Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 6
Lekcja 3: Energia swobodnaEnergia swobodna
Zmiana energii swobodnej Gibbsa (ΔG) i jej powiązanie ze spontanicznością i równowagą reakcji. Tłumaczenie na język polski: Fundacja Edukacja Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Wprowadzenie
Kiedy słyszysz termin „energia swobodna”, co myślisz? Cóż, jeśli jesteś zwariowany jak ja, może pomyślałeś o stacji benzynowej rozdającej gaz. Albo, jeszcze lepiej, panelach słonecznych używanych do zasilania gospodarstwa domowego za darmo. Istnieje nawet rockowy zespół z Filadelfii o nazwie Free Energy (potwierdzający moje wieloletnie podejrzenie, że wiele terminów biologicznych byłoby świetną nazwą dla zespołów rockowych).
Nie są to jednak definicje „energii swobodnej”, o której będziemy dyskutować w tym artykule. Zamiast tego przyjrzymy się rodzajowi energii swobodnej, która jest związana z konkretną reakcją chemiczną i która może stanowić miarę tego, ile energii użytecznej jest uwalniane (lub zużywane), gdy ta reakcja ma miejsce.
Energia swobodna
Proces może zajść spontanicznie, bez dodatkowej energii, tylko wtedy, gdy zwiększy entropię wszechświata jako całości (lub, w przypadku procesu odwracalnego, pozostawi ją niezmienioną) – jest to Druga Zasada Termodynamiki. Ale, przynajmniej dla mnie, jest to abstrakcyjna definicja. Jak możemy uczynić ją bardziej konkretną i wykorzystać ją, by dowiedzieć się, czy nastąpi reakcja chemiczna?
Zasadniczo potrzebujemy pewnego rodzaju miary, która będzie rejestrować wpływ reakcji na entropię wszechświata, w tym zarówno układu reakcji, jak i jego otoczenia. Obydwa te czynniki są zawarte pod jednym pojęciem zwanym energią swobodną Gibbsa.
Energia swobodna Gibbsa (G) układu jest miarą ilości użytecznej energii (energii, która może być zamieniona w pracę) w tym układzie. Zmiana energii swobodnej Gibbsa podczas reakcji dostarcza użytecznych informacji na temat energii i spontaniczności reakcji (czy może to nastąpić bez dostarczania dodatkowej energii). Możemy napisać prostą definicję zmiany energii swobodnej Gibbsa jako:
Innymi słowy, ΔG jest zmianą energii swobodnej układu, gdy przechodzi z pewnego stanu początkowego, takiego jak wszystkie substraty, do innego stanu końcowego, takiego jak wszystkie produkty. Ta wartość mówi nam o maksymalnej użytecznej energii, która może być uwolniona (lub zaabsorbowana) przechodząc ze stanu początkowego do końcowego. Ponadto jej znak (dodatni lub ujemny) mówi nam, czy reakcja nastąpi spontanicznie, czyli bez dostarczania dodatkowej energii.
Kiedy mówimy o energii swobodnej Gibbsa, musimy poczynić pewne założenia, takie jak stała temperatura i ciśnienie; jednakże warunki te są w przybliżeniu prawdziwe dla komórek i innych żywych systemów.
Energia swobodna Gibbsa, entalpia i entropia
W praktycznej i często stosowanej formie równania na zmianę energii swobodnej Gibbsa, ΔG oblicza się na podstawie zestawu parametrów, które mogą być zmierzone przez naukowców: zmiany entalpii i zmiany entropii reakcji, oraz temperatury, w której zachodzi reakcja.
Cofnijmy się i spójrzmy na każdą składową tego równania.
- ∆H to zmiana entalpii. Entalpia w biologii odnosi się do energii zmagazynowanej w wiązaniach, a zmiana entalpii to różnica energii wiązań między produktami i substratami. Ujemne ∆H oznacza, że ciepło jest uwalniane podczas przechodzenia od substratów do produktów, podczas gdy dodatnie ∆H oznacza, że ciepło jest pochłaniane. (Ta interpretacja ∆H zakłada stałe ciśnienie, które jest rozsądnym założeniem wewnątrz żywej komórki).
- ∆S to zmiana entropii układu podczas reakcji. Jeśli ∆S jest dodatnia, układ staje się bardziej nieuporządkowany podczas reakcji (na przykład, gdy jedna duża cząsteczka dzieli się na kilka mniejszych). Jeśli ∆S jest ujemne, oznacza to, że system staje się bardziej uporządkowany.
