Молекулярная биология гена - Уотсон Дж.
Скачать (прямая ссылка):
Из второго закона термодинамики следует, что при самопроизвольных химических реакциях свободная энергия всегда уменьшается (Д6? отрицательно)- Когда система достигает равновесия, дальнейшего измепения свободной энергии пе происходит (ДG = 0). Следовательно, состояпие равновесия для замкнутой системы — это такое состояние, нри котором ее свободная энергии находится в минимуме
Потерн свободной экерши при достижении равновесия сопровождается либо превращением энергии в тепло, либо возрастанием энтропии. Мы ие будем пытаться подробно изложить здесь представления об энтропии (для этого также следует обратиться к руководству по химической термодинамике); нам достаточно знать, что энтропия является мерой неупо-
1 В США до недгшнего Бремени свобо деую энергию обозначали символом F. Однако теперь и меи.д>иароднсш литера!уре по физической химии чаще пользуются символом (¦' в честь великого финика XIX в Гпббга
рядочениости системы. Чем больше неупорядоченность системы, тем больше ее энтропия Возрастание энтропии означает, что многие самопроизвольные химические реакции протекают без выделения тепла Таи, например, при растворении \аС1 в воде тепло не выделяется, а поглощается, н тем не менее свободная энергия этой системы снижается, так как увеличивается неупорядоченность распределения ионов Na+ и С1~, когда они из твердой фазы (т- е. из кристаллов) переходят в жидкую.
Кед ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНО СВЯЗАНО С AG
Совершенно очевидно, что чем прочнее данная связь, иными словами, чем большим изменением свободной энергии (AG) сопровождается ее образование, тем большее число атомов в системе находится в связанном состоянии Это может быть выражено количественно и следующем виде
Дб? = —ЯТ In Keq, или Kcq=e-*GIRT, (4-4)
где Я — универсальная газовая постоянпая, Т — абсолютная температура, е = 2,718, In К — логарифм К при основании е н КсЧ — константа равновесия Подставив величины И = 1,987 кал /(моль »г рад) кТ = 298 (для 25° С), мы увидим, что при низких значениях ДС? (порядка 2ккал/моль) реакция синтеза практически идет до конца, если все реагенты присутствуют в молярны\ концентрациях
*«7 ас. ккал/моль ДG ккал/моль
0 <Ю1 4.089 10,0 ---1,363
0,01 2,720 100,0 ---2.726
0 1 1,363 10110,0 ---4,089
10 0
КОВАЛЕНТНЫЕ СВЯЗИ — ОЧЕНЬ ПРОЧНЫЕ СВЯЗИ
Изменение свободной энергии при возникновении ковалентных связей, т е. при образовании молекулы из свободных атомов, например таких, как водород или кислород, очень велико. Д<5 лежит обычно в пределах от —50 до —110 ккал/моль. Из уравнения (4-4) следует, что Kf.q такой реакции соответственно велико и, следовательно, концентрация свободных атомов водорода и кислорода должна быть очень мала Если, например, исходиая концентрация реагирующих атомов составляет 1 моль/я, a AG реакпии равно —100 ккал/моль, то при достижении равновесия лишь одни из 10й атомов остается несвязанным
СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СЛАБЫХ СВЯЗЕЙ ЛЕЖИТ В ПРЕДЕЛАХ 1—7 ККАЛ/МОЛЬ
Б биологических системах главную рать играют три типа слабых связей: связи, обусловленные вапдерваальсовымн силами, водородныо связи и ионные связи. Иногда, как мы это увидим ниже, различие между ионной и водородной связью проводится, в сущности, произвольно
Наиболее слабыми являются вандерваальсовы связи. Энергия этих связей (1—2 ккал/моль) лишь незначительно превышает кинетическую энергию теплового движения Энергия водородной и ионной связей лежит в пределах 3—7 ккал моль.
В растворах почти все молекулы образуют определенное число слабых связей с ближайшими атомами. Все молекулы способны к образованию вандерваальсовых связей; водородные и ионные связи также могут образовываться между молекулами (ионами), имеющими дополнительный
Ванлсрваалы-ов раяиус водорода“12 А
Длина ковалентной ¦связи "=095 А
Ванлервааи>сов рааиу.с кислорода
\ -14 А
V
/
/
/
Направление
¦« ДИ1Ю JbHOI'O
чомеита
Рис. 4-3, Структура молекулы водь.
заряд или такими, у которых заряд поляризован. Некоторые молекулы могут, следовательно, участвовать в образовании нескольких типов слабых связей. Однако из термодинамических соображений следует, что молекулы должны всегда стремиться к образованию более прочных связей.
ПРИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
СЛАБЫЕ СВЯЗИ ПОСТОЯННО ОБРАЗУЮТСЯ И РАЗРУШАЮТСЯ
Энергия самой прочной из слабых связей всею тишь в 10 раз больше квиетической энергии теплового движения при 25 °С (0,6 ккал/моль). Так как в распределении кинетической энергии частиц имеется значительный разброс, при физиологических температурах всегда существуют молекулы, кинетическая энергия которых достаточна для разрушения слабых связей.
ОБРАЗОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СЛАБЫХ СВЯЗЕЙ ПРОИСХОДЯТ БЕЗ УЧАСТИЯ ФЕРМЕНТОВ
Среднее время жизни одной слабой связн составляет лишь доли секунды, а это означает, что клетка не нуждается в специальном механизме для того, чтобы ускорять образование и разрушение слабых связей. Поэтому ферменты никогда не принимают участия в такого рода реакциях.
