Site Loader

Содержание

Gibbs’ Free Energy, Endergonic vs. Exergonic Reactions | Biology

7.6: Свободная энергия

Свободная энергия, сокращенно G по имени ученого Гиббса, который открыл ее, является величиной полезной энергии, которая может быть извлечена из реакции на работу. Это энергия в химической реакции, которая доступна после энтропии. Реакции, в которых принимается энергия, считаются эндергонические и реакции, а те, в которых высвобождаются энергия, являются экзергоническими. Растения выполняют эндергонические реакции, принимая солнечный свет и углекислый газ для производства глюкозы и кислорода. В свою очередь, животные изымают глюкозу из растений с помощью кислорода и делают углекислый газ и воду. Когда система находится в равновесии, нет никаких чистых изменений в свободной энергии. Для того, чтобы клетки могли поддерживать обмен веществ и оставаться в живых, они должны держаться вне равновесия, постоянно меняя концентрации реагентов и продуктов

Свободная энергия

Направление потока энергии через систему определяет, является ли реакция эндергонной или экзергонной.

Системы без чистых изменений в свободной энергии считаются находящимися в равновесии. Большинство химических реакций обратимы – они могут продолжаться в обоих направлениях. Чтобы остаться в живых, клетки должны оставаться вне равновесия, постоянно меняя концентрации реагентов и продуктов, так что метаболизм продолжает работать.

Эндергонические против экзергонических реакций

Если реакция требует ввода энергии, чтобы двигаться вперед, то изменение свободной энергии, или QG реакции является положительным и реакция считается эндергической-энергия вошла в систему. В растениях строительство молекул глюкозы и кислорода из двуокиси углерода и воды с помощью солнечного света считается эндергическим. Молекулы глюкозы рассматриваются как молекулы, сохраняющие энергию.

И наоборот, если энергия высвобождается в реакции, то изменение свободной энергии будет отрицательным и реакция считается экзегонной. Продукты имеют меньше свободной энергии, чем реагенты – энергия вышла из системы. Это происходит у животных, которые расщепляют глюкозу с помощью кислорода, чтобы сделать углекислый газ и воду. Энергия молекул глюкозы была высвобождена.


Литература для дополнительного чтения

Mayorga, Luis S., María José López, and Wayne M. Becker. “Molecular Thermodynamics for Cell Biology as Taught with Boxes.” CBE Life Sciences Education 11, no. 1 (2012): 31–38. [Source]

Разница между свободной энергией и стандартной свободной энергией | Сравните разницу между похожими терминами — Наука

Бесплатная энергия против стандартной свободной энергии

Что такое бесплатная энергия?

Объем работы, которую может выполнять термодинамическая система, известен как свободная энергия. Свободную энергию можно описать двумя терминами: свободная энергия Гельмгольца и свободная энергия Гиббса. В химии, когда мы используем слово «свободная энергия», это означает свободную энергию Гиббса.

В физике свободная энергия относится к свободной энергии Гельмгольца. Оба термина описаны ниже.

Второй закон термодинамики связан с энтропией и гласит, что «энтропия Вселенной возрастает спонтанно». Энтропия связана с количеством выделяемого тепла; это степень деградации энергии. Но на самом деле количество дополнительного беспорядка, вызванного данным количеством тепла q, зависит от температуры. Если уже очень жарко, немного дополнительного тепла не вызовет большего беспорядка, но если температура очень низкая, такое же количество тепла вызовет резкое увеличение беспорядка. Поэтому более уместно написать:

ds = dq / T

Чтобы проанализировать направление изменений, мы должны учитывать изменения как в системе, так и в окружающей среде. Следующее неравенство Клаузиуса показывает, что происходит, когда тепловая энергия передается между системой и окружающей средой. (Считайте, что система находится в тепловом равновесии с окружающей средой при температуре T)

dS — dq / T ≥0. ………… (1)

Если нагрев осуществляется при постоянном объеме, мы можем записать приведенное выше уравнение (1) следующим образом. Это уравнение выражает критерий возникновения спонтанной реакции только в терминах функций состояния.

dS — dU / T ≥0

Уравнение можно переформулировать, чтобы получить следующее уравнение.

