Lenindzher Основы биохимии т.2 (1128696), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободп>ю энергию в виде пищевых веществ (или солнечного авеню> из окруясаюи)вй среды и возвращая в иве такое все количество энергии в лтенее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое расгеиваетгя во всей осталыюй Вселенной. В заключение следует подчеркнуть, что сам по себе рост энтропии. или увеличение степени неупорядоченности, нельзя считать совершенно бесполезным. Поскольку увеличение энтропии Вселенной при биологических процессах необратимо, оно создает бвилс>щую силу и задает направление всем видам биологической активности.
Живые организмы непрерывно повышают энтропию в окружающей среде, и этим Вселенная расплачивается за поддержание в них внутреннего порядка. Здесь. по-видимому, целесообразно рассмотреть какую-нибудь конкретную химическую реакпию из числа протекаю- ших в клетке, для того чтобы получить представление о возможных величинах изменений разных форм энергии. В аэробных клетках происхолит окисление глюкозы (СаН)эОв) до СО, и Н,О при постоянной температуре и постоянном давлении СеН,эОв + '6Оэ — 6СОэ + 6НэО. Если принять, что эта реакция протекае~ в стандартных условиях, а для термолннамических расчетов это значит, что температура равна 25'С, или 298 К, и давление равно 1 атм (760 мм рт, 07.1 то на 1 моль окисленной глюкозы Ьо = — 686000 кал)моль (саоболиая эиер гия системы.
т.е. реагируюшик молекуд умеиьшилась) ЬН = ° 673000 кап)моль (реагируюшие молекулы отдали тепло) ьн -ьп Ьз=---- т — 673000 — ( — 686000) 298 =- ч- 44 кал/моль град (эитропия вселеииоа увеличилась! Увеличение степени молекулярной неупорядоченности, или энтропии, которым сопровожлается окисление глюкозы, можно представить себе достаточно наглядно с помощью примера, приведенного в дополнении 14З. 14.2. Клетжа)н необходима евободнан энергии Тепло не является для клеток сколько- нибудь существенным источником энергии, так как тепло способно производить работу лишь в том случае, если оно переходит от более нагретого тела к более холодному или из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой.
Кроме того, к.п.д. теплового двигателя зависит. как известно. от разности температур между нагретым и холодным телом; чем эта разность больше, ГЛ. !4. АТР-ЦИКЛ И БИОЭНЕРГЕТИКА КЛЕТКИ тем ббльшая доля тепловой энергии может быть превращена в работу. Поскольку в живых кле~ках температура в любой точке практически одинакова, они не способны использовать тепловую энергию.
Тепло служит им лишь для подлержания оптимальной рабочей температуры. Пригодная для клеток форма энергии, т.е. та форма, которую они и могут, и должны использовать;это свободная энергия, способная производить работу при постоянной температуре и постоянном давлении. Гетеротрофные клетки извлекают необхолимую им энергию из богатых энергией пищевых веществ, а для фотосинтезируюшнх клеток ее источником служит улавливаемая ими энергия солнечного света.
Полученная своболная энергия перевалится теми и другими клетками в одну и ту же форму — в химическую энергию, которая затем используется для выполнения работы в процессах, не связанных со сколько-нибудь заметным перепадом температур. Попросту говоря, клевки — эяю химические двигавели, работающие в условиях постоянства температуры и давления. Теперь мы познакомимся с тем, как измеряют и в какой форме выражают свободную энергию химических реакций.
14З. Изменение стандартной свободной энергии химической ренкннн мОжнО нычисгтнть Любая химическая реакция характеризуется определенным изменением свандарвиай свободной энергии А6в. [Ниже будет показано, что величина А6в отличается от величины А6, которую получают из уравнения(1).] Для данной химической реакции изменение стандартной свободной энергии есть величина постоянная; ее можно вычислить из константы равновесия этой реакции для сваядарвных условий, т. е.
