Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

2.5: Вільна енергія Гіббса

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    4392

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Більшу частину часу ATP є «акумуляторною батареєю» клітин (див. Також «Молекулярні резервні копії для м'язів нижче). Для того щоб зрозуміти, як захоплюється енергія, ми повинні спочатку зрозуміти вільну енергію Гіббса і при цьому ми починаємо бачити роль енергії у визначенні напрямків хімічних реакцій. Вікіпедія визначає вільну енергію Гіббса як «термодинамічний потенціал, який вимірює «корисну» або ініціюючу процес роботу, отриману з ізотермічної, ізобарної термодинамічної системи», і далі вказує, що це «максимальна кількість роботи без розширення, яку можна витягти із замкнутої системи; це
    максимум може бути досягнутий лише в повністю оборотному процесі».

    Математично вільна енергія Гіббса дається як

    \[G = H – TS\]

    де Н - ентальпія, T - температура в Кельвіні, а S - ентропія.

    При стандартній температурі і тиску кожна система прагне досягти мінімуму вільної енергії. Таким чином, збільшення ентропії зменшить вільну енергію Гіббса. Аналогічно, якщо є надлишкове тепло (зменшення ентальпії), вільна енергія також може бути зменшена. Клітини повинні працювати в рамках законів термодинаміки, як зазначалося, тому всі їх біохімічні реакції теж мають обмеження. Тепер розглянемо енергію в клітці. Зміна вільної енергії Гіббса (ΔG) для реакції має вирішальне значення, оскільки вона, і вона сама, визначає, чи йде реакція вперед.

    \[ΔG = ΔH – TΔS,\]

    Виділяють три випадки:

    • ΔG < 0 - реакція протікає як написано
    • ΔG = 0 - реакція знаходиться в рівновазі
    • ΔG > 0 - реакція протікає в зворотному напрямку

    Для реакції aA <=> bB (де 'a' і 'b' є цілими числами, а A і B - молекулами) при рН 7 ΔG можна визначити за наступним рівнянням,

    \[ΔG = ΔG°’ + RT\ln \dfrac{([B]^b}{[A]^a}\]

    Для кількох реакцій субстрату, таких як Aa+ cC <=> bB+ dD

    \[ΔG = ΔG°’ + RT\ln \dfrac{[B]^b[D]^d}{[A]^a[C]^c}\]

    Термін ΔG° називається зміною стандартної вільної енергії Гіббса, яка є зміною енергії, яка відбувається, коли всі продукти та реагенти знаходяться в стандартних умовах, а рН становить 7,0. Це постійна для даної реакції.

    Якщо говорити простою мовою, якщо зібрати всі терміни чисельника разом і назвемо їх {Products} і всі терміни знаменника разом і назвемо їх {Reactants},

    \[ΔG = ΔG°’ + RT \ln \dfrac{Products}{Reactants}\]

    Для більшості біологічних систем температура, Т, є постійною для даної реакції. Оскільки ΔG°' також є постійною для даної реакції, ΔG змінюється майже виключно у міру зміни співвідношення {Products}/{Reactants}. Якщо хтось починається зі стандартних умов, де все, крім протонів, знаходиться на рівні 1M, термін rtLn ({Products}/{Reactants}) дорівнює нулю, тому термін ΔG° 'визначає напрямок реакції. Ось чому люди кажуть, що негативний ΔG°' вказує на енергетично сприятливу реакцію, тоді як позитивний ΔG°' відповідає несприятливій.

    Збільшення співвідношення {Products}/{Reactants} призводить до того, що значення природного терміну log (ln) стає більш позитивним (менш негативним), тим самим роблячи значення ΔG більш позитивним. І навпаки, коли співвідношення {Products}/{Reactants} зменшується, значення природного терміна журналу стає менш позитивним (більш негативним), що робить значення ΔG більш негативним.

    Інтуїтивно це має сенс і відповідає принципу Ле Шательє - система реагує на стрес, діючи, щоб полегшити стрес. Якщо дослідити ΔG на реакцію в замкнутій системі, то побачимо, що вона завжди буде рухатися до значення нуля (рівноваги), незалежно від того, починається вона з позитивного або негативного значення.

    Інший тип вільної енергії, доступної для клітин, - це те, що генерується електричним потенціалом. Наприклад, мітохондрії і хлоропласти частково використовують куломбічну енергію (на основі заряду) з протонного градієнта через свої мембрани для забезпечення необхідної енергії для синтезу АТФ. Подібні енергії керують передачею нервових сигналів (диференціальний розподіл натрію і калію) і рух деяких молекул у вторинних активних транспортних процесах через мембрани (наприклад, H+диференціальний рух лактози). З рівняння зміни вільної енергії Гіббса

    \[ΔG = ΔH – TΔS\]

    слід зазначити, що підвищення ентропії допоможе посприяти зниженню ΔG. Це трапляється, наприклад, коли велика молекула розбивається на менші шматочки або коли перестановка молекули збільшує розлад молекул навколо неї. Остання ситуація виникає в гідрофобному впливі, який допомагає керувати згортанням білків.

    Дописувачі