- Temperatura (T) określa względny wpływ warunków ∆S i ∆H na całkowitą zmianę energii swobodnej reakcji. (Im wyższa temperatura, tym większy wpływ ∆S w stosunku do ∆H.) Zauważ, że temperatura musi być tutaj w Kelvinach (K), aby równanie działało prawidłowo.
Reakcje o ujemnej ∆G uwalniają energię, co oznacza, że mogą zachodzić bez dostarczania energii (są spontaniczne). W przeciwieństwie do tego, reakcje z dodatnim ∆G wymagają dostarczenia energii, aby mogły zajść (są nie spontaniczne). Jak widać z powyższego równania, zarówno zmiana entalpii, jak i zmiana entropii przyczyniają się do ogólnego znaku i wartości ∆G. Gdy reakcja uwalnia ciepło (ujemne ∆H) lub zwiększa entropię układu, czynniki te powodują, że ∆G jest bardziej ujemna. Z drugiej strony, gdy reakcja pochłania ciepło lub zmniejsza entropię systemu, czynniki te czynią ∆G bardziej dodatnią.
Patrząc na ∆H i ∆S, możemy stwierdzić, czy reakcja będzie spontaniczna, nie spontaniczna, czy spontaniczna tylko w określonych temperaturach. Jeśli reakcja uwalnia ciepło i zwiększa entropię, zawsze będzie spontaniczna (ma ujemną wartość ∆G), niezależnie od temperatury. Podobnie reakcja, która pochłania ciepło i zmniejsza entropię, nie będzie spontaniczna (dodatnia ∆G) we wszystkich temperaturach. Niektóre reakcje mają jednak mieszankę korzystnych i niekorzystnych właściwości (uwalnianie ciepła, ale zmniejszanie entropii lub pochłanianie ciepła, ale zwiększanie entropii). ∆G i spontaniczność tych reakcji będzie zależeć od temperatury, co podsumowano w tabeli po prawej stronie.
Reakcje endoenergetyczne i egzoenergetyczne
Reakcje o ujemnej ∆G uwalniają energię swobodną i nazywane są reakcjami egzoenergetycznymi. (Przydatna wskazówka: EXoenergetyczny oznacza energię opuszczającą (EXit) system.) Ujemna ∆G oznacza, że substraty (stan początkowy) mają więcej energii swobodnej, niż produkty (stan końcowy). Reakcje egzoenergetyczne nazywane są również reakcjami spontanicznymi, ponieważ mogą zachodzić bez dostarczania energii.
Z drugiej strony, reakcje z dodatnim ∆G (∆G> 0) wymagają dostarczenia energii i są nazywane reakcjami endoenergetycznymi. W tym przypadku produkty (stan końcowy) mają więcej energii swobodnej niż substraty (stan początkowy). Reakcje endoenergetyczne nie są spontaniczne, co oznacza, że energia musi zostać dostarczona, by reakcja mogła zajść. Możesz myśleć o reakcjach endoenergetycznych jako o magazynowaniu dodatkowej energii w produktach wysokoenergetycznych, które tworzą
Ważne jest, aby uświadomić sobie, że słowo spontanicznie ma tutaj bardzo specyficzne znaczenie: oznacza, że reakcja odbędzie się bez dodatkowej energii, ale nie mówi nic o tym, jak szybko nastąpi reakcja
Spontaniczność reakcji odwracalnych
Jeśli reakcja jest endoenergetyczna w jednym kierunku (np. przekształcenie produktów w substraty), to musi być egzoenergetyczna w drugim kierunku, i odwrotnie. Jako przykład rozważmy syntezę i rozpad niewielkiej cząsteczki, trójfosforanu adenozyny (
Jest to reakcja endoenergetyczna, z ∆G =
Proces odwrotny, hydroliza (rozpad przy udziale cząsteczki wody)
Jest to reakcja egzoenergetyczna, a jej ∆G jest identyczna pod względem wartości, ale ma przeciwny znak w stosunku do reakcji syntezy ATP (∆G =
Warunki niestandardowe i równowaga chemiczna
Być może zauważyłeś, że w powyższej sekcji zaznaczałem, że wartości ∆G zostały obliczone dla określonego zestawu warunków znanych jako warunki standardowe. Standardowa zmiana energii swobodnej (∆Gº’) reakcji chemicznej to ilość energii uwalnianej podczas przekształcania substratów do produktów w standardowych warunkach. W przypadku reakcji biochemicznych standardowe warunki są ogólnie zdefiniowane jako
Warunki wewnątrz komórki lub organizmu mogą być bardzo różne od standardowych warunków, więc wartości ∆G dla reakcji biologicznych in vivo mogą się znacznie różnić od ich standardowych wartości zmiany energii swobodnej (∆Gº). W rzeczywistości manipulowanie warunkami (szczególnie stężeniami substratów i produktów) jest ważnym sposobem, w jaki komórka może zapewnić, że reakcje będą zachodzić spontanicznie w odpowiednim kierunku.