TdS ≥dU (уравнение 2),и поэтому его можно записать как

dU — TdS ≤0

Вышеприведенное выражение можно упростить, используя термин энергия Гельмгольца, A, который можно определить как

А = U-TS

Из приведенных выше уравнений мы можем вывести критерий спонтанной реакции как dA ≤0. Это означает, что изменение в системе при постоянной температуре и объеме является спонтанным, если dA ≤0. Таким образом, изменение является спонтанным, когда оно соответствует уменьшению энергии Гельмгольца. Следовательно, эти системы движутся спонтанно, чтобы получить более низкое значение A.

Свободная энергия Гиббса связана с изменениями, происходящими при постоянном давлении. Когда тепловая энергия передается при постоянном давлении, происходит только работа расширения; поэтому мы модифицируем и запишем уравнение 2 следующим образом.

TdS ≥dH

Это уравнение можно переформулировать так: dH-TdS≤0. Используя термин свободная энергия Гиббса, G, это уравнение можно записать как

G = H-TS

При постоянных температуре и давлении химические реакции протекают самопроизвольно в направлении уменьшения свободной энергии Гиббса. Следовательно, dG ≤0

Что такое стандартная бесплатная энергия?

Стандартная свободная энергия — это свободная энергия, определенная при стандартных условиях. Стандартные условия: температура 298 К; давление 1 атм или 101,3 кПа; и все растворенные вещества в концентрации 1 М. Стандартная свободная энергия обозначается Go.

В чем разница между свободной энергией и стандартной свободной энергией?

• В химии свободная энергия называется свободной энергией Гиббса. Это связано с изменениями, происходящими при постоянном давлении. Стандартная свободная энергия — это свободная энергия, определенная при стандартных условиях.

• Таким образом, стандартная свободная энергия дается при температуре 298K и давлении 1 атм, но значение свободной энергии может изменяться в зависимости от температуры и давления.


Свободная энергия

Согласно принципу минимума энергии система тел находится в устойчивом равновесии тогда, когда свободная энергия системы .имеет наименьшую величину. Поэтому поверхностная энергия частиц высокой степени дисперсности имеет тенденцию к уменьшению. Зто может быть достигнуто укрупнением частиц, связанным с уменьшением общей поверхности или путем концентрирования на поверхности частицы (молекул или ионов) другого вещества. Процесс концентрирования растворенного или парообразного вещества л(газа) на поверхности твердого вещества или жидкости называется сорбцией. Вещество, на котором идет сорбция, называется сорбентом, а сорбируемое вещество — сорбатом.

Сорбция, происходящая на поверхности вещества, называется адсорбцией, а сопровождающаяся проникновением поглощаемого вещества внутрь поглотителя— абсорбцией. При этом поглощенное вещество называется сорбтивом.[ …]

Работа адгезии есть разность свободных энергий конечного и начального состояний. Известно, что между конечным и начальным состоянием системы имеется энергетический барьер. Работа, необходимая для перевода системы в конечное состояние, равна энергетическому барьеру, так как после максимума система самопроизвольно, уже с выделением энергии, переходит в конечное состояние. Разность энергетических состояний в начале и конце процесса есть тепловой эффект системы. В рассматриваемом случае энергетический барьер, который можно назвать энергией активации, будет составлять разность между правой и левой частями неравенства (2.27), которая равна разности работ адгезии на конкурирующих поверхностях, т.е.[ …]

Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере. Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти) образовались под воздействием жизни. Преобразование энергии в организмах основано на разнице температур и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Другая особенность живых организмов — это их способность к самовоспроизведению.[ …]

Т. М. Ровинская, А. М. Когановский [29], изучая уменьшение свободной энергии при адсорбции из водных растворов производных бензола углем КАД, установили, что уменьшение •свободной энергии адсорбции вещества из раствора является аддитивным свойством и представляет сумму разностей энергии адсорбции в вакууме и энергии гидратации отдельных структурных элементов.[ …]

