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 определяется как

где молярное содержание энергии, температура и молярное содержание энтропии. Строго говоря, в изобарической системе следовало бы называть энтальпией, 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:

Изменение свободной энергии 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 эндергоническая реакция. 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, измеряется калориметрическим методом; следовательно, обычно рассчитывают по результатам измерения химического равновесия. связана с равновесными концентрациями продуктов и реагирующих веществ и их действительными концентрациями (мгновенными их значениями) следующим уравнением:

при условии, что термодинамические активности 1 можно заменить концентрациями. Для физико-химических стандартных условий (все и с равняются 1, концентрация водородных ионов равна 1, т. е. называется Для физиологических стандартных условий (все то же, но концентрация водородных ионов является Значения 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

Таким образом, для стандартных условий

Поскольку о (или мера тенденции к прохождению данной реакции, она известна также как сродство реакции. Сродство тем больше, чем больше отрицательная

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 или а величинами или т. е. работа, которую можно получить за счет реакции, зависит от действительных концентраций (точнее, активностей), реагирующих веществ и продуктов.

Другие реакции связаны с твердыми структурами внутри клеток, например с митохондриями. Их точное рассмотрение требует применения концепций многофазной термодинамики и, естественно, химии твердого тела. Но в этой книге мы воспользуемся приближенными подсчетами.