1. Термодинамическое описание биохимических реакций

Термодинамическое описание биохимических реакций имеет важное значение для теоретического и практического изучения биологических процессов. Такой подход к ферментативным превращениям в биологических объектах позволяет не только учитывать энтальпийные показатели (тепловой эффект) биохимических реакций, но и оценивать направление отдельных стадий по данным о свободной энергии Гиббса в тех реальных условиях, в которых реакции протекают.

Применение химической термодинамики к биохимическим превращениям имеет ряд особенностей, связанных со спецификой этих процессов, протекающих в водных растворах при низких концентрациях реагентов и в присутствии ферментов.

1.1. Расчёт изменения свободной энергии химических реакций

Одно из наиболее важных приложений понятия свободной энергии заключается в оценке самопроизвольности любых процессов, в том числе и биологических реакций. Действительно, если при протекании любого обратимого процесса в изобарно-изотермических условиях расчет изменения свободной энергии при предлагаемом переходе системы из первого во второе состояние дает величину ΔG < 0, очевидно, что в таком процессе система способна не только самопроизвольно совершить указанный переход, но и совершить работу против внешних сил. Обратный результат (ΔG > 0) означает, что для предполагаемого перехода работа будет отрицательна, то есть её надо будет совершать над системой извне. Ясно, что такой процесс не может быть самопроизвольным, то есть возможно лишь превращение системы в обратном направлении. Наконец, результат ΔG = 0 означает, что первое и второе состояния энергетически неразличимы.

Ещё одним из важнейших уравнений химической термодинамики является изотерма Вант-Гоффа, связывающая изменение свободной энергии Гиббса с константой равновесия реакции. При общей записи химического превращения в виде:

, (1.1)

константа равновесия описывается зависимостью:

, (1.2)

где ā_Вj; ā_Ai– активности продуктов и исходных веществ в равновесной смеси. Если исходные активности реагентов обозначить через , а конечные активности продуктов обозначить через, изотерму Вант - Гоффа можно представить в виде такой зависимости:

[Дж/моль]. (1.3)

При проведении процесса в условиях, когда начальные активности исходных веществ и конечные активности продуктов равны единице, то есть от стандартного состояния исходных реагентов до стандартного состояния продуктов, второй член правой части уравнения (1.3) обращается в нуль и тогда:

[Дж/моль]. (1.4)

Входящее в уравнение (1.4) стандартное изменение свободной энергии Гиббса ΔG⁰ описывает, таким образом, только вполне конкретный процесс при данных температуре и давлении, который во многих случаях оказывается чисто гипотетическим. Естественно, что величина и знак ΔG⁰ уже не говорят о самопроизвольности или несамопроизвольности реакции, а лишь позволяют найти значение константы равновесия и таким образом рассчитать, например, состав равновесной смеси. Впрочем, при биохимических реакциях чаще приходится поступать наоборот: по измеренным в эксперименте равновесным активностям (концентрациям) реагентов рассчитывают константу равновесия и далее по уравнению (1.4) находят стандартное изменение свободной энергии. Напомним, однако, что полное уравнение (1.3) вполне пригодно для решения вопроса о направлении биохимической реакции, если известны так называемые физиологические концентрации или активности реагентов и.