В заключение этого раздела отметим, что слова «потенциал» и «энергия» мы не зря брали в кавычки. Дело в том, что использование их основано только на аналогии с движением шарика, тождественности математического описания, но никак не на сходстве реальных процессов. Поэтому понятия «потенциальный» барьер (или «энергетический» барьер) не связаны с энергией (или свободной энергией). Так, например, если переменная X — число особей в популяции, то параметры функции Р(Х) к энергии вообще никакого отношения не имеют.[ …]

В экологических системах роль входного потока может играть энергия пищи, а выходного — развиваемая организмами механическая мощность. Для процесса фотосинтеза входной энергией является энергия излучения Солнца, а выходной — свободная энергия химических связей глюкозы. В мышцах человека и животных на вход поступает энергия реакции гидролиза АТФ, выход обеспечивает механическую работу. Платой” за сопряжение в преобразователе потоков различных видов энергии (низкосортной и высокосортной) является диссипация, мерой которой является диссипированная мощность ц/.[ …]

При адсорбции из растворов суммарное стандартное изменение энергии состоит из изменения свободной энергии при адсорбции молекул вещества из вакуума, изменения свободной энергии в результате вытеснения с поверхности адсорбента молекул растворителя и изменения свободной энергии, вызванного дегидратацией молекул при переходе их из раствора на поверхность раздела фаз. [ …]

В дальнейших этапах окисления электроны, отщепляемые от богатых энергией промежуточных соединений в окислительновосстановительных реакциях цикла Кребса, поступают в цепь переноса электронов и передаются по ней, попадая на каждом новом этапе переноса на все более низкий энергетический уровень до тех пор, пока в конце концов не будут присоединены кислородом, восстанавливающимся в результате этого до воды. При передаче электронов по цепи от одного переносчика к другому — на все более низкий энергетический уровень — значительная часть их свободной энергии запасается в процессе синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата… Таким путем создается резерв АТФ, который необходим для работы клетки.[ …]

Начальное и конечное состояния реагирующей системы, в том числе и свободная энергия Гиббса, одинаковы в режимах как с катализатором, так и без него — катализатор в результате акта химического превращения восстанавливается, не изменяется. Поэтому катализатор не изменяет равновесие системы, хотя и изменяет скорость превращения. [ …]

Начальное и конечное состояния реагирующей системы, в том числе и свободная энергия Гиббса, одинаковы в режимах как с катализатором, так и без него — катализатор в результате акта химического превращения восстанавливается, не изменяется. Поэтому катализатор не изменяет равновесие системы, хотя и изменяет скорость превращения.[ …]

Все эти изменения при постоянном объеме системы приводят к снижению свободной энергии. Как видно, термодинамической характеристикой адгезии, т.е. молекулярной связи между поверхностями двух соприкасающихся твердых или жидких тел, является убыль свободной энергии при контакте фаз. На практике вместо свободной поверхностной энергии удобнее пользоваться экспериментально более легко определяемой величиной -поверхностным натяжением а, численно равным свободной энергии, приходящейся на единицу площади, т.е. поверхностной плотностью свободной энергии /47/.[ …]

Этим путем редуценты возвращают во внешнюю среду сообщества в виде тепла энергию фотосинтеза, содержащуюся в разрушаемом ими органическом веществе. Они, следовательно, выступают как важнейший компонент одного из наиболее общих признаков экосистемы — потока энергии. На рис. 5-8 этот поток энергии изображен в обобщенном и упрощенном виде. Сообщество, так же как и организмы, является открытой энергетической системой. Благодаря непрерывно поступающей в результате фотосинтеза энергии та энергия, которая рассеивается в окружающую среду в процессе дыхания и биологической активности, возмещается, и система не прекращает своей работы из-за потери свободной энергии до максимальной энтропии. Если усваиваемая энергия превышает ее рассеивание, то запас биологически полезной связанной энергии органического вещества в сообществе увеличивается, как увеличивается и его биомасса, и сообщество растет так, как это происходит в случае сукцессии. Если потери энергии превышают ее поступление, то сообщество разрушается. Если поступление и рассеивание энергии находятся в состоянии баланса, то и сообщество устойчиво, что характерно для климаксовых сообществ. [ …]

По величине адгезионного взаимодействия оценивается уменьшение поверхностной энергии при протекании процессов на границе раздела фаз. Количественной мерой изменения свободной энергии являются работа адгезии и электродный потенциал.[ …]

В клетках необходимая для выполнения различных функций, в том числе и для биосинтеза, свободная энергия получается за счет протекания экзотермических реакций разложения энергонасыщенных компонентов пшци. Такое высвобождение законсервированной в пище энергии происходит в процессе дыхания. Дыхание — это контролируемое расщепление, или окисление молекул, в которых запасена энергия. При этом энергия высвобождается за счет перемещения электронов с орбит высокой энергии на низкие энергетические уровни атомов или молекул.[ …]

Фотосинтез является единственным биологическим процессом, который идет с увеличением свободной энергии и обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы.[ …]

Таким образом, в результате образования агрегата пузырек — частица происходит уменьшение свободной энергии системы, значение которой пропорционально поверхности контакта частиц и пузырьков, поверхностному натяжению на границе газ — жидкость и краевому углу смачивания. Величину 1—cos0 называют мерой флотируемое™ частиц. Следует отметить, что флотируемость зависит также и от характера частиц. Например, гидрофильные гидроокиси металлов имеют очень малый краевой угол смачивания. Однако они образуют хлопья, в которые проникают пузырьки газа, в результате чего оказывается возможной их флотация с высокой эффективностью без применения специальных реагентов-соби-рателей.[ …]

Теплоемкость в кал/(моль • °С) (/), энтропия в кал/(моль • СС) (2), энтальпия в ккал/моль (3) и свободная энергия Гиббса в ккал/моль (4) Н20 при давлении 1 атм [86].

Пенные системы являются термодинамически неустойчивыми из-за наличия в них большого количества свободной энергии. В связи с тем, что самопроизвольные процессы могут быть направлены только в сторону уменьшения свободной энергии до минимума, процессы, протекануцие в пенах, направлены в сторону их разрушения.[ …]

Адсорбируемость растворенных веществ может оцениваться путем определения стандартного изменения свободной энергии адсорбции или максимальной работы адсорбции. [ …]

Помимо собственно экстракции, равновесие которой определяется разностью величин уменьшения мольной свободной энергии адсорбции и сольватации извлекаемых- молекул выбранным растворителем, при извлечении адсорбированных веществ может сыграть важную роль и вытеснение адсорбированных молекул извлекаемого продукта молекулами растворителя, т. е. разность (А/70п — Д р), где индекс ”п” — относится к извлекаемому продукту, а индекс ”р” — к растворителю. Чем меньше эта разность, тем меньше результирующая величина (—АР°) и, следовательно, тем меньше константа равновесия при адсорбции из данного растворителя. Как и в случае десорбции щелочью, отношение констант равновесия при адсорбции из водных растворов и из растворов в экстрагенте определяет переход избытка вещества из адсорбированного состояния в экстрагент.[ …]

Таким образом, поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды п раствора и происходит по градиенту свободной анергии воды или по градиенту водного потенциала. Движение молекул воды в раствор можно приостановить, приложив к раствору определенное внешнее давление. Осмотическое давление раствора равио тому давлению, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление в нее воды.[ …]

Итак, основная и важнейшая особенность коллоидного состояния состоит в том, что значительная доля всей массы и свободной энергии системы сосредоточена в межфазных поверхностных слоях.[ …]