Równowaga chemiczna
Aby zrozumieć, dlaczego tak jest, warto przywołać pojęcie równowagi chemicznej. Aby przypomnieć sobie pojęcie równowagi chemicznej, wyobraźmy sobie, że rozpoczynamy odwracalną reakcję z czystymi substratami (w ogóle nie ma produktu). Początkowo reakcja naprzód przebiega szybko, ponieważ jest dużo substratów, które można przekształcić w produkty. W przeciwieństwie do tego, odwrotna reakcja w ogóle nie nastąpi, ponieważ nie ma produktów, które mogłyby być przekształcone do substratów. Jednak w miarę gromadzenia się produktu odwrotna reakcja będzie przebiegać coraz częściej.
Proces ten będzie kontynuowany do momentu, gdy układ reakcyjny osiągnie punkt równowagi, zwany równowagą chemiczną, w którym reakcje w obydwu kierunkach zachodzą w tym samym tempie. W tym momencie obydwie reakcje nadal przebiegają, ale całkowite stężenia produktów i substratów już się nie zmieniają. Każda reakcja ma swój unikalny, charakterystyczny stosunek produktów do substratów w stanie równowagi.
Kiedy układ reakcyjny jest w równowadze, jest w stanie najniższej energii (ma najmniejszą możliwą energię swobodną). Jeśli reakcja nie jest w równowadze, będzie spontanicznie przebiegać w kierunku równowagi, ponieważ pozwala to osiągnąć niższy energetycznie, bardziej stabilny stan. Może to oznaczać ruch netto w kierunku do przodu, przekształcając substraty w produkty, lub w odwrotnym kierunku, zamieniając produkty z powrotem w substraty.
W miarę jak reakcja przesuwa się w kierunku równowagi (gdy stężenia produktów i substratów zbliżają się do stosunku równowagi), energia swobodna układu staje się coraz mniejsza. Reakcja, która jest w równowadze, nie może już wykonywać żadnej pracy, ponieważ energia swobodna układu jest tak niska, jak to możliwe
Jak komórki utrzymują stan równowagi
Gdyby komórka była izolowanym układem, jej reakcje chemiczne osiągnęłyby równowagę, co nie byłoby dobre. Gdyby reakcje w komórce osiągnęły równowagę, komórka umarłaby, ponieważ nie byłoby wolnej energii, którą można by było wykorzystać do wykonania pracy potrzebnej do utrzymania jej przy życiu.
Komórki pozostają poza stanem równowagi, manipulując stężeniami substratów i produktów, aby ich reakcje metaboliczne przebiegały we właściwym kierunku. Na przykład:
- Mogą używać energii do importowania cząsteczek substratów (utrzymując je w wysokim stężeniu).
- Mogą wykorzystać energię do usuwania cząsteczek produktu (utrzymując je w niskim stężeniu).
- Mogą grupować reakcje chemiczne na szlaki metaboliczne, w których jedna reakcja „zasila” następną.
Zapewnienie wysokiego stężenia substratu może „pchać” reakcję chemiczną w kierunku produktów (to znaczy, tak aby przebiegała w kierunku do przodu, aby osiągnąć równowagę). To samo dotyczy szybkiego usuwania produktu - niskie stężenie produktu „ciągnie” reakcję do przodu. W szlaku metabolicznym reakcje mogą „popychać” i „przyciągać” się wzajemnie ponieważ są połączone przez wspólne półprodukty: produktem jednego kroku jest substrat dla następnego
Ciekawy, jak to działa? Obejrzyj film reakcje sprzężone, aby dowiedzieć się więcej!
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji