Եթե տեսնում ես այս հաղորդագրությունը, նշանակում է՝ մեզ չի հաջողվում կայքում արտաքին ռեսուրսներ բեռնել։

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Հիմնական նյութ

Ազատ էներգիա

Գիբսի ազատ էներգիայի փոփոխությունը (ΔG), և թե ինչպես է այն կապված ռեակցիայի ինքնաբուխության և հավասարակշռության հետ:

Ներածություն

Երբ լսում ես «ազատ էներգիա» արտահայտությունը, ի՞նչ ես մտածում։ Լավ, եթե դու էլ ինձ նման անփորձ ես, երևի մտածում ես, որ դա գազալցակայան է, որն անվճար գազ է տալիս։ Կամ, ավելի լավ, մտածում ես, որ արևային մարտկոցներ են, որոնք տանն են օգտագործվում։ Բացի այդ՝ Ֆիլադելֆիայում մի ռոք խումբ կա, որը կոչվում է «Ազատ էներգիա» (սա հաստատում է իմ կասկածն այն մասին, որ կենսաբանական եզրույթները կարող են ռոք խմբերի հիանալի անուններ լինել)։
Սրանք, այնուամենայնիվ, «ազատ էներգիայի» այն նշանակությունները չեն, որոնք կքննարկվեն այս հոդվածում։ Դրա փոխարեն մենք պատրաստվում ենք ուսումնասիրել ազատ էներգիայի այն տեսակը, որն ասոցիացվում է հատուկ քիմիական ռեակցիայի հետ, և որը կարող է ցույց տալ, թե որքան օգտակար էներգիա է անջատված (կամ սպառված), երբ այդ ռեակցիան տեղի է ունենում։

Ազատ էներգիա

Գործընթացը տեղի կունենա ինքնաբերաբար, առանց էներգիայի ավելացման, եթե այն մեծացնում է էնթրոպիան ամբողջ տիեզերքում (կամ հետադարձ գործընթացի ժամանակ թողնում է այն անփոփոխ)։ Սա թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքն է։ Բայց, իմ կարծիքով, սա վերացական գաղափար է։ Ինչպե՞ս կարող ենք ավելի որոշակիացված օգտագործել այս միտքն ու հասկանանք՝ տեղի կունենա արդյոք քիմիական ռեակցիա։
Ընդհանուր առմամբ, մեզ պետք է չափման համակարգ, որը ցույց կտա ռեակցիայի ազդեցությունը տիեզերքի էնթրոպիայի վրա՝ ներառելով և՛ ռեակցիաների համակարգը, և՛ իր միջավայրը։ Հարմարության համար այս երկու գործոններն էլ միավորվում են մեկ արժեքի մեջ, որը կոչվում է Գիբսի ազատ էներգիա։
Համակարգի Գիբսի ազատ էներգիան (G) օգտակար էներգիայի քանակն է այդ համակարգում (այն էներգիան, որ կարող է օգտագործվել աշխատանքի մեջ)։ Ռեակցիայի ժամանակ Գիբսի ազատ էներգիայի փոփոխությունը օգտակար ինֆորմացիա է տալիս ռեակցիայի էներգետիկայի և ինքնաբուխության մասին (տեղի կունենա՞ արդյոք այն՝ առանց էներգիայի ավելացման)։ Գիբսի ազատ էներգիայի փոփոխության պարզ բացատրությունը կարող ենք գրել այսպես.
ΔG=GերջնականGկզբնական
Այլ կերպ ասած՝ ΔG-ն համակարգի ազատ էներգիայի փոփոխությունն է, երբ այն սկզբնական վիճակից՝ ելանյութերից, անցնում է վերջնական վիճակին՝ վերջանյութերին։ Այս արժեքը մեզ ցույց է տալիս անջատված (կամ կլանված) օգտակար էներգիայի առավելագույն արժեքը սկզբնական վիճակից վերջնական վիճակին անցման ժամանակ։ Բացի դրանից՝ դրա նշանը (դրական կամ բացասական) ցույց է տալիս՝ արդյոք ռեակցիան տեղի կունենա ինքնաբերաբար՝ առանց էներգիայի ավելացման։
Գիբսի ազատ էներգիայի հետ աշխատելիս պետք է որոշ ենթադրություններ անենք, ինչպես, օրինակ՝ հաստատուն ջերմաստիճանը և ճնշումը։ Ամեն դեպքում, այս պայմանները միայն մոտավորապես են ճիշտ բջիջների և կենդանի այլ համակարգերի համար:

