Глава 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ С БИОМОЛЕКУЛАМИ

(ПОНЯТИЕ О МОЛЕКУЛЯРНОМ КОНСТРУКТОРЕ)

Понятие молекулярного конструктора

Удобным подходом к описанию молекулярных процессов в клетке является представление в виде, который можно назвать молекулярным конструктором.

Макромолекулы, пространственная структура которых обсуждена выше, – это основной инструмент для осуществления всего разнообразия клеточных процессов.

Макромолекулы и другие химические компоненты клетки удобно представлять как большой набор универсальных элементов (деталей конструктора), комбинируемых различным образом (в том числе путём сборки крупных многомолекулярных агрегатов) для решения разнообразных задач.

Клеточные процессы состоят из некоторого набора элементарных функций (операций), выполняемых различными молекулярными составляющими («деталями» молекулярного конструктора). Рассмотрим список наиболее важных деталей и элементарных функций:

пленка – может ограничивать и разделять,

крупная частица или агрегат – может присоединить к себе молекулы и обеспечить их специальным образом направленное превращение

крупная частица в пленке – может переносить через границу раздела

крупная частица, если способна изменять форму (сокращаться) – может осуществлять перенос, транспорт, создавать механическое напряжение

за счет большого числа связей – можно обеспечить достаточно/весьма прочное соединение: если связи ковалентные, то не переместить, пока не порвутся, если много слабо, то также прочность, но можно смещать, если выталкивание типа гидрофобного, то просто будут держаться преимущественно вместе

можно также обеспечить протекание электромеханических и электрохимических процессов (например, преобразование разности потенциалов или градиента концентраций в работу и энергию АТФ)

и т.д.

Можно организовать также очень сложные функции и процессы, например, когда комплекс закреплён на поверхности, перемещается вдоль линейной молекулы или структуры и, в зависимости от локальных свойств этой структуры, синтезирует некоторый продукт или выполняет некоторую другую сложную функцию, в частности, выполняет кодированное перемещение определённых молекул (например, сборку генов иммуноглобулинов).

Список общеклеточных (интегральных) функций

С участием молекулярного конструктора возможно:

обеспечить механическую прочность (несколько способов: синтез ковалентных связей, много слабых связей, эффект вытеснения с формированием связей типа гидрофобных);

создать механическую нагрузку (способы: осмотическое давление, молекулярное натяжение, преимущественное перемещение);

эффективно запасать энергию (оценка: сравнение с другими способами);

ускорять химические превращения (за счет биокатализа, см. приложение);

экономно использовать энергию (малыми порциями). Для понимания наблюдаемого выбора важна во-первых, оценка потребностей качественно (нужна направленность превращения, а для этого необходимы энергетические затраты какого-либо рода: если нет затрат, то скорость равна нулю) и количественно (сколько нужно). Во-вторых, нужна оценка возможностей – прежде всего, как можно достичь требуемой направленности с минимальным усложнением биохимического механизма (т.е. с обслуживанием сразу нескольких реакций);

обеспечить пассивный транспорт (без затрат энергии);

обеспечить активный транспорт (с затратами энергии);

кодировать информацию;

сохранять информацию;

считывать информацию;

превращать формальную информацию (некоторый код) в функциональную информацию (молекулярные структуры).

Возможная оценка: количество информации, которое можно хранить в полимерных структурах клетки

упражнение: пополнить приводимый список <возможностей молекулярного конструктора>

дальнейшее (в этом семинаре после п. 2 и следующем семинаре): как продолжение генерируемой таблицы (свойство – указание на оценку – сама оценка – комментарии к ней)

Расширение: описание на функциональном (качественном и полуколичественном) уровне того, что мы наблюдаем в организации клеточных процессов

Математическое описание функций в клетке – язык количественной химии

на основе всего двух базовых возможностей возникает широкое разнообразие комбинированных

Для количественного описания эффекта при использовании элементов молекулярного конструктора в клетке важно, что клеточные процессы довольно однородны. В клетке все структуры состоят из атомов или молекул, соединенных связями 3-х типов (ковалентная, водородная, гидрофобная) и происходят процессы их перестройки (химические реакции и перестройки слабых связей).