температуры 25 С (298 К) и давления 1 атм (760 мм рт. ст.). Константа равновесия К„' реакции А + В С + 0 равна (разд. 4.5) [С] [О] [А][В] ' где [А], [В], [С] и [Щ- малярные концентрации реагирующих веществ в состоянии равновесия при стандартных условиях. Уравнение реакции, в которой участвует больше одной молекулы исходных вегцеств н конечных пролуктов„ имеет вид аА + ЬВ а~ сС Ч дВ, где а„Ь, с и д-число молекул реагирующих веществ А, В, С н 13. В этом случае константа равновесия равна Теперь, когда мы определили константу равновесия химической реакции, мы можем вычислить изменение стандартной свободной энергии для этой реакции, которое принято выражать в калориях на моль реагируюше! о вегцества.
Калория-зто единица, чаше всего применяемая в биологии для измерения энергии. Численно она равна количеству энергии в форме теплоты, которое необходимо для нагревания 1,00 г воды от 15 до 18' С, Изменение стандартной свободной энергии А6" вычисляют нз уравнения А6~ = — 2,303)(Т)8К ", где й газовая постоянная [1,987 кал,' )(моль К)] и Т-абсолютная температура, в данном случае 298 К. Для химической реакции, у которой константа равновесия равна 1,О, изменение стандартной свободной энергии А6в = О, потому что логарифм 1,0 равен нулю.
Если константа равновесия ланной реакции больше 1,0, то величина А6е отрицательна; если же она меньше 1,0, то величина А6 положительна Полезно также опрелелить изменение стандартной свободной энергии и другим путем. А6в -это разность между своболной энергией исходных веществ и своболной энергией продуктов реакции прн стандартных условиях„ т.е, при температуре 298 К, давлении 1 атм н исходных концентрациях всех компонентов реакпии 1,0 М. Отрицательное значение А6в означает, что в продуктах реакции содержится меньше свободной энергии, чем ЧАСТЬ П. БИОЭНЕРГЕТИКА И МЕТАБОЛИЗМ воат к«х/ыохь 0,001 0,0! 0,1 1,0 10,0 ! 00,0 1000,0 ф 4089 + 2726 + 1363 0 — 1363 — 2726 — 4089 Ньор«в«св«с ркккок« орк «схонных «окчкнхр«окхх «оы«оке«то« <.О М ы 1.0 Отрнпатс.<ы<ос 1.0 Равно нулю Слева направо Состояние равновесия Справа нанево с 1,0 Положительное в исходных веществах, а потому при стандартных условиях равновесие будет смещено вправо, т.е.
в сторону образования продуктов, поскольку все реакции стремятся илти в направлении. соответствующем уменьшению свободной энергии системы. Положительное значение Лбе означает, ч<о продукты реакции содержат больше свободной энергии, чем исходные вещества. Поэтому реакция при исходных концентрациях компонентов 1,0 М буде~ идти в обратном направлении, справа налево. Сформулируем это более четко. При исходных концентрациях всех компонентов 1,0 М реакции, лля которых величина <)бо отрицательна. идут в направлении слева направо до тех пор, пока не установится равновесие.
Реакции же, лля которых в этих же условиях величина Або положительна, идут в обратном направлении, т.е. справа налево, до установления равновесия. В табл. 14.! показана зависимость напранления реакции от знака Лбе В сусцногти, иул<счснис стандар<нной свободной энергии любой химичсгкай рсикчии.-это просто адин иэ возможных способов л<атсмитичсскаго выражения ес конгта<нны ривнавесия. В табл.
14.2 показаны соотношения межлу численными значениями ЬС<о и К '. Тнйэнцн 14-1 С<ютношснвс между величинами К,„' н йб" и направление химических реакций прн станлартных условиях Отметим два существенных обстоятельства. Поскольку биохимические реакции протекают обычно при значениях рН. близких к 7,0, и нередко сопрово- Таблица 14-2. Соотношение ысжлу константами равном.сня н величинами изменения стандартной сюбодной энергии химических реакций ждаются обраюванием или потреблением ионов Н , в биохимической энергетике в качестве сгаандартнага принято сос<ноннис нри рН 7,0. Изменение станлар< ной свободной энергии биохимических систем при рН 7,0 обозначается символом Лбо, которым мы и будем пользоваться в дальнейшем.
Второе замечание касается единип энергии. В Международной системе единиц (СИ) за единицу энергии принят джоуль (Дж). Название это дано в честь английского физика Джеймса Джоуля (1818- !889Ь который впервые получил экспериментальное подтверждение первого закона термодинамики .закона сохранения энергии. Однако в медицине и биологии энергию принято выражать в калориях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
