2.3. Направление химической реакции определяется величиной изменения свободной энергии.

Все реакции, протекающие в клетке, можно разделить на экзергонические и эндергонические. Первые идут с выделением энергии, которая может быть рассеяна в виде тепла в окружающую среду. Вторые требуют энергетических затрат и, как правило, способствуют созданию сложной организации и поддержанию внутреннего порядка.

Изменение энергии, которое сопровождает химические реакции, можно проанализировать количественно, используя термодинамические параметры:

*S - энтропия, как мера неупорядоченности системы ( измеряется в специальных энтропийных единицах и выводиться как логарифмическая функция вероятности двух состояний.

Т – абсолютная температура (К⁰);

Р - давление;

V – объем;

Е – внутренняя полная энергия системы;

S – энтропия;

H – энтальпия, или теплосодержание системы;

G - cвободная энергия системы;

При постоянном Р , Т и V изменение общей энергии системы ( ) в результате химической реакции будет равно изменению теплосодержания системы ( Н), т.е. тепловому эффекту реакции. В этих условиях термодинамические параметры связаны соотношением:

G = Н – TS;

Для характеристики реакций, которые протекают при постоянной температуре и давлении и объеме, наиболее важным термодинамическим параметром является изменение свободной энергии Гиббса (G). Этот показатель характеризует энергию, которая поглощается или выделяется в ходе реакции или может быть передана в другую химическую реакцию. Для биохимических реакций, протекающих в растворе при низких концентрациях веществ, изменение свободной энергии в результате реакции: aA + bB = cC + dD

можно определить при помощи уравнения:

G = G₀ + 2.3RTlg([C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b ) Дж ^. моль^-1

где R - газовая постоянная (8,31 Дж· град^-1 ·моль^-1 );

T - абсолютная температура (К⁰);

[A], [B], [C], [D] - молярные концентрации реагирующих веществ;

G₀ - изменение стандартной свободной энергии данной реакции;

Величина G имеет значение стандартной G₀,, если реакция протекает при температуре 25⁰ С и давлении1 атм, а концентрации субстратов и продуктов реакции одинаковы и равным 1 М. Для биохимических реакций используется показатель G₀^/, определяемый при рН=7,0.

Для данной реакции G₀^/ есть величина постоянная, тогда как величина G^/ зависит от концентрации реагирующих веществ и указывает, насколько данная реакция далека от равновесия. При достижения равновесия G ^/ =0, и тогда G₀^/ можно определить через константу равновесия химической реакции:

G₀ = 2,3RT lg K^/_равн.

где K^/_равн. - константа равновесия химической реакции;

Значения G^/₀ установлены для большого числа биохимически важных реакций и приводятся в специальной литературе.

Для того, чтобы оценить энергетику реакции и предсказать ее направление важно знать, положительное или отрицательное изменение G^/ сопровождает данную реакцию. Если G^/ - величина отрицательная, то мы имеем дело с экзергонической реакцией, которая может протекать спонтанно с выделением энергии. Если реакция характеризуется положительным значением G^/ , то она требует энергетический затрат и самопроизвольно идти не может. Такая эндергоническая реакция возможна только в том случае, если существует механизм, с помощью которого она получит энергию из экзергонической реакцией с отрицательным G^/_. Процесс, в результате которого энергия, выделяемая в ходе экзергонической реакции, не рассеивается в виде тепла, а передается другой реакции, называется энергетическим сопряжением, а сами реакции – сопряженными.

Каким образом происходит сопряжение множества энергодающих и энергозависимых реакций в клетке, где они протекают в разных компартментах и разделены во времени? Для того, чтобы интегрировать метаболизм в единое целое, вся поступающая в клетку энергия, будь то световая энергия, или энергия субстратов дыхания, сначала преобразуется и запасается в форме универсальных энергетических и восстановительных эквивалентов. Универсальными, или конвертируемыми формами клеточной энергии в растительной* клетке являются трансмембранный градиент электрохимического потенциала ионов водорода ⁺ и аденозинтрифосфат (АТФ). Важнейшими восстановительными эквивалентами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАДН)

*На плазматической мембране клеток животных, а также некоторых морских бактерий, в качестве конвертируемой формы энегии используется трансмембранный градиент ионов натрия а⁺ .

и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН). В фотосинтезе поглощение света сопровождается восстановлением НАДФН и синтезом АТФ в хлоропластах. В процессе дыхания, который имеет место в клетках растений и животных, восстановленный НАДН и АТФ образуются в митохондриях. И в том, и в другом случае синтез АТФ опосредован образованием на тилакоидной или митохондриальной мембране электрохимического протонного градиента ⁺.