Можно количественно оценить вероятность для гидрофобной молекулы находиться соответственно в гидрофобном и гидрофильном окружении – как энергетический эффект в показателе экспоненты (вероятность пропорциональна exp(-E_i/RT) в трактовке Максвелла или Гиббса) для случая различия энергетической конфигурации соответственно при образованных и необразованных связях. Длинный липидный хвост означает, что не будут образованы водородные связи с характерной энергией 10-20 кДж по числу несколько штук на каждую углеводородную (ОУФ) группу хвоста.

Задача: какой толщины иголка может лежать на воде?

За счет образования перечисленных типов связей можно построить объекты, которые есть в клетке: пленки и частицы разного размера и формы (в частности, нити). Эти частицы и пленки разного размера и формы (комбинируемые разным образом) могут реализовывать перечисленные выше функции и свойства – ускорять химические превращения, создавать временные конструкции за счет большого числа слабых связей, разделять реакционные зоны, обеспечивать определенные механические свойства, генерировать и поддерживать разность потенциалов и т.д.

Таким образом, на уровне конечного эффекта получается большое разнообразие, несмотря на то, что набор возможностей на первый взгляд кажется однообразным (фактически элементарных возможностей всего две – химические превращения и образование слабых связей).

Более того, Схема всех клеточных процессов в первом приближении одинакова. К некоему комплексу присоединяется слабыми связями последовательно одна, несколько либо много частиц. Получившийся комплекс преобразуется в некое число стадий, затем отсоединяются те же (например, если имел место транспорт) или какие-то новые частицы.

Основная характеристика любой связи – энергия ее разрыва, а характеристики любого процесса – скорость в прямом и обратном направлениях и константа равновесия. Поэтому любые клеточные процессы могут быть описаны на языке количественной химии, причем их сходство с этой точки зрения (схем превращений, значений энергии активации и т.д. - см. ниже) позволяет анализировать достаточно сложные процессы как с точки зрения достигаемых состояний равновесия, так и в кинетике.

Химическая кинетика - удобный язык количественного описания молекулярных процессов в клетке

Все разнообразие процессов в клетке можно описать на языке химической кинетики. Он основан на статистическом характере большого числа столкновений и химических взаимодействий частиц, которые сводятся к закону действующих масс. При этом выполняются законы сохранения в виде стехиометрических уравнений.

Всем известный пример стехиометрического уравнения – уравнение дыхания (в варианте, когда в качестве субстрата используется глюкоза), это уравнение обратно уравнению фотосинтеза:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

Скорость превращений определяется энергией разрываемых связей в реагентах и образующихся связей в продуктах, требуемой ориентацией взаимодействующих молекул, свойствами среды и т.д.

Приложение: задача о разрыве всех связей в 1 л воды (с. 9–11 из книги Макеева)

«Водородные связи намного слабее ковалентных. Энергия водородных связей в жидкой воде (т.е. энергия, необходимая для разрушения одной связи) составляет примерно 18.8 кДж/моль, тогда как энергия ковалентных связей Н-О в молекулах воды равна 460 кДж/моль. Молекулы в жидкой воде находятся в непрерывном тепловом движении, поэтому образующиеся водородные связи постоянно и быстро разрываются и вновь восстанавливаются. Среднее время жизни водородной связи при комнатной температуре не превышает 1.5 10^–9 с. Каждая молекула воды в принципе может образовывать водородные связи максимально с четы­рьмя соседними молекулами, однако при комнатной температуре в любой данный момент каждая молекула воды образует водородные связи в среднем с 3.4 других молекул.

Задача 3. Рассчитайте, какое количество энергии необходимо для одновременного разрыва всех водородных связей в 1 л воды, находя­щемся при 25^оС.»

