СВОБОДНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Изменение свободной энергии () — это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу; иначе говоря, это полезная энергия — в химических системах ее называют химическим потенциалом.

Первый закон термодинамики гласит: внутренняя энергия системы вместе с ее окружением остается постоянной. Это одна из формулировок закона сохранения энергии. Она утверждает, что при любых изменениях системы внутренняя энергия не утрачивается и не приобретается. Вместе с тем внутри рассматриваемой системы энергия может переходить от одной ее части к другой или превращаться из одной формы в другую. Например, химическая энергия может переходить в тепло, превращаться в электрическую энергию, энергию излучения или в механическую энергию.

Второй закон термодинамики гласит: энтропия системы при самопроизвольных процессах возрастает. Энтропия служит мерой неупорядоченности, хаотичности системы и достигает максимума, когда система приходит в истинное равновесие. При постоянных температуре и давлении соотношение между изменением свободной энергии системы () и изменением энтропии () представляется следующим выражением, которое объединяет оба закона термодинамики:

где — изменение энтальпии (теплоты), Т — абсолютная температура.

В условиях, при которых протекают биохимические реакции, приблизительно равно — изменению внутренней энергии системы в результате реакции. В этих условиях приведенное выше выражение можно записать в виде

Если отрицательно, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими.

Если к тому же велико по абсолютной величине, то реакция идет практически до конца и ее можно рассматривать как необратимую. Если же положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется эндергонической. Если к тому же велико, то система является устойчивой и реакция в этом случае практически не осуществляется. При равном нулю система находится в равновесии.

При концентрациях реагентов 1,0 моль/л изменение свободной энергии обозначают как изменение стандартной свободной энергии. Для биохимических реакций стандартным считается состояние при Изменение стандартной свободной энергии в таком стандартном состоянии обозначается как

Изменение стандартной свободной энергии можно найти, зная константу равновесия К:

где R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура (см. с. 84). Важно отметить, что может быть больше или меньше в зависимости от концентрации реактантов.

Следует ясно понимать, что в присутствии ферментов биохимические реакции лишь быстрее достигают равновесия, но конечные равновесные концентрации реактантов при этом не изменяются.