Գիբսի ազատ էներգիան, էնթալպիա և էնթրոպիա

Գործնականում հաճախ կիրառվող Գիբսի ազատ էներգիայի փոփոխության հավասարման մեջ ΔG-ն հաշվվում է արժեքների բազմությունից, որը կարող է չափված լինել գիտնականների կողմից, ռեակցիայի էնթալպիայի և էնթրոպիայի փոփոխությունները այն ջերմաստիճանի հետ միասին, որի պայմաններում տեղի է ունենում ռեակցիան։
ΔG=ΔHTΔS
Արի մի պահ կանգ առնենք և ուշադրություն դարձնենք այս հավասարման յուրաքանչյուր բաղադրիչին։
  • H-ը էնթալպիայի փոփոխությունն է։ Էնթալպիան կենսաբանության մեջ վերաբերում է կապերում պաշարված էներգիային․ էնթալպիայի փոփոխությունը վերջանյութերի ու ելանյութերի կապերի էներգիաների միջև էնթալպիայի տարբերությունն է։ Բացասական ∆H-ը նշանակում է, որ ջերմությունը անջատվում է, երբ անցնում է ելանյութերից վերջանյութերին, մինչդեռ դրական ∆H-ը նշանակում է, որ ջերմությունը կլանվել է։ (∆H-ի այս մեկնաբանությունը ենթադրում է հաստատուն ճնշում, որը ողջամիտ ենթադրություն է կենդանի բջջի ներսի միջավայրի համար)։
  • S-ը ռեակցիայի ժամանակ համակարգի էնթրոպիայի փոփոխությունն է։ Եթե ∆S-ը դրական է, համակարգը ռեակցիայի ժամանակ ավելի քաոսային է դառնում (օրինակ, երբ մի մեծ մոլեկուլ բաժանվում է մի քանի փոքր մոլեկուլների)։ Եթե ∆S-ը բացասական է, նշանակում է, որ համակարգն ավելի կանոնավոր է դառնում։
  • Ջերմաստիճանը (T) որոշում է ∆S-ի և ∆H-ի հարաբերական ազդեցությունը ռեակցիայի ողջ ազատ էներգիայի փոփոխության վրա։ (Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է ∆S-ի ազդեցությունը ∆H-ի համեմատ)։ Ուշադրություն դարձրեք նրան, որ այստեղ ջերմաստիճանը պետք է լինի Կելվինով (K), որպեսզի կարողանանք պատշաճ կերպով աշխատել հավասարման հետ։
Բացասական ∆G-ով ռեակցիաներն անջատում են էներգիա, ինչը նշանակում է, որ դրանք կարող են տեղի ունենալ առանց էներգիայի (ինքնաբուխ): Դրան հակառակ՝ դրական ∆G-ով ռեակցիաները պահանջում են էներգիա, որպեսզի տեղի ունենան (ոչ ինքնաբուխ): Ինչպես կարող ես տեսնել վերևի հավասարումից, և՛ էնթալպիայի, և՛ էնթրոպիայի փոփոխությունները ազդում են ∆G-ի ընդհանուր նշանի և արժեքի վրա: Երբ ռեակցիան ջերմություն է անջատում (բացասական ∆H) կամ մեծացնում է համակարգի էնթրոպիան, այս գործոնները ∆G-ն ավելի բացասական են դարձնում: Մյուս կողմից, երբ ռեակցիան ջերմություն է կլանում կամ նվազեցնում է համակարգի էնթրոպիան, այս գործոնները ∆G-ն դարձնում են ավելի դրական:
Նայելով ∆H-ին և ∆S-ին՝ կարող ենք ասել՝ արդյոք ռեակցիան կլինի ինքնաբուխ, ոչ ինքնաբուխ կամ ինքնաբուխ կլինի միայն որոշ ջերմաստիճաններում։ Եթե ռեակցիան և՛ ջերմություն է անջատում, և՛ մեծացնում է էնթրոպիան, ապա այն միշտ ինքնաբուխ կլինի (ունի բացասական ∆G)՝ անկախ ջերմաստիճանից։ Համապատասխանաբար, եթե ռեակցիան և՛ ջերմություն է կլանում, և՛ նվազեցնում է էնթրոպիան, այն կլինի ոչ ինքնաբուխ (դրական ∆G) բոլոր ջերմաստիճաններում։ Որոշ ռեակցիաներ, այնուամենայնիվ, ունեն բարենպաստ և անբարենպաստ հատկությունների խառնուրդ (անջատելով ջերմություն, բայց նվազեցնելով էնթրոպիան կամ կլանելով ջերմություն, նաև մեծացնելով էնթրոպիան). ∆G ն և այս ռեակցիաների ինքնաբուխ լինելը կախված կլինեն ջերմաստիճանից, ինչն ամփոփված է աջ աղյուսակում։