Решение. 18.8 кДж/моль (1000/18) 3,4/2 = 1700 кДж/л или 32 кДж/моль (учтено, что одна связь соединяет две молекулы, масса 1 л воды 1000 г, молекулярная масса воды 18 г). Для сравнения: теплота испарения для воды 10 ккал/моль = 42 кДж/моль, т.е. на 10 кДж/моль больше, причем 10 кДж/моль – это теплота испарения для многих неполярных жидкостей (т.е. жидкостей, в которых не образуются связи типа водородных); теплота плавления для воды 1,44 ккал/моль = 6 кДж/моль.

Основную роль для биологических процессов играют элементарные превращения первого порядка (это так даже для реакций с результирующим превращением нескольких или даже очень многих частиц – см. ниже). Для превращений первого порядка выражение для скорости имеет вид:

v = k [A],

где v - скорость реакции, [A] – концентрация превращаемого вещества, k - константа скорости реакции.

В общем случае, когда превращается несколько веществ v = П(реагенты) = k Пc_i^j

где Пc_i^j - произведение концентраций реагентов (c_i, i – все реагенты) в степенях, равных числу молекул этого реагента, которые участвуют в элементарном акте физико-химического превращения

Константа скорости в этом выражении имеет вид

k = A exp (-E_A/RT),

где R – универсальная газовая постоянная, а T – абсолютная температура.

Видно, что выражение для константы скорости включает предэкспоненциальный множитель A («предэкспонент») и экспоненциальный множитель, который определяют температура и энергия активации E_A.

Предэкспонент (по сути частота взаимодействия частиц, а это взаимодействие – источник энергии для преодоления активационного барьера) для превращения первого порядка имеет характерное значение 10¹³ с^–1. Это значение объясняется из элементарных молекулярно-кинетических соображений, учитывая характерное значение v скорости частиц порядка 100 м/с, расстояние l порядка 10^-10 м и число соседних частиц n (потенциально любая из них может передать энергию рассматриваемой частице или комплексу частиц) около 10: А = n v/l. В курсе физической химии это же значение обычно объясняют из квантовомеханических соображений (как k_BT/h, где k_B – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка). Формально если E_A=0, то константа скорости равна значению предэкспонента, это и есть теоретический предел скорости химической реакции. Если же E_A заметно больше RT (а это всего около 2,5 кДж/моль), то скорость реакции существенно меньше предельного значения (2,5ln 10= 5,7 кДж/моль соответствует одному порядку). При энергии активации 100 кДж/моль характерное время реакции (а формально 1/k – это время, за которое концентрация реагента уменьшается в е раз) уже измеряется часами, поэтому при большей энергии активации реакция практически не происходит (её протекание трудно обнаружить при обычной практике лабораторных измерений).

Энергия активации E_A зависит от энергии, требующейся для разрыва связей в молекуле превращаемого вещества. В простейшем случае, когда требуется разрыв одной связи, E_A равна энергии этой связи. Интересно, что в других случаях, когда формально необходимо разорвать две или несколько связей, энергия активации оказывается даже меньше, чем для разрыва одной из этих связей.

Если бы связи необходимо было полностью разрывать, мы практически не могли бы наблюдать множество реально происходящих превращений

По сути, происходит не разрыв, а перестройка связей. Если разрыв – это разведение частиц на достаточно большое (формально – на бесконечное) расстояние, то при химических превращениях обычно вместо этого происходит одновременное образование новых связей. Это означает относительно небольшое увеличение межатомного расстояния (с более низким активационным порогом). В результате можно наблюдать самопроизвольные химические превращения органических веществ (т.е. они имеют энергию активации не более 100 кДж/моль). При этом энергия разрыва одной ковалентной связи C-C около 300 кДж/моль (а, например, для двойной связи C=C – 600 кДж/моль, тройной связи - 825 кДж/моль, связи C-O - 365 кДж/моль, C-H – 410 кДж/моль, C=O - 730 кДж/моль, O-O - 160 кДж/моль).

При каталитическом механизме собственно химическое превращение идет как реакция 1-го порядка и тогда E_A, как правило, понижается (ниже объясняется, как при каталитическом механизме может возрастать скорость реакции даже без понижения активационного барьера). Для большинства ферментативных превращений характерные значения E_A 40-60 кДж/моль.

иначе их практически невозможно наблюдать; специальное усиление типа цепной реакции не помогает, т.к. коэффициент усиления не превосходит 5–6 порядков, как правило, значительно меньше, а это в терминах энергии активации величина порядка 10 кДж/моль)

Для самостоятельного ознакомления (вариант: на контрольной работе) – кинетика 1-го порядка для описания биологических процессов (от радиоактивного распада до вечеринки с коктейлями)

(Макеев А.В. «Основы биологии» с. 7–9): «Каждый из химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают почти одинаковыми химическими свойствами, однако молекулы, содержащие легкие изотопы, подвижнее, чем молекулы, содержащие тя­желые изотопы, и химические связи, образуемые тяжелыми изотопами, прочнее, чем такие же связи, образуемые легкими изотопами. Поэтому молекулы, содержащие легкий изотоп, легче вступают в химические ре­акции и такие процессы, как диффузия, абсорбция, испарение и т.д. В результате углерод живых организмов оказывается обогащенным изото­пом ¹²С по отношению к исходному для всего живого углероду атмосферного СО₂, потому что в процессе фотосинтеза растения предпочти­тельно поглощают ¹²СО₂, а органический кислород оказывается обога­щен изотопом ¹⁸О сильнее, чем вода и кислород атмосферы, но меньше, чем атмосферный углекислый газ. Это явление называется БИОЛОГИЧЕСКИМ ФРАКЦИОНИРОВАНИЕМ ИЗОТОПОВ.

В состав живых организмов входят и некоторые радиоактивные изотопы, и это используется для определения геологического возраста ископаемых остатков. Природный углерод содержит примерно 99% ¹²C и 1% ¹³C. Кроме того, при воздействии космических лучей на атмосфер­ный азот образуется радиоактивный углерод ¹⁴С. Этот ¹⁴С окисляется до ¹⁴СО₂ и усваивается растениями, а затем попадает и в ткани жи­вотных. Поскольку период полураспада ¹⁴С Т = 5 668 лет, то между образованием и распадом ¹⁴С устанавливается стационарное равновесие, так что относительная концентрация ¹⁴С в живых организмах рав­на 10^-12 г ¹⁴С на 1 г ¹²С. После смерти организма обмен между ним и атмосферой прекращается, и доля ¹⁴С, содержащегося в его тканях, начинает уменьшаться вследствие радиоактивного распада. Этот распад происходит как процесс первого порядка по экспоненциальному закону:

A = A_o exp(–t ln2/T) = A_o 2^–t/T,

где A_o - доля ¹⁴С в современных живых организмах, A - доля ¹⁴С в ископаемых остатках, t - возраст найденных ископаемых остатков. В предположении, что скорость образования ¹⁴С в атмосфере была посто­янна в истории Земли, измерив A, можно рассчитать t.

Проверка этого предположения была проведена сравнением возрас­та образцов древесины мамонтового дерева (Sequoia gigantea), опре­деленного по содержанию радиоактивного углерода, с возрастом, подс­читанным по числу его годичных колец. Такая проверка, так же, как и проверки с использованием других углеродсодержащих материалов, нап­ример, древесины из захоронений периода Первой династии египетских фараонов, датированных историческими методами, дали удовлетвори­тельные результаты. Однако радиоуглеродный метод датирования не применим для образцов с возрастом менее 2000 лет, поскольку для них велика ошибка, связанная с сжиганием угля и нефти, в которых почти нет ¹⁴С и которые разбавляют современный атмосферный ¹⁴С, а в пос­леднее время - с увеличением образования ¹⁴С в результате ядерных взрывов.

Другое ограничение радиоуглеродного метода датирования связано с ошибками в измерении очень малых количеств ¹⁴С, оставшегося в об­разцах, возраст которых превышает 20 000 лет. Поэтому в таких слу­чаях для определения геологического возраста используют более мед­ленно распадающиеся радиоактивные изотопы, например, ⁴⁰К, распадаю­щийся до ⁴⁰Ar c периодом полураспада Т = 1.3710⁹ лет и представляю­щий собой "остатки" того ⁴⁰К, который присутствовал при образовании Земли.

Задача 1. Свежесрубленная древесина содержит изотоп ¹⁴С, распадающийся со скоростью 15.3 атома в минуту в расчете на 1 г углерода (это соответствует числу b-частиц, испускаемых изотопом ¹⁴С за 1 минуту, измеренному счетчиком Гейгера). Установлено, что древесина деревьев, засыпанных пеплом при извержении вулкана Мазама на юге штата Орегон (США), дает 6.90 b-распадов атомов ¹⁴С в минуту в расчете на 1 г углерода. Когда примерно произошло извержение вулкана?

Задача 2. Найденные в Восточной Африке скелеты синантропа были извлечены из вулканического пепла, содержащего минералы калия. Методом масс-спектроскопии удалось определить, что ⁴⁰Ar в пепле составляет 0.078% от общего количества присутствующего ⁴⁰К. В данном случае ⁴⁰Ar образовался в результате b-распада ⁴⁰К, содержавшегося в пепле, выпавшем при извержении вулкана, а ранее образовавшийся ⁴⁰Ar выделился из лавы в процессе извержения. Какой возраст имеют обнаруженные скелеты?»

II.2.

Истинный возраст биологического образца составляет 80 тыс. лет. Первую половину этого времени образец находился при температуре 34^оС, а вторую - при 24^оС. Экспериментатор этого не знает и, предполагая, что образец все время находился при 24^оС, определяет его возраст по скорости рацемизации L-изолейцина. Константа рацемизации k увеличивается вдвое при повышении температуры на 10 градусов.

Рассчитайте кажущийся возраст образца, который будет установлен экспериментатором.

Решение:

Скорость рацемизации пропорциональна k. Поскольку первые 40 тыс. лет процесс рацемизации шел вдвое быстрее, то экспериментатор оценит первый период как вдвое более долгий, чем на самом деле.

Ответ: 80 тыс. лет + 40 тыс. лет = 120 тыс. лет.

II.16. Вечеринка с коктейлями

На протяжении 3-х часовой вечеринки мужчина выпил через равные промежутки времени 10 коктейлей, каждый из которых в объеме 150 мл содержал 10 г этанола. Всасывание этанола в кровь происходит пропорционально его концентрации в кишечно-желудочном тракте [A] c константой скорости k = 10 ч^-1. Выведение этанола из организма происходит путем ферментативного окисления до ацетальдегида (и в конце концов до уксусной кислоты в печени) с постоянной скоростью 0.192 г/(л ч). Какая концентрация алкоголя в крови будет достигнута при таком режиме потребления коктейлей к концу вечеринки, если после всасывания этанола в кровь он распределяется равномерно во внутренних жидкостях тела, объем которых 40 л (кровь составляет только 5 л)? Каковы будут его качественные физиологические и психические реакции, если при содержании этанола в крови 0.5 - 1.0 г/л наблюдается чувство эйфории, при 1.0 - 1.5 г/л - расстройство координации движений от слабого до среднего, при 1.5 - 2.0 г/л - полное отсутствие координации движений и невнятность речи, при 2.0 - 2.5 г/л потеря памяти и при > 2.5 г/л - индуцированный сон или потеря сознания.

Решение:

Промежуток времени между коктейлями: Т = 3 60/9 = 20 мин.

[A] = [A]_o(1 - exp(-kT)) = [A]_o(1 - exp(-20/6))  за 18 мин всасывается 96% этанола, поэтому можно считать, что перед принятием каждого следующего коктейля, предыдущий полностью всасывается. Поэтому к моменту окончания вечеринки в кровь уже поступило ~ 9 10 г = 90 г этанола и еще 10 г находятся в желудке, а вывелось из организма только 0.192 3 = 0.576 г/л. Следовательно, концентрация этанола в крови в этот момент составляет 90/40 - 0.576 ~ 1.67 г/л. Еще через 0.5 ч, когда всосется последний коктейль, концентрация этанола в крови будет 1.67 + 10/40 - 0.192 0.5 = 1.82 г/л.

