением энергии, заключенной в структуре ядер, вэнергию излучения. В этом процессе происходит слияние четырех ядер атомовводорода с образованием одного ядра атома гелия, в результате чеговысвобождается огромное количество энергии.Рис. 3.3. Связь между различными трофическими уровнями. Стрелками показано направление передачиэнергии.
Ясно, что ключевую роль играют зеленые растения и растительноядные животные.Немаловажное значение в круговороте органических веществ принадлежит бактериальным редуцентам.(Keeton, 1972.)Очень небольшая часть этой энергии излучения попадает на нашу планету, и всвою очередь небольшая ее доля поглощается молекулами хлорофилла в зеленыхрастениях и водорослях. Активированные фотонами молекулы хлорофиллапередают эту уловленную энергию, используя электроны в качествепосредников, к различным акцепторам электронов. В конце концов этиэлектроны используются в темновых реакциях фотосинтеза, с помощью которыхрастение усваивает воду и углекислый газ с образованием глюкозы. Перестройкаатомов - составляющих молекул воды и двуокиси углерода - в молекулыуглеводов осуществляется за счет утилизации энергии, уловленнойхлорофиллом.
Химическую энергию, запасенную в структуре глюкозы, растениямогут постепенно расходовать далее в процессе клеточного дыхания.Энергетические потребности всех животных удовлетворяются в итоге за счетфотосинтеза путем использования углеводов, жиров и белков, синтезированныхзелеными растениями. Растительноядные животные (например, кузнечиковые,крупный рогатый скот) получают эти богатые энергией соединения, поедая самирастения, тогда как к хищникам (например, паукам, кошкам) и к животным,питающимся падалью52(например, омарам, грифам), они поступают от посредников.
На рис. 3-3схематически показано распределение химической энергии между различнымитрофическими уровнями.Далее в этой главе мы рассмотрим те пути химических превращении, покоторым высвобождается энергия в животных клетках при окислениисодержащихся в пище веществ с образованием Н 2О и СО2. Сначала, однако,было бы полезно остановиться на некоторых общих принципах переносаэнергии в химических реакциях, а также свойствах ферментов - биологическихкатализаторов, благодаря которым биохимические реакции могут протекатьдостаточно быстро при физиологических температурах.5350 :: 51 :: 52 :: 53 :: Содержание53 :: 54 :: 55 :: Содержание3.2.
Перенос химической энергиив системе сопряженных реакцийСуществует несколько типов биохимических реакций, но такие иххарактеристики, как скорость и кинетика, можно рассмотреть на примерепростой реакции обмена, в которой молекулы двух исходных веществ, А и В,реагируют друг с другом с образованием двух новых молекул - продуктов С и D:Стрелки показывают, что эта реакция обратима. Вообще говоря,обратимой, т.е.
идущей в обоих направлениях, является любая химическаяреакция при условии, что ее продукты остаются в растворе. У некоторыхреакций, однако, тенденция идти в прямом направлении настолько сильнееобратной тенденции, что их можно считать практически необратимыми.Реакция идет преимущественно в прямом направлении, если при этомпроисходит высвобождение химической энергии (т.е. если продукты реакцииобладают меньшей свободной энергией, чем исходные реагирующие вещества)и, таким образом, изменение свободной энергии в этой реакции отрицательно. Вданном случае исходные вещества обладают большей потенциальной энергией,чем продукты реакции (рис. 3-4,A); такие реакции называются экзоэргическимиили экзотермическими.
Они обычно протекают с выделением тепла. Примеромможет служить реакция окисления водорода:Эта реакция может идти в обратном направлении в процессе фотосинтеза засчет использования энергии квантов света, уловленных хлорофиллом:Данная реакция, требующая притока энергии извне, служит примеромэндоэргической или эндотермической, реакции, идущей "в гору" (рис. 3-4,Б).Количество энергии, выделяемой или поглощаемой в реакции,непосредственно связано с константой равновесия K'eq этой реакции.
Онапредставляет собой отношение двух величин - величины, зависящей отконцентраций продуктов реакции, к величине, зависящей от концентрацийисходных реагирующих веществ, - после достижения равновесия, т.е. состояния,когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми и,следовательно, концентрации исходных реагирующих веществ и продуктовбольше не "меняются. Для реакции типа (3-2)где [А] и [В], [С] и [D] - равновесные молярные концентрации соответственноисходных реагирующих веществ и продуктов реакции. Очевидно, что чемсильнее тенденция к протеканию реакции в прямом направлении, т. е. к сдвигуравновесия вправо, тем больше величина K'eq.