Էնդերգոնիկ և էքսերգոնիկ ռեակցիաներ

Այն ռեակցիաները, որոնք ունեն բացասական ∆G, անջատում են ազատ էներգիա և կոչվում են էկզերգոնիկ ռեակցիաներ: (Հուշում՝ էկզերգոնիկ նշանակում է, որ էներգիան դուրս է գալիս համակարգից): Բացասական ∆G-ն նշանակում է, որ ելանյութերը կամ սկզբնական վիճակը ունեն ավելի շատ ազատ էներգիա, քան վերջանյութերը կամ վերջնական վիճակը: Էկզերգոնիկ ռեակցիաները նաև կոչվում են ինքնաբուխ ռեակցիաներ, քանի որ դրանք կարող են տեղի ունենալ առանց էներգիայի ավելացման:
Այն ռեակցիաները, որոնք ունեն դրական ∆G (∆G > 0), պահանջում են էներգիա և կոչվում են էնդերգոնիկ ռեակցիաներ։ Այս դեպքում վերջանյութերը կամ վերջնական վիճակը ունեն ավելի շատ ազատ էներգիա, քան սկզբնական վիճակը։ Էնդերգոնիկ ռեակցիաները ինքնաբուխ չեն, ինչը նշանակում է, որ մինչև սկսելը պետք է էներգիա ավելացվի։ Կարող ես էնդերգոնիկ ռեակցիաների մասին մտածել որպես առավել մեծ էներգիա ունեցող վերջանյութերում ավելացված էներգիայի մի մասի պահեստավորում, որոնց համար դրանք նախատեսված են1։
Կարևոր է հասկանալ, որ ինքնաբուխ բառն այստեղ որոշակի նշանակություն ունի։ Այն նշանակում է, որ ռեակցիան տեղի կունենա առանց էներգիայի ավելացման, բայց չի ասում, թե ինչ արագությամբ այն կընթանա2։ Ինքնաբոուխ ռեակցիան կարող է տեղի ունենալ մի քանի վայրկյանում, մի քանի օրում, տարում կամ ավելի երկար։ Ռեակցիայի արագությունը կախված է սկզբնական և վերջնական վիճակների միջևանցած ճանապարհից (այս տրամագրի մանուշակագույն գծերը), մինչդեռ ինքնաբուխությունը կախված է միայն սկզբնական և վերջնական վիճակներից։ Մենք ավելի մանրամասն կուսումնասիրենք ռեակցիաների արագությունները, երբ քննարկենք ակտիվացման էներգիան։
Նկարի աղբյուրը՝ OpenStax Biology

