Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Энергетика биохимических реакций
Термодинамика
Критерий самопроизвольности процесса
Как мы видели, одни самопроизвольные процессы, например горение органических соединений, сопровождаются выделением тепла (∆Н отрицательно), а другие идут с поглощением тепла из окружающей среды (∆Н положительно). Примером процессов второго типа служит плавление льда при температуре чуть выше 0 °С. В этом случае в процессе плавления происходит большое изменение энтропии воды, а в равновесии при 0 °С численное значение T∆S оказывается в точности, равным — ∆Н [уравнение (3-6)].
Тот факт, что в равновесии ∆Н—T∆S = 0, навел Дж. Гиббса на мысль, что можно ввести термодинамическую функцию, позволяющую получить критерий самопроизвольного процесса, — теперь эта функция известна как свободная энергия Гиббса
G=H—TS. (3-13)
Для процессов, протекающих при постоянных температуре и давлении, изменение G есть
∆GT,P = ∆Н—T∆S. (3-14)
Более того, для обратимых (равновесных) процессов, в ходе которых совершается только работа по изменению объема,
∆GТ,обратим = ∆Н - T∆S = 0. (3-15)
Можно легко показать, что для любого самопроизвольного (необратимого) процесса ∆G отрицательно. Такие процессыназываются экзергоническими. Если же ∆G положительно, то реакция сама не пойдет; такие реакции называются эндергоническими. Понижение свободной энергии (—∆G) —это мера максимального количества работы, которую можно совершить с помощью данной реакции, если, конечно, реакция как-то сопряжена с системой, способной в ходе обратимого процесса совершать работу. Эта работа может быть электрической, мышечной или осмотической, совершаемой за счет реакций, протекающих в биологических системах. В любой реальной системе совершаемая работа неизбежно меньше —∆G, поскольку реальные процессы необратимы, т. е. сопровождаются возрастанием энтропии.
Возвращаясь к высказанному ранее предположению о том, что ∆Н может служить мерой совершаемой работы, заметим, что T∆S для большинства реакций составляет лишь несколько килокалорий. Следовательно, если ∆Н велико (например, при сгорании питательных веществ), то оно не слишком сильно отличается от ∆G для того же процесса. Этим оправдывается использование калорийности пищи как приблизительной меры работы, совершаемой в результате усвоения пищи организмом.