Эта тенденция зависит отРис. 3.4. А. Экзоэргическая (идущая "под гору") реакция-это такая реакция, в которой образующиесяпродукты обладают меньшей потенциальной энергией по сравнению с исходными реагирующимивеществами. Б.Эндоэргическая (идущая "в гору") реакция требует поступления энергии извне, так как в продуктахреакции заключена большая потенциальная энергия, чем в исходных реагентах.
(Baker, Allen, 1965.)53разности ΔG свободных энергий продуктов реакции С и D, с одной стороны, иисходных реагирующих веществ А и В - с другой. Чем больше эта разность, темсильнее сдвинуто равновесие вправо и тем больше K'eq. Константа равновесиясвязана с приростом стандартной свободной энергии ΔG° химической системысоотношениемИз равенства (3-4) следует, что если K'eq > 1, то ΔG° < 0, а если K'eq < 1, тоΔG° > 0. Экзоэргические реакции сопровождаются убыванием свободнойэнергии, т. е. для них ΔG° < 0. Следовательно, они протекают самопроизвольно,не нуждаясь в энергии извне. Эндоэргические реакции характеризуютсяположительным значением ΔG°, т.е. требуют притока энергии самопроизвольно реакция не пойдет.
Одни биохимические процессы в живыхклетках являются экзоэргическими, другие - эндоэргическими. Экзоэргическиепроцессы, протекая самопроизвольно в соответствующих условиях, непредставляют особых проблем с точки зрения энергетики. Эндоэргические жепроцессы, напротив, необходимо "подталкивать". В клетке это обычноосуществляется с помощью сопряженных реакций, в которых для передачихимической энергии от молекулы с относительно высоким ее содержанием креагенту с более низким содержанием энергии используется общийпромежуточный продукт. В результате исходный реагент превращается в болеевысокоэнергетическое соединение, которое может "подтолкнуть" реакцию,затратив часть энергии. Этот принцип иллюстрирует рис. 3-5, где А, X, Y и Z гипотетические соединения.
Звездочка у символа А означает, что данноесоединение содержит высокоэнергетическую группу. Эта группа переносится снекоторой потерей свободной энергии на X в реакции 1. В результате Xпревращается в высокоэнергетический промежуточный продукт X*. Какпоказано на рисунке, данная реакция, как и реакции 2 и 3,-экзоэргическая. Вреакции 2 высокоэнергетическая группа переносится с X* не реагент Y, приэтом также теряется некоторая часть свободной энергии. Имея такуювысокоэнергетическую группу, реагент Y, (теперь уже Y*) можетсамопроизвольно реагировать с Z с образованием соединения YZ, свободнаяэнергия которого выше, чем суммарная свободная энергия исходныхкомпонентов Y и Z, но ниже, чем Y* + Z.
Таким образом, химическая энергия,заключенная в молекуле А*, через посредствоРис. 3.5. Сопряженные реакции. 1. Высокоэнергетическая молекула А* передает энергию соединению X собразованием промежуточного продукта X*. 2. Последний в свою очередь реагирует экзоэргически с Y,образуя промежуточный продукт У* (3), который далее реагирует экзоэргически с Z. 4. Реакция Y+ Z,будучи эндоэргической, не могла бы осуществиться без передачи химической энергии от X* к Y.Рис. 3.6.
Механический аналог сопряженной реакции: энергия, которую необходимо затратить на подъемгруза массой 3 кг, обеспечивается за счет падения другого груза массой 10 кг.54общих промежуточных продуктов X* и Y* используется для синтеза YZ из Y и Z(реакция 4).На рис. 3-6 изображен механический аналог сопряженной реакции.Потенциальная энергия левого груза массой 10 кг, который опускается вниз свысоты 1 м, уменьшается на 10 м·кг, при этом правый груз массой 3 кг,потенциальная энергия которого вначале была равна 0, поднимается на ту жевысоту 1 м. Очевидно, что груз, который опускается под действиемсобственного веса, может поднять другой груз только тогда, когда его массабольше, чем у поднимаемого груза.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
