Khái niệm chung về trao đổi chất ở Vi sinh vật – Phần 2

Năng lượng tự do và các phản ứng Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chung liên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoá học và các quá trình khác. ∆G = ∆H - T.∆S∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi (enthalpi).T là nhiệt độ Kelvin (0C + 273) và ∆S là sự thay đổi trong entropi (entropy) diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi trong entalpi là sự thay...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khái niệm chung về trao đổi chất ở Vi sinh vật – Phần 2 Khái niệm chung về trao đổi chất ở Vi sinh vật – Phần 2Năng lượng tự do và các phản ứng Các định luật thứ nhất và thứ hai có thể kết hợp trong một phương trình chungliên kết những thay đổi trong năng lượng có thể diễn ra trong các phản ứng hoáhọc và các quá trình khác.∆G = ∆H - T.∆S ∆G là sự thay đổi trong năng lượng tự do, ∆H là sự thay đổi trong entalpi(enthalpi).T là nhiệt độ Kelvin (0C + 273) và ∆S là sự thay đổi trong entropi(entropy) diễn ra trong phản ứng. Sự thay đổi trong entalpi là sự thay đổi trongnhiệt lượng. Các phản ứng trong tế bào diễn ra ở điều kiện áp suất và thể tíchkhông thay đổi. Do đó sự thay đổi trong entalpi sẽ tương tự như sự thay đổi trongnăng lượng tổng cộng trong phản ứng. Sự thay đổi năng lượng tự do là nhiệt lượngtrong một hệ thống có khả năng sinh công ở nhiệt độ và áp suất không thay đổi. Vìvậy, sự thay đổi trong entropi là đại lượng đo tỉ lệ của sự thay đổi năng lượng tổngcộng mà hệ thống không thể sử dụng để thực hiện công. Sự thay đổi của nănglượng tự do và của entropi không phụ thuộc vào việc hệ thống diễn ra như thế nàotừ lúc bắt đầu tới khi kết thúc. Ở nhiệt độ và áp suất không đổi một phản ứng sẽxảy ra ngẫu nhiên nếu năng lượng tự do của hệ thống giảm đi trong phản ứng, haynói theo cách khác, nếu ∆G là âm. Từ phương trình trên suy ra là một phản ứngvới sự thay đổi lớn, dương tính trong entropi s ẽ thường có xu hướng có giá trị ∆Gâm và vì vậy xảy ra ngẫu nhiên. Một sự giảm trong entropi sẽ có xu hướng làmcho ∆G dương tính hơn và phản ứng ít thuận lợi. Hình 16.5: ∆Go’ và cân bằng. Quan hệ của ∆Go’ với sự cân bằng của các phản ứng. (Theo Prescott, Harley và Klein, 2005) Sự thay đổi trong năng lượng tự do có quan hệ xác định, cụ thể đối với hướngcủa các phản ứng hoá học. Ta hãy xét phản ứng đơn giản sau đây:A+B C+D Nếu được hỗn hợp các phân tử A và B sẽ kết hợp với nhau tạo thành các sảnphẩm C và D. Cuối cùng C và D sẽ trở nên đậm đặc đủ để kết hợp với nhau và tạothành A và B với cùng tốc độ như khi chúng được tạo thành từ A và B. Phản ứngbây giờ ở trạng thái cân bằng: tốc độ theo hai hướng là như nhau và không có sựthay đổi rõ rệt nào diễn ra trong nồng độ của các chất phản ứng và các sản phẩm.Tình hình trên được mô tả là hằng số cân bằng (Keq) liên kết nồng độ cân bằng củacác sản phẩm và cơ chất với nhau: Nếu hằng số cân bằng lớn hơn 1 các sản phẩm sẽ có nồng độ lớn hơn các chấtphản ứng và phản ứng có xu hướng diễn ra đến cùng (Hình 16.5). Hằng số cân bằng của một phản ứng liên quan trực tiếp với sự thay đổi trongnăng lượng tự do của phản ứng. Khi được xác định ở các điều kiện tiêu chuẩn quyđịnh chặt chẽ về nồng độ, áp suất, pH và nhiệt độ thì sự thay đổi năng lượng tự docho một quá trình được gọi là sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn (∆Go). Nếugiữ ở pH 7,0 (gần với pH của tế bào sống) sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩnsẽ được chỉ bởi ký hiệu ∆Go’. Sự thay đồi trong năng lượng tự do tiêu chuẩn có thểđược xem là lượng năng lượng cực đại mà hệ thống có thể thực hiện công hữu íchở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sử dụng các giá trị ∆Go’ cho phép ta so sánh cácphản ứng mà không cần quan tâm tới những thay đổi trong ∆ G, do những sai kháctrong các điều kiện môi trường. Quan hệ giữa ∆Go’ và Keq được thể hiện qua quátrình sau:∆Go’ = -2,303RTlgKeq. R là hằng số khí (1,9872 cal/mol hoặc 8,3145 J/mol) và T là nhiệt độ tuyệt đối.Từ phương trình trên rút ra khi ∆Go’ âm hằng số cân bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứngsẽ diễn ra đến cùng và được gọi là phản ứng thoát nhiệt (Hình 16.5). Trong mộtphản ứng thu nhiệt ∆Go’ là dương và hằng số cân bằng nhỏ hơn 1. Điều đó cónghĩa là phản ứng không thuận lợi và ít sản phẩm được tạo thành ở các điều kiệntiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giá trị ∆ Go’ chỉ cho ta biết phản ứng nằm ở đâu khi cânbằng chứ không nói lên phản ứng đạt được cân bằng nhanh chậm ra sao.16.1.4. Vai trò của ATP trong trao đổi chất Nhiều phản ứng trong tế bào là thu nhiệt, khó diễn ra hoàn toàn nếu không cósự giúp đỡ từ bên ngoài. Một trong các vai trò của ATP là hướng các phản ứng nóitrên xảy ra được triệt để hơn. ATP là một phân tử cao năng nghĩa là nó có thể bịthuỷ phân hầu như hoàn toàn thành ADP và Pi với một ∆Go’ khoảng -7,3kcal/mol.ATP + H2O ADP + Pi Với ATP thuật ngữ phân tử cao năng không có nghĩa là một lượng lớn nănglượng được dự trữ bên trong một liên kết đặc biệt của ATP mà chỉ đơn giản chỉ rarằng việc loại bỏ nhánh Phosphate tận cùng diễn ra với sự thay đổi năng lượng tựdo chuẩn là âm, lớn hoặc phản ứng là thoát nhiệt mạnh. Nói cách khác ATP có thếmạnh chuyền nhóm Phosphate và dễ dàng chuyền Phosphate cho nước. Thếchuyền nhóm Phosphate được quy định là âm của ∆Go’ đối với việc loại bỏ thuỷphân Phosphate. Một phân tử có thế chuyền nhóm cao hơn sẽ c ...