Эволюция биоэнергетических процессов - Брода Э.
Скачать (прямая ссылка):
Любопытно, что далее он пишет:
«Какова бы ни была природа этих сил, разум учит каждого индивида, что эти силы в какой-то степени подвержены управлению его воли. Таким образом, одушевленные создания, видимо, могут непосредственно прилагать к неким частицам, движущимся внутри их тел, силу, направляющую движения этих частиц так, чтобы произвести желаемые механические эффекты».
Интересно, есть ли такая воля также у растений и бактерий?
Специалисты по физиологии питания уже в прошлом веке заметили, что из пищи можно получать удивительно высокий выход полезной энергии [998]. Такие опыты удобнее всего проводить на людях, пользуясь специальным устройством-эргометром, учитывая при этом только механическую энергию. С помощью уравнения Карно можно рассчитать разность температур, соответствующую полученному коэффици-
Энергия в биосфере
17
енту полезного действия, как это впервые сделал Фик [585]. При получаемом в опыте 25%-ном выходе механической энергии разница температур должна по расчету составлять 105. Итак, если бы организм был тепловой машиной, для его работы требовались бы температуры как минимум 310 К (температура тела) +105=415 К (142°С). Но в организмах такие температуры никогда не достигаются.
г. организмы как хемодинамические машины
Ясно, что энергия, образующаяся при «сгорании» пищи, переходит в работу, не превращаясь в тепло. Сейчас организмы скорее рассматривают как хемодинамические машины в более прямом смысле слова, т. е. машины, в которых химическая энергия непосредственно преобразуется в другие формы энергии. Небольшие градиенты температуры, существующие внутри организмов, никогда не используются для получения работы. На практике организмы работают в изотермических (и изобарических) условиях, что в высшей степени удобно для расчетов.
Уже говорилось, что в биоэнергетике концепция свободной энергии должна использоваться и используется со всей определенностью. В литературе существуют полезные руководства по применению концепции свободной энергии в биоэнергетике, написанные, например, Клотцем [1008, 1009], Ингремом и Парди [909] и Ленинджером [1117, 1118]. Молярная свободная энергия G определяется как
где Я — молярное содержание энергии, Т — температура и 5 — молярное содержание энтропии. Строго говоря, в изобарической системе Н следовало бы называть энтальпией, а G — свободной энтальпией. Но в живых системах изменения объема, допустимые в изобарических условиях, невелики, так что разница между энтальпией и энергией исчезает.
(Кроме того, так как большая часть реакций происходит в растворах, перед названиями соответствующих величин следовало бы ставить слово «парциальная», но если считать это само собой разумеющимся, то можно опускать его.)
Таким образом, энергетика реакций описывается следующим уравнением, выражающим разность между энергией продуктов и энергией реагирующих веществ:-
G=H—TS,
(1.3)
AG=AH—TAS.
(1.4)
18
Глава 1
Изменение свободной энергии AG имеет отрицательное значение, если мы пишем уравнение реакции в том направлении, в котором она идет спонтанно, т. е. как экзергоническая реакция. В противоположном направлении идет эндергониче-ская реакция. AG— это максимальная работа, которую можно получить посредством химической реакции. Она совершается, если реакция обратима (в идеальных условиях). Но ¦если в реакции есть необратимый этап, часть энергии рассеивается в виде тепла и «генерируется» добавочная энтропия.
Как правило, АН измеряется калориметрическим методом; AG и, следовательно, 7AS обычно рассчитывают по результатам измерения химического равновесия. AG связана с равновесными концентрациями продуктов (cpi, ср2...) и реагирующих веществ (сгь сг2)... и их действительными концентрациями (мгновенными их значениями) следующим уравнением:
• *
AG=—RT In +Д7ЧП C? V" (1.5)
cncn... сГ1сГз...
при условии, что термодинамические активности 1 можно заменить концентрациями. Для физико-химических стандартных условий (все ср и с* равняются 1, концентрация водородных ионов равна 1, т. е. pH=0) AG называется AG0. Для физиологических стандартных условий (все то же, но концентрация водородных ионов Ю-7, т. е. рН=7), AG является AG'0. Значения AG'0 в этой книге взяты, как правило, из работы [323], но для многих реакций более новые данные указаны в работе [171].
Константа равновесия К определяется как
К= сп°р*--- т (1.6)
Таким образом, для стандартных условий
AG0 (или AG;)=— RTlnK. (1.7)
Поскольку AG0 (или AG'0)— мера тенденции к прохождению данной реакции, она известна также как сродство реакции. Сродство тем больше, чем больше отрицательная AGo(AGq).
1 Следует напомнить, что термодинамические активности — это, так сказать, идеализированные концентрации. В термодинамическом отношении ( в отношении изменения свободной энергии в реакциях) система ведет себя так, словно концентрации имеют не те значения, которые дает прямой химический анализ, а значения, указываемые термодинамическими активностями.
Энергия в биосфере
19
т. е. чем более экзергонична реакция в стандартных условиях. Следует подчеркнуть, что на самом деле экзергоничность или эндергоничность реакции в данных условиях определяется не стандартными величинами (AGo или AG'0 ), а величинами AG или AG', т. е. работа, которую можно получить за счет реакции, зависит от действительных концентраций (точнее, активностей), реагирующих веществ и продуктов.