Ուղիղ և հակադարձ ռեակցիաների ինքնաբուխությունը

Եթե ռեակցիան մի ուղղությամբ էնդերգոնիկ է (օրինակ՝ վերջնանյութերը ելանյութերի վերածելիս), ապա այն հակառակ ուղղությամբ պետք է էքսերգոնիկ լինի։ Որպես օրինակ արի դիտարկենք ադենոզին եռֆոսֆատի փոքր մոլեկուլների սինթեզը և ճեղքումը (ATP), որը բջջի «էներգիայի արժույթն է»3։
ATP-ն սինթեզվում է ադենոզին բիֆոսֆատից (ADP) և ֆոսֆատից (Pi)՝ ըստ այս հավասարման․
ADP + Pi ATP + H2O
Սա էնդերգոնիկ ռեակցիա է ∆G = +7,3 կկալ/մոլ ստանդարտ պայմաններում (սա նշանակում է, որ բոլոր ելանյութերի և վերջանյութերի կոնցենտրացիաները 1 Մ են 1 մթն ճնշման, 25 աստիճան C ջերմաստիճանում և pH=7,0 պայմաններում)։ Քո մարմնի բջիջներում էներգիան, որն անհրաժեշտ է ԱԵՖ առաջացնելու համար, առաջանում է վառելիքային մոլեկուլների, ինչպիսիք են գլյուկոզը, ճեղքումից կամ էներգիա անջատող այլ ռեակցիաներից (էկզերգոնիկ)։
Հակառակ պրոցեսը՝ ATP-ի հիդրոլիզը (ճեղքում ջրի միջոցով), նույնն է, բայց հակառակ ուղղությամբ․
ATP + H2O ADP + Pi
Սա էկզերգոնիկ ռեակցիա է, և դրա ∆G-ն որպես բացարձակ մեծություն նույն արժեքն ունի ԱԵՖ-ի սինթեզի ռեակցիայի համար, բայց հակառակ նշանով (∆G = 7,3 կկալ/մոլ ստանդարտ պայմաններում)։ Նույն մեծության և հակառակ նշանների այս փոխհարաբերությունը միշտ կազդի դարձելի գործընթացի հետադարձ և ուղիղ ռեակցիաների վրա։

Ոչ ստանդարտ պայմաններ և քիմիական հավասարակշռություն

Հավանաբար նկատել ես, որ այս հատվածում ուշադրություն դարձրինք, որ ∆G ի արժեքները հաշվվել են որոշակի պայմանների դեպքում, որոնք կոչվում են ստանդարտ պայմաններ։ Ռեակցիայի ազատ էներգիայի ստանդարտ փոփոխությունը (Gº’) ելանյութերը վերջանյութերի վերածվելու ընթացքում անջատված էներգիայի քանակն են ստանդարտ պայմաններում։ Կենսաքիմիական ռեակցիաներում ստանդարտ պայմանները սովորաբար այսպես են սահմանվում՝ 25°C (298 Կ), 1 Մ բոլոր ելանյութերի և վերջանյութերի կոնցենտրացիաները, 1 մթն ճնշում և pH=7,0 (∆Gº’ -ի «’» նշանը ցույց է տալիս, որ pH-ը ներառված է սահմանման մեջ)։
Բջջի կամ օրգանիզմի ներսում պայմանները կարող են տարբերվել այս ստանդարտ պայմաններից, ուստի ∆G-ի արժեքները in vivo (կենդանի օրգանիզմներում) կենսաբանական ռեակցիաների համար կարող են շատ տարբերվել իրենց ազատ էներգիայի ստանդարտ փոփոխության արժեքից (∆Gº’)։ Իրականում, պայմանները ձևափոխելը (հատկապես ելանյութերի և վերջանյութերի կոնցենտրացիաները) կարևոր է, որ բջիջը կարողանա ապահովել ուղիղ ռեակցիայի ինքնաբուխ լինելը։

Քիմիական հավասարակշռություն

Հասկանալու համար, թե ինչու է սա այսպես, մենք պետք է այս գաղափարը կապենք քիմիական հավասարակշռության հետ։ Որպեսզի վերհիշենք քիմիական հավասարումը, պատկերացնենք, որ ունենք դարձելի ռեակցիա ելանյութերով (չկա ոչ մի վերջանյութ)։ Սկզբում ուղիղ ռեակցիան արագ տեղի կունենա, քանի որ շատ ելանյութեր կան, որոնք կարող են վերածվել վերջանյութերի։ Հակադարձ ռեակցիան, հակառակը, տեղի չի ունենա, քանի որ չկան վերջանյութեր, որոնք նորից կվերածվեն ելանյութերի։ Սակայն քանի որ վերջանյութը կուտակվում է, հակադարձ ռեակցիան կսկսի ավելի հաճախ տեղի ունենալ։
Այս գործընթացը կշարունակվի այնքան, մինչև համակարգը հասնի հավասարակշռության կետին, որը կոչվում է քիմիական հավասարակշռություն, որում ուղիղ և հակադարձ ռեակցիաները տեղի են ունենում միևնույն արագությամբ։ Այդ ժամանակ երկու ռեակցիաներն էլ կշարունակեն ընթանալ, բայց ելանյութերի և վերջանյութերի ընդհանուր կոնցենտրացիաներն այլևս չեն փոխվի։ Յուրաքանչյուր ռեակցիա ունի իր սեփական որոշակի ելանյութերի և վերջանյութերի հարաբերությունը հավասարակշռության ժամանակ։
Երբ ռեակցիայի համակարգը հավասարակշռության մեջ է, այն իր հնարավոր ամենացածր էներգիական վիճակում է (ունի ամենաքիչ հնարավոր ազատ էներգիան)։ Եթե ռեակցիան հավասարակշռության մեջ չէ, այն ինքնաբերաբար կշարժվի հավասարակշռության ուղղությամբ, քանի որ դա թույլ է տալիս հասնել էներգիապես ամենացածր, ավելի կայուն վիճակի։ Դա կարող է նշանակել ընդհանուր շարժում ուղիղ ռեակցիայի ուղղությամբ, որի ընթացքում ելանյութերը փոխարկվում են վերջանյութերի, կամ հակադարձ ռեակցիայի ուղղությամբ, որտեղ վերջանյութերը նորից փոխարկվում են ելանյութերի։
Քանի որ ռեակցիան շարժվում է դեպի հավասարակշռության վիճակ (երբ ելանյութերի և վերջանյութերի կոնցենտրացիաները մոտենում են հավասարակշռության վիճակում իրենց հարաբերակցությանը), համակարգի ազատ էներգիան գնալով նվազում է։ Այն ռեակցիան, որը հավասարակշռության մեջ է, այլևս չի կարող աշխատանք կատարել, քանի որ համակարգի ազատ էներգիան որքան հնարավոր է ցածր է4։ Ցանկացած փոփոխություն, որը շեղում է համակարգը հավասարակշռությունից (օրինակ՝ ավելացնելով կամ հեռացնելով ելանյութեր կամ վերջանյութեր), մեծացնում է համակարգի ազատ էներգիան և պահանջում է աշխատանք։

Ինչպես կարող են բջիջները դուրս մնալ հավասարակշռությունից

Եթե բջիջը մեկուսացված համակարգ լիներ, դրա քիմիական ռեակցիաները կհասնեին հավասարկշռության, ինչը լավ չէր լինի։ Եթե ռեակցիան հասնի հավասարակշռության, բջիջը կմահանա, քանի որ ազատ էներգիա չի լինի, որը կկատարի այն աշխատանքը, որը բջջին կենդանի է պահում։
Բջիջները հավասարակշռությունից դուրս են մնում ելանյութերի և վերջանյութերի կոնցենտրացիաները ձևափոխելով, որպեսզի իրենց նյութափոխանակության ռեակցիաները ճիշտ ուղղությամբ տեղի ունենան։ Օրինակ՝
  • Դրանք կարող են օգտագործել էներգիան ելանյութերի մոլեկուլներ ներմուծելու համար (բարձր կոնցենտրացիայում պահելով)։
  • Դրանք կարող են օգտագործել էներգիան վերջնանյութերը դուրս հանելու համար (ցածր կոնցենտրացիայում պահելով)։
  • Դրանք կարող են կազմակերպել քիմիական ռեակցիաներ և վերածել դրանց նյութափոխանակության ուղիների, որտեղ մի ռեակցիան «լրացնում է» մյուսին։
Ելանյութերի բարձր կոնցենտրացիան կարող է քիմիական ռեակցիան «մղել» դեպի վերջանյութերի ուղղությունը (այսինքն՝ ստիպել նրան ուղիղ ընթանալ՝ հավասարակշռության հասնելու համար)։ Նույնը ճիշտ է նաև վերջանյութը արագ հեռացնելու դեպքում, բայց վերջանյութի ցածր կոնցենտրացիան ձգում է» ռեակցիան առաջ։ Նյութափոխանակային ուղու ռեակցիաները կարող են «մղել» և «ձգել» միմյանց, որովհետև դրանք կապված են. մի մասի վերջանյութը հաջորդի ելանյութն է5,6։
Եթե հետաքրքիր է, թե ինչպես է դա կատարվում, նայիր Ռեակցիայի զույգավորում տեսանյութը։

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: