Năng lượng tự do trong quá trình thủy phân

Trong hóa sinh thì năng lượng tự do của quá trình tạo chất trong đó có sự làm đứt mối liên kết cũ để tạo các liên kết mới không quan trọng bằng loại năng lượng tự do của phản ứng trong đó có sự chuyển nhóm nguyên tử giữa các hợp chất theo kiểu phản ứng trao đổi.

Phản ứng thủy phân là một kiểu phản ứng trong đó có sự chuyển nhóm nguyên tử giữa phân tử của chất bị thủy phân và phân tử H2O.

Ví dụ: Phản ứng thủy phân glixin - glixin:

NH2-CH2-CO-NH-CH2-COOH +HOH 2NH2-CH2-COOH

(I) (II)

nhóm (I) được vận chuyển đến hydroxyl của phân tử H2O, còn H của phân tử H2O được chuyển đến nhóm (II) của phân tử glixin - glixin.

Những hợp chất mà khi thủy phân giải phóng ra năng lượng tự do từ 7 đến 10 kcal/mol được gọi là các hợp chất giàu năng lượng.

Một hợp chất giàu năng lượng điển hình, tồn tại trong thế giới sinh vật, từ cơ thể đơn bào đến động thực vật bậc cao là ATP (adenozin triphotphat).

Cấu tạo phân tử ATP có thể biểu diễn tóm tắt:

O O O

ademin - riboza - P - O ~ P - O ~ P - OH

OH OH OH

Các liên kết P - O gọi là liên kết thường, khi thủy phân chỉ cho ΔZ = - 2,5 kcal/mol.

Liên kết O ~ P là liên kết giàu năng lượng. Khi thủy phân thì nhóm photphat cuối cùng của ATP được chuyển đến nhóm OH của H2O để tạo axit photphoric và ADP (adenozin - diphotphat).

Trong điều kiện chuẩn pH = 7,0 ,nhiệt độ t = 37 0C, nồng độ các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng là 0,1M với sự có mặt của ion Mg2+ thì phản ứng thủy phân ATP tự diễn biến, cho ΔZ = - 7,3 kcal/mol. Phản ứng xảy ra trong nội bào cho ΔZ đạt tới -12 kcal/mol.

Khi nghiên cứu sự phân bố các п- (electron п) của phân tử ATP người ta thấy mạch chính mang điện (+) là : - +P - +O - +P - +O và chính lực đẩy tĩnh điện giữa các điện tích (+) sẽ làm tăng năng lượng được giải phóng khi ATP bị thủy phân, còn 4 nhóm hudroxyl do bị phân ly mạnh nên quanh mạch chính sẽ tích điện (-) là: P- O ~ P - O ~ P - O -

O- O- O-

Vì lớp điện tích âm có tác dụng bảo vệ, nhờ đó mặc dù ATP có ΔZ với giá trị âm cao, nhưng nó vẫn khá bền vững trong dung dịch nước.

Qua nghiên cứu năng lượng tự do trong quá trình thủy phân ta thấy:

Về phương diện nhiệt động học, ΔZ mới là chỉ tiêu cần mà chưa đủ, nó cho phép đánh giá khả năng tự diễn biến của một quá trình, song phản ứng có tự sảy ra được hay không còn phụ thuộc vào các điều kiện cấu trúc, điều kiện nhiệt động,...