—> —>
h+B=—— {+ À+bB —=—— C+
LC] DỊ
= >1.0
%ˆ [AIE] „=1 „1o 7” [AI]
Hình 16.5: AŒ° và cân bằng. Quan hệ của AŒ' với sự cân bằng của các phản ứng. (Theo Prescott, Harley và Kilein, 2009)
Sự thay đổi trong năng lượng tự do cĩ quan hệ xác định, cụ thê đơi với hướng của các phản ứng hố học. Ta hãy xét phản ứng đơn giản sau đây:
_— % A+B=C+l]
Nếu được hỗn hợp các phân tử A và B sẽ kết hợp với nhau tạo thành các sản phẩm C và D. Cuối cùng C và D sẽ trở nên đậm đặc đủ để kết hợp với nhau và tạo thành A và B
với cùng tốc độ như khi chúng được tạo thành từ A và B. Phản ứng bây giờ ở trạng thái cân băng: tốc độ theo hai hướng là như nhau và khơng cĩ sự thay đối rõ rệt nào diễn ra trong nơng độ của các chất phản ứng và các sản phẩm. Tình hình trên được mơ tả là hằng số cân băng (K„) liên kết nồng độ cân băng của các sản phẩm và cơ chất với nhau:
Nếu hăng số cân bằng lớn hơn 1 các sản phẩm sẽ cĩ nồng độ lớn hơn các chất phản ứng và phản ứng cĩ xu hướng điên ra đên cùng (Hình T6. 5).
Hăng số cân bằng của một phản ứng liên quan trực tiếp với sự thay đổi trong năng
lượng tự do của phản ứng. Khi được xác định ở các điều kiện tiêu chuẩn quy định chặt chẽ
về nơng độ, áp suất, pH và nhiệt độ thì sự thay đối năng lượng tự do cho một quá trình được gọi là sự thay đối năng lượng tự do tiêu chuẩn (ACŒ°). Nếu giữ ở pH 7,0 (gần với pH của tế bào sơng) sự thay đổi năng lượng tự do tiêu chuẩn sẽ được chỉ bởi ký hiệu AỚ”. Sự thay đồi trong năng lượng tự do tiêu chuẩn cĩ thể được xem là lượng năng lượng cực đại
mà hệ thống cĩ thể thực hiện cơng hữu ích ở các điều kiện tiêu chuẩn. Việc sử dụng các
giá trị AG°' cho phép ta so sánh các phản ứng mà khơng cần quan tâm tới những thay đồi trong AỚ, do những sai khác trong các điều kiện mơi trường. Quan hệ giữa AỚ° và K„ được thê hiện qua quá trình sau:
AG° =-2,303RTIgK...
R là hăng số khí (1,9872 cal/mol hoặc §,3145 J/mol) và 7 là nhiệt độ tuyệt đối. Từ phương trình trên rút ra khi AG° âm hăng số cân bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng sẽ diễn ra
phương trình trên rút ra khi AG° âm hăng số cân bằng sẽ lớn hơn 1, phản ứng sẽ diễn ra
đến cùng và được gọi là phản ứng thốt nhiệt (Hình 16.5). Trong một phản ứng thu nhiệt AŒP là dương và hằng số cân băng nhỏ hơn 1. Điều đĩ cĩ nghĩa là phản ứng khơng thuậnlợi và ít sản phẩm được tạo thành ở các điều kiện tiêu chuẩn. Cần nhớ rằng giá trị AỚŒ° chỉ
cho ta biết phản ứng năm ở đâu khi cân băng chứ khơng nĩi lên phản ứng đạt được cân
băng nhanh chậm ra sao.
16.1.4. Vai trị của ATP trong trao đổi chất
Nhiều phản ứng trong tế bảo là thu nhiệt, khĩ diễn ra hồn tồn nếu khơng cĩ sự giúp đỡ từ bên ngồi. Một trong các vai trị của A'TP là hướng các phản ứng nĩi trên xảy ra được triệt để hơn. ATP là một phân tử cao năng nghĩa là nĩ cĩ thể bị thuỷ phân hầu như
hồn tồn thành ADP và Pi với một AỚ° khoảng -7,3kcal/mol.
——
ATP+HO =—— ADP+Pi
Với ATP thuật ngữ phân tử cao năng khơng cĩ nghĩa là một lượng lớn năng lượng được dự trữ bên trong một liên kết đặc biệt của ATP mà chỉ đơn giản chỉ ra răng việc loại bỏ nhánh Phosphafe tận cùng diễn ra với sự thay đổi năng lượng tự do chuẩn là âm, lớn
hoặc phản ứng là thốt nhiệt mạnh. Nĩi cách khác ATP cĩ thê mạnh chuyền nhĩm
Phosphate và dễ dàng chuyền Phosphate cho nước. Thế chuyền nhĩm Phosphate được quy định là âm của AG° đối với việc loại bỏ thuỷ phân Phosphate. Một phân tử cĩ thế chuyển nhĩm cao hơn sẽ chuyển Phosphate cho phân tử cĩ thế thập hơn.
Như vậy ATP thích hợp khá lý tưởng đối với vai trị là đồng tiền năng lượng. ATP được tạo thành trong các quá trình hập thu và sản sinh năng lượng như quang hợp, lên men
và hơ hấp hiếu khí. Đứng về kinh tế của tế bảo sự phân giải ATP thải nhiệt liên kết với các
phản ứng thu nhiệt khác nhau giúp cho các phản ứng này được hồn thành (Hình 16.6). Nĩi cách khác ATP liên kết các phản ứng sinh năng lượng với các phản ứng sử dụng năng lượng.16.1.5. Các phản ứng oxy hố - khử và các chất mang electron
Sự thay đổi năng lượng tự do khơng chỉ liên quan tới cân băng của các phản ứng hố học thơng thường mà cịn tới cân băng của các phản ứng oxy hố-khử. Việc giải phĩng năng lượng thường bao gồm các phản ứng oxy hố-khử là các phản ứng trong đĩ các electron được chuyên từ chất cho (hoặc chất khử) tới chất nhận electron (hoặc chất oxy hố). Theo quy ước một phản ứng như vậy sẽ được viết với chất cho năm ở phía bên phải của chất nhận cùng với số (n) electron (e) được chuyển:
, — ,
Chât nhận +ne =——— Chât cho
Phản ng nội năng đơn đặc
——'L
À+B~e———— ——+B