диффузия – связь константы диффузии и коэффициента диффузии

По тем же причинам (происходит не разрыв, а перестройка связей) для процессов с перестройкой слабых связей характерные значения E_A около 20 кДж/моль.

В том числе это относится к диффузии. Диффузия – это перемещение частиц из одного окружения в другое (в частности, если в некоторой области много частиц одного типа, то, случайно перемещаясь, они будут рассеиваться, тогда их концентрация в этой области будет уменьшаться). Перемещение частиц может приводить и к сближению молекул, при котором они попадают в одну локальную область (такое сближение, в частности, необходимо для химических превращений). Если взаимодействуют частицы веществ A и B, скорость их попадания в одну локальную область (единицу объёма) пропорциональна концентрациям A и B, т.е. диффузия – это процесс 2-го порядка и его скорость выражает зависимость вида v = k_D[A][B], где k_D – константа скорости диффузии. На языке количественной химии такую величину принято использовать для описания скорости диффузии (наряду с коэффициентом диффузии, используемым в молекулярно-кинетической теории).

Отметим, что сближение двух частиц – это основной способ взаимодействия при взаимодействии любого числа частиц/даже большего числа частиц (при большом числе частиц взаимодействие реализуется как последовательное), т.к. сближение трех и более частиц имеет слишком малую вероятность/гораздо менее вероятны.

Если с точки зрения молекулярно-кинетической теории вычислить значение k_D , то получается величина порядка 10¹⁰ М^–1с^–1. Более точно (расчет по формуле Перрена в молекулярно кинетической теории) k_D = 6 10⁹ М^–1с^–1 для вязкости 1сПуаз = 10^–2СГС (как у воды, по отношению к которой определена единица измерения вязкости в системе СГС, 1 Пуазейль = ) и Т = 300К .

Перемещение частицы можно представить и как набор элементарных актов перехода частицы из одного локального окружения в другое. Формально изменение окружения в каждом акте – это разрыв одних и образование других слабых связей, требующий преодоления активационного барьера (в дальнейшем для E_A процессов диффузии будет использовано обозначение E_D). Энергия активации диффузионных процессов в воде и полярных растворителях (спирт, ацетон и др.) 8–12 кДж/моль. Это в несколько раз меньше, чем суммарная энергия связей одной молекулы (например, на одну молекулу воды в среднем приходится 3,4 водородных связей с соседними молекулами с энергией 18,8 кДж/моль – см. пример выше), поскольку происходит не разрыв, а перестройка связей.

Можно получить оценку k_D (как альтернативу молекулярно-кинетическому расчету), рассматривая каждый этап перемещения молекулы, сопровождаемый разрывом ее связей с окружением как процесс 1-го порядка с точки зрения количественной химии с характерным значением предэкспонента 10¹³ с^–1 и указанным значением энергией активации E_D.

Такую оценку можно предложить сделать как самостоятельное упражнение.

Указание: удобно рассматривать при этом равновесие собственно диффузионного перехода (как процесса 2-го порядка) и обратного ему перехода (процесса 1-го порядка).

В равновесии скорости равны, т.е. k_D [A][B] = k_–D [A…B], где [A…B] – состояние, в котором частицы оказались в общем окружении (в этом случае между ними могут происходить химические реакции), а k_–D – константа скорости для процесса, обратного диффузии (распада состояния [A…B])

Для обратного процесса энергия активации не может отличаться от E_D (т.е. k_–D составляет 10¹¹с^–1), и шире: отношение k_D/k_–D не зависит от температуры, диэлектрической проницаемости и других факторов (из соображений геометрического характера – в модели шариков), подумайте, почему?