В соответствии со вторым законом термодинамики физические и химические процессы протекают в направлении необратимого перехода полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму и установления равновесия между упорядоченным состоянием и хаотическим, неупорядоченным. По мере приближения к установлению равновесия между упорядоченностью и неупорядоченностью и к остановке процесса происходит уменьшение свободной энергии, т. е. той порции общей (полезной) энергии, которая способна производить работу при постоянной температуре и постоянном давлении. Когда количество свободной энергии уменьшается, то повышается та часть общей внутренней энергии системы, которая является мерой степени случайности и неупорядоченности (дезорганизации) и называется энтропией. Другими словами, энтропия есть мера необратимого перехода полезной энергии в неупорядоченную форму. Таким образом, естественная тенденция любой системы направлена на повышение энтропии и уменьшение свободной энергии, которая является самой полезной термодинамической функцией. Живые организмы являются высокоупорядоченными системами. Для них характерно содержание очень большого количества информации, но они бедны эн-, тропией.[ …]

Заполнение адсорбатом поверхности адсорбента частично уравновешивает поверхностные силы и вследствие этого снижает поверхностное натяжение (свободную удельную поверхностную энергию). Поэтому адсорбция является самопроизвольным процессом, течение которого сопровождается уменьшением свободной энергии и энтропии системы, а также энтальпии, что равнозначно выделению теплоты, т. е. процессы адсорбции экзотермичны. Они также избирательны и обратимы. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией, которую используют для выделения поглощенных веществ и регенерации адсорбента. [ …]

Каждый трофический уровень представлен совокупностью популяций различных видов. Эти популяции играют разную роль в общем круговороте вещества й энергии (основную или вспомогательную), при этом стационарное состояние экосистемы одновременно оказывается динамическим — расход свободной энергии при протекании необратимых процессов компенсируется ее притоком от Солнца.[ …]

В химическом составе живого вещества мы должны различать две группы химических элементов: 1) обычные элементы, которые в организме не обладают действенной свободной атомной энергией [18], и 2) радиоактивные элементы, которые обладают такой свободной энергией и которые, помимо теплового эффекта, им всегда свойственного, могут также оказывать влияние на жизнь организмов, выявляя в них движения материальных и энергетических частиц, которые, по терминологии, здесь принятой, являются космическими явлениями в нашей планете. Это будут радиоактивные элементы (§ 173)выделяющие (1-лучи материальные и 7-лучи энергетические. Эти атомы всегда находятся в ничтожных количествах, едва ли дают определенные химические соединения, может быть, находятся в виде твердых растворов, существование которых химически установлено. В таком случае их действие может быть сведено на действие их как источников энергии. Работы нашей лаборатории указали, что эти элементы закономерно находятся во всех организмах, количество их тесно связано с видовым составом организмов, есть для каждого вида величина определенная, разная и характерная [19 .[ …]

Флотация — это процесс молекулярного прилипания частиц флотируемого материала к поверхности раздела двух фаз, обычно газа (чаще воздуха) и воды, обусловленный избытком свободной энергии поверхностных пограничных слоев, а также поверхностными явлениями смачивания.[ …]

Как известно, при температуре выше абсолютного 0°С все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению ори смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему. Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Диффузия всегда паправлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 моль вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует па реакции или движение. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Вследствие этого передвижение вещества идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. Добавление к воде молекул растворенного вещества уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. Для воды вводится понятие водного потенциала. Водный потенциал ( з) —это способность воды в данпой системе (в клетке) совершать работу, по сравнению с той работой, которую совершала бы чистая вода. Когда система или клетка находится в равновесии с чистой водой, ее водный потенциал равен 0.[ …]

Классификация по межфазному взаимодействию. На границе раздела фаз всегда проявляется взаимодействие между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды за счет межфазной свободной энергии (нескомпенсированных сил Ван-дер-Ваальса), но степень его проявления у различных веществ различна. В зависимости от этого дисперсные системы могут быть лиофильными (1уо — растворяю; рИПео — люблю) или лиофобными (рЬоЬоБ — страх). Для первых характерно сильное межмолекулярное взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, а для второй — слабое. Это взаимодействие приводит к образованию сольватных (гидратных, если средой является вода) оболочек вокруг частиц дисперсной фазы.[ …]

Известно, что в коллоидной химии под процессами старения вообще понимают самопроизвольные процессы, сопровождающиеся обычно агрегацией частиц и обусловленные наличием избытка свободной энергии у частиц дисперсной фазы. [ …]

Наконец, имеется мнение, что наряду с осмотическим давлением и давлением пабухания существует еще активное поступление воды в клетки. Оно связапо с затратой эпергип и идет против градиента свободной энергии воды в системе пли против градиента химического потенциала.[ …]

Одним из удачных считалось определение роста, предложенное в 30-х гг. И. И. Шмальгаузеном. Согласно ему, «рост живых существ состоит в увеличении массы активных частей организма, при котором количество свободной энергии в организме возрастает». Отложение резервных веществ, продуктов выделения, простое всасывание воды (набухание) и т. д. Шмальгаузен не считал ростом. Н. Г. Холодный (1939) под ростом понимает всякое необратимое увеличение размеров или массы организованного тела (организма, органа, ткани или клетки), связанное с нормальным онтогенезом, независимо от того, какие части организма (активные или неактивные) увеличиваются.[ …]

В больших количествах органические отложения образуются при хранении нефтей в различных резервуарах. Нефть, являясь дисперсной системой, обладает большой удельной поверхностью раздела фаз и большой свободной энергией, поэтому является термодинамически неравновесной системой и стремится к равновесному состоянию, отвечающему разделению системы на две сплошные фазы с минимальной межфазной поверхностью. В нефтях, для которых характерны полидисперсность твердой фазы и высокая вязкость дисперсионной среды, полное равновесие практически никогда не достигается. Удаленность от равновесного состояния определяет агрегативную неустойчивость (или устойчивость) нефти, т.е. ее способность сохранять свою дисперсность. Агрегирование дисперсных частиц, как правило, приводит к повышению агрегативной устойчивости нефти, т.к. при этом межфазная поверхность хотя бы частично исчезает и, таким образом, уменьшается свободная энергия системы. Как известно /34/, для уменьшения свободной энергии системы непосредственный поверхностный контакт твердых частиц не обязателен, она может уменьшаться и при сближении частиц на некоторое расстояние, позволяющее им взаимодействовать через слой, разделяющий их среды. Такое положение можно продемонстрировать путем следующих рассуждений.[ …]

В Секторе химии и технологии воды также создана теория адсорбционной очистки воды, разработаны термодинамические основы расчета адсорбционных равновесий и селективности адсорбции по величине стандартного уменьшения свободной энергии процесса. Эти исследования позволили предложить метод деструктивно-адсорбционной очистки воды от органических загрязнений и создать ряд технологических схем, обеспечивающих одновременно с очисткой воды и промышленных стоков выделение и утилизацию некоторых ценных компонентов.[ …]

Линденмейер [196] предложил молекулярную теорию складывания полимерных цепей в процессе кристаллизации. Предполагается, что изолированная полимерная цепь, длина которой больше некоторой критической длины, может снижать свою энергию при кристаллизации в регулярноскладчатую цепную конформацию. Кристалл, составленный из полимерных молекул (все имеют одинаковую длину), обладает наименьшей свободной энергией тогда, когда все цепи полностью вытянуты. Может существовать целая серия метастабильных состояний, соответствующая одной, двум, трем и г. д. складкам на молекулу. Если кристалл состоит из молекул разной длины, то наименьшая свободная энергия соответствует складчатоцепевому кристаллу, длина которого является чувствительной функцией распределения молекул по длине.[ …]

Тенденция к образованию линейных водородных связей не настолько сильна, чтобы она при определенных условиях не могла быть нарушена другими силами. Например, льды II, III,. Уменьшение свободной энергии Гиббса, обусловленное уменьшением объема вследствие изгиба водородных связей при тех давлениях, при которых эти полиморфные формы льда являются стабильными, превышает увеличение энергии изгиба. Даже во льдах I и 1с водородные связи, вероятно, не строго линейны. Это не является неожиданным, потому что если бы они были линейными, углы равновесной связи индивидуальных молекул Н20 должны бы быть равны 109,5°, т. е. на несколько градусов больше, чем валентные углы изолированных молекул. Поскольку изгиб углов связей О—Н.. .О требует значительно меньше энергии, чем изгиб углов связей Н—О—Н, первый тип изгиба является, вероятно, преобладающим.[ …]

Представленные в таблице 1.4 численные значения коэффициентов активности для компонентов бинарных систем свидетельствуют о возрастании активности серы и аминных ускорителей в простых эвтектических смесях, что обусловлено избыточной свободной энергией эвтектики [244].[ …]

Двойной электрический слой. Частица суспензоида (мицелла) имеет сложное строение. В основе ее лежит нерастворимое в данной дисперсионной среде ядро. Поверхность ядра за счет свободной межфазной энергии адсорбирует из окружающей среды ионы в соответствии с правилом Фаянса . Эти ионы называются потенциалобразующими, так как сообщают частице определенный заряд. При адсорбции ионов снижается межфазная свободная энергия, что приводит систему в устойчивое состояние. Например, для золя гидроокиси железа потенциалобразующим ионом будет хлор-окись железа, образующаяся по уравнению Ре(ОН)3+НС1 ±: з= ;Ре0С1+2Н20. Хлорокись диссоциирует по уравнению РеОС1з= =г РеО++С1-. Катионы РеО+ избирательно адсорбируются на поверхности коллоидного ядра, заряжая его положительно. Если адсорбировалось п ионов РеО+, то в растворе находится п ионов С1 . Катион РеО+ сообщает коллоидной частице положительный заряд, а ее противоионами являются ионы хлора, находящиеся в растворе. Противоионы испытывают на себе две силы: электростатическую, притягивающую их к ядру коллоидной частицы, и диффузионную, стремящуюся рассеять их по раствору. В результате совместного действия указанных сил состояние отдельных анионов хлора неодинаково. Часть из них прочно связана с ядром коллоидной частицы, образуя на нем плотный адсорбционный слой (п—х). Другая часть образует диффузный слой х — ионную атмосферу частицы.[ …]

Набухание целлюлозы в органических жидкостях рассматривалось с термодинамической точки зрения Тодом и Гидом [302]. Их подход основывался на теории растворимости Гильдебранда, согласно которой условием равновесия набухания является равенство нулю суммы парциальных молярных свободных энергий смешения и свободной энергии эластического растяжения. Эта теория в ее настоящем виде применима только к процессу межфибрил-лярного набухания в органических жидкостях, и не может использоваться, когда происходит внутрифибриллярное набухание, как, например, в аминах. Эти авторы также указали, что теорию растворимости в ее настоящем состоянии нельзя применить для объяснения процессов набухания целлюлозы в водных растворах.[ …]

Возможно этот фактор оказался решающим в реализации опережающей экспрессии модифицирующего компонента при установлении клонированных генов RMBsuR I в E. coli.[ …]

На степень адсорбции сильное влияние оказывают свойства адсорбента, адсорбтива и среды и, в частности, интенсивность поля действующих молекулярных сил — полярность. В качестве количественной характеристики полярности твердых частиц, погруженных в жидкость, используют величину удельной свободной энергии на поверхности частиц — поверхностное натяжение.[ …]

Реактор можно рассматривать как изолированную систему (потери тепла в окружающую среду незначительные), а процессы нейтрализации, происходящие в нем, являются самопроизвольными и необратимыми. В реакторе будет выделяться в результате реакций нейтрализации около 2,5 Мкал/ч, что, очевидно, соответствует повышению свободной энергии активных веществ отходов при их образовании на промышленных предприятиях.[ …]

Согласно В. И. Вернадскому, жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, определяет химическое состояние наружной коры нашей планеты. Живые организмы, существующие, стареющие и умирающие в течение сотен миллионов лет, порождают всеобщий планетарный процесс — миграцию химических элементов, движение земных атомов. Живое вещество рассматривается В. И. Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере.[ …]

Свободная энергия и живые системы

    Для предсказания направления процесса удобно пользоваться измерением изменения свободной энергии системы (АО). