5806256260

Część III: Termodynamika układów biologicznych

■ AG > O - reakcja przebiega spontanicznie, ale w odwrotnym kierunku Przebieg reakcji można też przedstawić graficznie w formie wykresu wartości entalpii swobodnej układu, G, w funkcji współrzędnej reakcji, jak na rysunku powyżej.

Na gruncie chemii fizycznej można wyprowadzić zależność zmian entalpii swobodnej od stężeń substratów i produktów:

AG = AG°+RTln^2.

^CA'^CB

gdzie: AG⁰ - standardowa zmiana entalpii swobodnej, czyli dla jednostkowych stężeń substratów i produktów.

Ponieważ w stanie równowagi AG = 0, więc:

AG⁰ = -RTln^-^-

c_A-c_B

gdzie: cf - stężenie i-tej substancji w stanie równowagi. Jeżeli wprowadzimy teraz pojęcie stałej równowagi, K, zdefiniowanej jako:

to otrzymamy znane zależności:

AG⁰ = -RTlnK i AG = RTln^Cc'^Cp -RTlnK

c_A-c_B

Drugie z tych równań nosi nazwę izotermy van’t Hoffa i może być zastosowane do wyznaczania wartości AG⁰ i K.

Należy bardzo wyraźnie zwrócić uwagę, że o kierunku przebiegu reakcji decyduje AG, a nie AG⁰, czyli zmiana entalpii swobodnej przy aktualnych stężeniach substratów i produktów. Jest to szczególnie ważne w układach biologicznych, w których stężenia niektórych substratów lub produktów mogą być utrzymywane na stałym poziomie zdecydowanie różnym niż innych substancji biorących udział w reakcji.

Przykład:

Procesowi przemiany glukozy w 2 cząsteczki kwasu mlekowego (reakcja glikolizy)

C6H,₂0₆=>2C,H₆0.,

odpowiada standardowa zmiana entalpii swobodnej równa AG⁰ = -138 kJ/mol. W komórce stężenia glukozy i kwasu mlekowego są dosyć ściśle regulowane i utrzymują się na poziomie 0,005 M dla glukozy i 0,001 M dla kwasu mlekowego. Po prostych przeliczeniach wynika, że zmiana entalpii swobodnej tej reakcji w warunkach wnętrza komórki wynosi AG =-159 kJ/mol. Tak więc reakcja ta przebiega w tych warunkach spontanicznie i może być źródłem energii dla komórki.

Niektóre bakterie zdolne są do wiązania gazowego azotu i utleniania go do jonów azotanowych:

10