Тогда отношение k_D/k_–D составляет 10^–1М^–1, а значит, характерное значение константы скорости диффузии (формально процесса 2-го порядка) k_D = 10¹⁰ М^–1с^–1.

(М) Альтернатива: С учетом того же значения энергии активации нужно уменьшить на два порядка для невязких жидкостей и получим характерное значение коэффициента диффузии (коэффициент диффузии D =  v/3) 10^–6см²/с и его температурную зависимость (для вязких жидкостей и в твердых телах умножить на соответствующее значение экспоненциального /активационного множителя)

Пользуясь выражением для константы скорости, обоснуйте взаимосвязь времени жизни водородной связи и ее энергии (см. выше).

Выше процесс диффузии представлен на языке количественной химии. Это позволяет дать однородное описание в этих терминах всех процессов в клетке

+ м/б еще что-то как перевод из терминов молекулярно-кинетической теории: равновесия газов (выход из жидкости – как аналогичный разрыв связей, а обратно – как безактивационный переход частиц слоя в длину свободного пробега со средней кинетической скоростью), осмос, кооперативные процессы в мембранах – на следующий семестр

При равновесии скорости прямого (v₊) и обратного (v_–) процессов равны.

Равновесие (как для химических, так и для физических превращений) характеризует константа равновесия (K) – отношение констант скоростей прямого (k₊) и обратного (k_–) процессов

K = k₊/k_–= П(продукты)/П(реагенты)

Константа равновесия выражается через изменение термодинамического потенциала Гиббса в результате процесса (G):

K = exp(-G/RT).

Если в результате некоего превращения система перешла из состояния А в состояние Б, то полный энергетический эффект (включая как потенциальную и кинетическую энергию отдельных частиц, так и макроскопическую работу и изменение упорядоченности – см. «Количественная химия»/«Функциональная математика» или курсы физхимии, термодинамики) этого превращения равен значению G = G_Б – G_А , где G_А и G_Б – соответственно значения термодинамического потенциала для начального и конечного состояний.

Как и все термодинамические потенциалы, потенциал Гиббса определен с точностью до некоторых нулей отсчета, в качестве которых принимаются так называемые простые вещества, для которых он принимается равным нулю (например, H2, O2, Fe(тв), Н+ в водном растворе).

Для превращений в биологических процессах удобно использовать термодинамический потенциал биологического сгорания G_б.сг. (достаточно универсальный вариант такого представления – см. Мушкамбаров Н.Н. «Метаболизм: структурно-химический и термодинамический анализ», в 3-х т. – М.: Химия, 1988). В этом случае в качестве нулей выступают обычные «продукты биологического сгорания» при метаболизме – H₂O, CO₂, H₃PO₄,... В рамках этого подхода энергию органической молекулы можно вычислить, суммируя энергии по одноуглеродным фрагментам (фрагментам, содержащим один атом углерода – ОУФ), входящим в состав этой молекулы. Применительно к расчету энергетического эффекта химического превращения эта процедура сводится к выделению отличающихся фрагментов в продуктах и реагентах, и сравнению только их суммарных энергий.

Эта энергия – термодинамический потенциал или потенциал Гиббса, который связан с другими термодинамическим потенциалами – внутренней энергией, свободной энергией, энтальпией (теплосодержанием)

расчеты через термодинамический потенциал и обсуждение термодинамики и термохимических расчетов (в том числе для объяснений всех основных качественных утверждений курса химии)

запасание энергии зависит от числа связей с кислородом/гидрофобность

энергетика в терминах числа связей с кислородом

Термодинамический потенциал биологического сгорания зависит от состава молекулы. Чем больше способна окислиться молекула (т.е. чем меньше в ней поляризованных связей С-О и Н-О), тем выше ее термодинамический потенциал в абсолютном выражении, т.е. больше его абсолютное отрицательное значение (т.к. энергия высвобождается).

В терминах энергетических затрат естественно обсуждать: простейшая функция молекулярного конструктора – запасание энергии в химической форме.

Запасание энергии, энергетические валюты клетки