Asosiy kontent

Course: Biologiya > Unit 6

Lesson 3: Erkin energiya

Erkin energiya

Gibbs erkin energiyasi oʻzgarishi (ΔG) va bu reaksiyaning muvozanat va spontanligiga qanday taʼsir qilishi.

Kirish

“Erkin energiya” atamasi haqida eshitganingizda xayolingizga nima keladi? Filadelfiyada hattoki “Erkin energiya” deb ataladigan rok guruhi ham bor (bu maʼlumot biologiyadagi koʻpgina terminlar rok guruhlari uchun ajoyib nom boʻlishi mumkinligi toʻgʻrisidagi uzoq yillik shubhalarimni tasdiqlaydi).

Biroq bu maʼlumotning maqolada biz muhokama qiladigan “erkin energiya”ga aloqasi yoʻq. Maqolada biz maʼlum bir kimyoviy reaksiya bilan bogʻliq boʻlgan erkin energiya turlarini va kimyoviy reaksiya sodir boʻlganda qancha energiya ajralishi (yoki sarflanishi)da nima oʻlchov boʻlishini koʻrib chiqamiz.

Erkin energiya

Agar jarayon koinotning entropiyasini butunlay oshirsa (yoki qaytar jarayon chegarasida oʻzgarmasa), bu jarayon faqat spontan (oʻz-oʻzidan) va hech qanday energiya sarfisiz sodir boʻladi. Bu termodinamikaning ikkinchi qonuni hisoblanadi. Lekin men uchun bu qandaydir mavhum fikr. Qanday qilib biz bu fikrni yanada aniqroq qilishimiz va kimyoviy reaksiya sodir boʻlishini hisoblashda undan foydalanishimiz mumkin?

Umuman olganda, reaksiya tizimini hamda uning atrof-muhitini oʻz ichiga oladigan borliq entropiyasida bizga reaksiya taʼsirini hisobga oladigan qandaydir oʻlchov kerak. Qulaylik uchun bu omillarning ikkalasi ham Gibbsning erkin energiyasi deb ataluvchi qiymatga keltiriladi.

Tizimning Gibbs erkin energiyasi (G) shu tizimdagi foydali (ish bajara oladigan) energiya oʻlchovidir. Reaksiya davomida Gibbs erkin energiyasidagi oʻzgarish reaksiyaning energetikasi va spontanligi (energiya sarfisiz jarayon sodir boʻladi) haqida foydali maʼlumot beradi. Gibbs erkin energiyasidagi oʻzgarishning oddiy formulasini quyidagicha yozamiz:

Δ G = G_{o x i r g i} - G_{d a s t l a b k i}

Boshqacha qilib aytganda, ΔG bu tizim erkin energiyasining dastlabki holatidan soʻnggi holatga oʻtgandagi oʻzgarishi, misol uchun, barcha reagentlar dastlabki holat, reaksiya mahsulotlari esa soʻnggi holat. Bu qiymat dastlabki holatdan soʻnggi holatga oʻtishda ajraladigan (yoki sarflanadigan) maksimal foydali energiyani bildiradi. Bundan tashqari, uning belgisi (musbat yoki manfiyligi) bizga reaksiya oʻz-oʻzidan energiya kiritilmasdan sodir boʻlyaptimi yoki yoʻqmi, shu haqda ham maʼlumot beradi.

Gibbs erkin energiyasi bilan ishlaganimizda biz doimiy harorat va bosim borasida ham baʼzi taxminlar qilishimiz kerak; biroq bu shartlar hujayralar va boshqa jonli tizimlar uchun deyarli toʻgʻri.

Gibbs erkin energiyasi, entalpiya va entropiya

Gibbs erkin energiyasining oʻzgarishi tenglamasining amaliy va eng koʻp qoʻllanadigan koʻrinishida ΔG olimlar tomonidan oʻlchanishi mumkin boʻlgan qiymatlar toʻplamidan foydalanib hisoblanadi: bu qiymatlar reaksiyaning entalpiya va entropiyasi oʻzgarishi hamda reaksiya sodir boʻladigan harorat.

Δ G = Δ H - T Δ S

Orqaga bir qadam qaytib, tenglamaning har bir qismiga eʼtibor qaratamiz.

∆H entalpiya oʻzgarishidir. Entalpiya biologiyada bogʻlarda saqlangan energiyaga nisbatan qoʻllanadi, entalpiyadagi oʻzgarish esa mahsulotlar va reagentlar orasidagi bogʻ energiyalaridagi farqni anglatadi. Manfiy ∆H reagentlardan mahsulotlar olinganda issiqlik ajralishini anglatsa, musbat ∆H da esa issiqlikning yutilishini bildiradi. (∆H ning bu talqini tirik hujayradagi asosli taxmin boʻlgan doimiy bosimni nazarda tutadi).
∆S reaksiya davomida tizim entropiyasidagi oʻzgarishdir. Agar ∆S musbat boʻlsa, tizim reaksiya davomida koʻproq tartibsiz boʻladi. (Masalan, bitta katta molekula bir nechta kichikroq molekulalarga boʻlinganda). Agar ∆S manfiy boʻlsa, demak, tizim koʻproq tartibli boʻladi.
Harorat (T) reaksiyaning umumiy erkin energiyasi oʻzgarishida ∆S va ∆H davrlarining nisbiy taʼsirini belgilaydi. (Harorat qancha yuqori boʻlsa, ∆S davrining ∆H davriga nisbatan taʼsiri katta boʻladi). Eʼtibor bering, bu yerda tenglama toʻgʻri ishlashi uchun harorat Kelvin (K)da hisoblanishi kerak.

Manfiy ∆G bilan boradigan reaksiyalarda energiya ajraladi, bu ular energiya kiritilmasa ham sodir boʻlishini anglatadi (spontan reaksiya). Aksincha, musbat ∆G bilan reaksiyalar sodir boʻlishi uchun energiya kiritish talab qilinadi (spontan boʻlmagan reaksiya). Yuqoridagi tenglamadan koʻrinadiki, entalpiyaning ham, entropiyaning ham oʻzgarishi ∆G ning umumiy qiymati va ishorasiga taʼsir qiladi. Reaksiya issiqlik chiqarganda (manfiy ∆H ) yoki tizimning entropiyasi oshganda, bu omillar taʼsirida ∆G yana ham koʻproq manfiy boʻladi. Boshqa tomondan, reaksiya issiqlik yutganda yoki tizim entropiyasini kamaytirganda, bu omillar taʼsirida ∆G yanada koʻproq musbat boʻladi.

∆H va ∆S ga qarab, reaksiyalar oʻz-oʻzidan, oʻz-oʻzidan emas yoki faqat maʼlum bir haroratda oʻz-oʻzidan sodir boʻlish-boʻlmasligini ayta olamiz. Agar reaksiya ham issiqlik chiqarsa, ham entropiyani oshirsa, bu har doim haroratga qaramasdan oʻz-oʻzidan sodir boʻladi (manfiy ∆G ). Shunga oʻxshab, reaksiya ham issiqlikni yutsa, ham entropiyani kamaytirsa, barcha haroratlarda oʻz-oʻzidan (musbat ∆G) sodir boʻlmaydi deyiladi. Biroq baʼzi reaksiyalar bir vaqtda foydali va foydasiz xossalarga ega boʻlishi mumkin (issiqlik ajraladi, lekin entropiyani kamaytiradi yoki issiqlik yutiladi, lekin entropiyani oshiradi). ∆G va bu reaksiyalarning spontanligi jadvalda umumlashtirilganidek haroratga bogʻliq boʻladi.

Shu nuqtada siz nima uchun bu qiymatlar (∆H, ∆S va T) reaksiyalarning oʻz-oʻzidan sodir boʻlishini belgilab berayotganligiga hayron boʻlayotgan boʻlishingiz mumkin. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga koʻra, reaksiya borliq entropiyasini oshirgandagina oʻz-oʻzidan sodir boʻladi. Shunday ekan, ΔH va T ning nima aloqasi bor?

Yuqorida koʻrsatilgan ΔG tenglamada ΔS (tizim entropiyasining oʻzgarishi) aniq entropiya bilan bogʻliq va entropiyaning oshishi spontanlikni taʼminlayapti. Biroq ΔH va T ham qaysidir maʼnoda entropiya bilan bogʻliq. Ajralgan issiqlik atrof-muhit entropiyasini oshirishi (yutilgan issiqlik esa kamaytirishi) mumkin va oʻzgarish kattaligi haroratga bogʻliq. Shunday qilib, ΔG tenglamaning uchta qiymati ham aslida borliq entropiyasiga koʻrsatadigan reaksiya taʼsiriga taalluqlidir.

∆G va borliq entropiyasi oʻrtasidagi munosabatni yanada batafsil va chuqur oʻrganish uchun termodinamika haqidagi videoni koʻring.

Endergonik va ekzergonik reaksiyalar

Manfiy ∆G ga ega reaksiyalar erkin energiya chiqaradi va ekzergonik reaksiyalar deb ataladi. (Eslab qolishga mnemonika: ekzergonik — energiyaning tizimdan chiqishi, ingliz tili bilan bogʻlab eslab qolishingiz mumkin: “EXergonic” va “EXit”.) Manfiy ∆G reagentlar yoki dastlabki holat mahsulotlarga, yaʼni soʻnggi holatga qaraganda koʻproq erkin energiyaga ega ekanligini anglatadi. Ekzergonik reaksiyalar spontan reaksiyalar deb ham ataladi, chunki ular energiya kiritilmasa ham sodir boʻladi.

Musbat ∆G (∆G > 0) qiymatga ega reaksiyalar energiya kiritilishini talab qiladi va endergonik reaksiyalar deb ataladi. Bu holatda reaksiya mahsulotlari yoki oxirgi holat reagentlarga, yaʼni boshlangʻich holatga nisbatan koʻproq erkin energiyaga ega boʻladi. Endergonik reaksiyalar spontan boʻlmaydi, yaʼni ular sodir boʻlishi uchun energiya talab qiladi. Endergonik reaksiyalarga kiritilgan energiyaning baʼzi qismi oʻzlari hosil qiladigan yuqori energiyali mahsulotlarda saqlanadi deb hisoblashimiz mumkin

^{1}

Spontan soʻzi bu yerda juda aniq maʼnoga ega va buni bilish juda muhim, yaʼni u reaksiya energiya kiritilmasdan sodir boʻlishini anglatadi, ammo reaksiyaning qanchalik tez sodir boʻlishi haqida hech qanday maʼlumot bermaydi

^{2}

. Spontan reaksiya bir necha soniyalarda sodir boʻlishi mumkin, lekin u bir necha kun, yil yoki hatto undan koʻproq vaqt talab qilishi ham mumkin. Reaksiya tezligi boshlangʻich va soʻnggi holat oʻrtasidagi yoʻlga (quyida koʻrsatilgan diagrammalardagi binafsharang chiziqlar) bogʻliq boʻlsa, spontanlik faqatgina boshlangʻich va soʻnggi holatlarning oʻziga bogʻliq. Reaksiya tezligi haqida koʻproq bilib olish uchun aktivlanish energiyasi maqolasini oʻqing.

Toʻgʻri va teskari reaksiyalarning spontanligi

Agar reaksiya bir yoʻnalishda endergonik boʻlsa (masalan, mahsulotlarni reagentlarga aylantirish), ikkinchi yoʻnalishda ekzergonik boʻlishi kerak yoki aksincha. Misol sifatida hujayraning “energiya valyutasi” boʻlgan kichkina molekula adenozin trifosfat (

ATF

) sintezi va uning parchalanishini koʻrib chiqamiz.

Quyidagi tenglamada adenozin trifosfat (

ATF

) adenozin difosfat (

ADF

) va fosfat (

P_{i}

)dan hosil boʻlgan.

ADF

P_{i}

\to

ATF

H_{2} O

Standart sharoitlarda (yaʼni barcha reagentlar va mahsulotlarning konsentratsiyasi

1

M

1

atm

bosim,

25

daraja

C

pH

7, 0

boʻlganda) ∆G =

+ 7, 3

kcal/mol

endergonik reaksiya hisoblanadi. Tanamizdagi hujayralarda

ATF

hosil qilish uchun kerak boʻlgan energiya glyukoza kabi yoqilgʻi molekulalarining parchalanishi yoki energiya chiqaruvchi (ekzergonik) boshqa reaksiyalar hisobiga taʼminlanadi.

ATF

gidrolizi (suv orqali parchalanish) teskari jarayon boʻlib, u ham yuqoridagiga oʻxshash, ammo reaksiya teskarisiga sodir boʻladi:

ATF

H_{2} O

\to

ADF

P_{i}

Bu ekzergonik reaksiya va uning ∆G qiymati kattalikda bir xil, ATF sintezi reaksiyasi ishorasida esa qarama-qarshi (∆G =

- 7, 3

kcal/mol

standart sharoitda). Bir xil kattalik va qarama-qarshi ishoralar munosabatlari doimo qaytar jarayonlarning toʻgʻri va teskari reaksiyalariga nisbatan qoʻllanadi.

Nostandart sharoitlar va kimyoviy muvozanat

Yuqorida ∆G qiymati standart sharoitlar deb ataluvchi muayyan sharoitlar majmui uchun hisoblab chiqilganligiga eʼtibor bergandirsiz. Kimyoviy reaksiyalarning standart erkin energiya oʻzgarishi (∆Gº’) standart sharoitlar ostida reagentlarning mahsulotlarga aylanishidan ajralgan energiya miqdoridir. Biokimyoviy reksiyalar uchun standart sharoitlar odatda

25

° C

(

298

K

), barcha reagentlar va mahsulotlarning

1

M

konsentratsiyasi,

1

atm

bosim va

pH

7, 0

ekanligini bildiradi (∆Gº’ dagi bitta shtrix belgisi taʼrifda

pH

borligiga ishora qiladi).

Hujayra yoki organizm ichidagi muhit bu standart sharoitlardan juda farq qilishi mumkin, shu bois tirik organizmlardagi biologik reaksiyalar uchun ∆G qiymatlari standart erkin energiya oʻzgarishi (∆Gº’) qiymatlaridan keskin farq qilishi mumkin. Haqiqatan ham, muhitni manipulyatsiya qilish (ayniqsa, reagentlar va mahsulotlarning konsentratsiyasini) hujayraning reaksiyalar toʻgʻri yoʻnalishda spontan sodir boʻlishini taʼminlashida muhim hisoblanadi.

Kimyoviy muvozanat

Buning sababini tushunish uchun kimyoviy muvozanat tushunchasini kiritishimiz mumkin. Kimyoviy muvozanatni bilib olish uchun, keling, biz faqat reagentlarning oʻzi bilan boradigan (hech qanday mahsulot ishtirok etmagan) qaytar reaksiyani amalga oshiramiz deb tasavvur qilaylik. Reaksiyada mahsulotlarga aylanadigan reagentlar koʻp boʻlganligi bois toʻgʻri reaksiya tezlik bilan amalga oshadi. Aksincha, reagentga aylanadigan mahsulot yoʻqligi sababli teskari reaksiya esa umuman amalga oshmaydi. Ammo mahsulot yigʻilgani sari teskari reaksiya tez-tez sodir boʻla boshlaydi.

Bu jarayon reaksiya tizimi kimyoviy muvozanat deb ataladigan muvozanat nuqtasiga yetgunga qadar davom etadi va bunda toʻgʻri va teskari reaksiyalar bir xil tezlikda amalga oshadi. Bu nuqtada ikkala reaksiya ham davom etadi, lekin mahsulot va reagentlarning umumiy konsentratsiyasi boshqa oʻzgarmaydi. Har bir reaksiya mahsulotlarning reagentlarga nisbatan muvozanatda boʻlgan oʻziga xos xarakterli nisbatiga ega.

Reaksiya tizimi muvozanatda boʻlsa, bu uning eng kam energiyali (boʻlishi mumkin boʻlgan eng kam erkin energiyali) holatida boʻladi. Agar reaksiya muvozanatda boʻlmasa, u oʻz-oʻzidan muvozanatga qarab harakat qiladi, chunki bu unga kam energiyali, barqaror holatga erishish imkonini beradi. Bu toʻgʻri yoʻnalishda natijaviy harakat reagentlarning mahsulotlarga aylanishi yoki teskari yoʻnalishda natijaviy harakat mahsulotlarning qayta reagentlarga aylanishini anglatadi.

Reaksiya muvozanatga kelish uchun harakatlangani sari (mahsulotlar va reagentlarning konsentratsiyasi muvozanat nisbatiga yaqin borishida) tizimning erkin energiyasi pasayib boraveradi. Muvozanatda boʻlgan reaksiya endi hech qanday ish bajara olmaydi, chunki tizimning erkin energiyasi imkon qadar past boʻladi

^{4}

. Tizimni muvozanatdan uzoqlashtiradigan har qanday oʻzgarish (masalan, reagent yoki mahsulotlarni qoʻshish yoki olib tashlash muvozanat nisbatini boshqa toʻldirmaydi) tizimning erkin energiyasini oshiradi va ish bajarilishini talab qiladi.

Hujayralar qanday qilib muvozanatdan chetda boʻlishi

Agar hujayra izolyatsiyalangan tizim boʻlganida edi, uning kimyoviy reaksiyalari muvozanatga chiqqan va bu yaxshi boʻlmagan boʻlardi. Hujayra reaksiyalari muvozanatga erishganida hujayra oʻlgan boʻlardi, chunki hujayrani tirik ushlab turishda zarur boʻlgan ishni bajarish uchun erkin energiya qolmagan boʻlar edi.

Hujayralar metabolik reaksiyalarni toʻgʻri yoʻnalishda saqlab turish uchun reagentlar va mahsulotlarning konsentratsiyasini oʻzgartirish orqali muvozanatdan chetda boʻladi. Masalan:

Ular reagent molekulalarini import qilish uchun (ularni yuqori konsentratsiyali sharoitda ushlab turadi) energiyadan foydalanishi mumkin.
Ular mahsulot molekulalarini eksport qilish uchun (ularni past konsentratsiyali holda saqlaydi) energiyadan foydalanishi mumkin.
Ular kimyoviy reaksiyalarni metabolik yoʻllarga joylashtirishi mumkin, bunda bir reaksiya navbatdagi reaksiyani “toʻydiradi”.
Hujayra reaksiyalarni qanday qilib muvozanatdan chetda ushlab turishiga misol. Hujayra A yoʻlning boshlangʻich molekulalarini import qilish uchun energiya sarflaydi va ATF-quvvatli transmembrana transport oqsillari yordamida D yoʻlning yakuniy mahsulotini eksport qiladi. A ning yuqori konsentratsiyalari reaksiyalar ketma-ketligini (A ⇌ B ⇌ C ⇌ D) oʻng tomonga “itaradi”, D ning past konsentratsiyalari esa reaksiyalarni oʻng yoʻnalishga “tortadi”.

Reagentning yuqori konsentratsiyasini taʼminlash mahsulotlar yoʻnalishi boʻyicha kimyoviy reaksiyani “itaradi” (yaʼni muvozanatga erishish uchun toʻgʻri yoʻnalishda harakatlantiradi). Xuddi shu narsa mahsulotni tezda olib tashlaganda ham toʻgʻri, ammo mahsulot past konsentratsiyali boʻlganda reaksiyani oldinga “torta oladi”. Metabolik yoʻlda reaksiyalar bir-birini “itarishi” va “tortishi” mumkin, chunki ular umumiy oraliqlar bilan bogʻlanadi: bir bosqichning mahsuloti keyingisi uchun reagent boʻladi

^{5, 6}

Itarish va tortish aslida qanday ishlaydi? Koʻproq maʼlumot olish uchun reaksiyalarni juftlashtirish videosini koʻring.

Mavzuga oid manbalar:

Ushbu mavzuni yoritishda OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)ning “Potential, kinetic, free, and activation energy” maqolasidan foydalanildi. Asl maqolani quyidagi manzildan bepul yuklab oling: http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:28/Biology.

Ushbu maqola CC BY-NC-SA 4.0 litsenziyasiga ega.

Mavzuda keltirilgan iqtiboslar:

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Exergonic and endergonic reactions in metabolism. In Campbell biology (10th ed., pp. 146-147). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The second law of thermodynamics. In Campbell biology (10th ed., p. 144). San Francisco, CA: Pearson.
Meyertholen, E. (n.d.). Gibbs free energy. In Bioenergetics. Retrieved from http://www.austincc.edu/~emeyerth/gibbs.htm.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Free energy, stability, and equilibrium. In Campbell biology (10th ed., pp. 145-146). San Francisco, CA: Pearson.
Endergonic reaction. (2016, April 24). Retrieved May 2, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Endergonic_reaction.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Free energy, stability, and equilibrium. In Campbell biology (10th ed., pp. 145-146). San Francisco, CA: Pearson.

Qoʻshimcha maʼlumotlar:

Activation energy. (n.d.). In Bodner research web. Retrieved from. http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch22/activate.php.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L., and Stryer, L. (2002). Entropy and the laws of thermodynamics. In Biochemistry (5th ed, section 1.3.3). New York, NY: W.H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22567/#A167.

Berg, J. M., Tymoczsko, J. L., and Stryer, L. (2002). Free energy is a useful thermodynamic function for understanding enzymes. In Biochemistry (5th ed, section 8.2.1). New York, NY: W.H. Freeman. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22584/.

Gibbs free energy. (2015, August 11). Retrieved August 25, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Gibbs_free_energy.

Gibbs free energy. (n.d.). In Bodner research web. Retrieved from http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch21/gibbs.

Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J., and Treichel, D. (2014). Entropy changes and spontaneity. In Chemistry and chemical reactivity (9E ed., pp. 691-696). Boston, MA: Cengage Learning.

Lambert, Frank L. (2012). Entropy and Gibbs free energy. In Entropy and the second law of thermodynamics! Retrieved from http://2ndlaw.oxy.edu/gibbs.html.

Quílez-Díaz, A. and Quílez-Pardo, J. (2015). Avoiding first-year chemistry textbooks’ misrepresentations in the teaching of spontaneous reactions. Quim. Nova, 38(1), 151-155. http://dx.doi.org/10.5935/0100-4042.20140248.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). An introduction to metabolism. In Campbell biology (10th ed., pp. 141-161). San Francisco, CA: Pearson.

Treptow, Richard S. (1996). Free energy versus extent of reaction. Journal of Chemical Education, 73(1), 51-54.

Minnatdorchilik

Ushbu maqolani tahrir qilishda koʻrsatgan yordami uchun Cuauhtémoc García-Garcíaʼga minnatdorchilik bildiramiz.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.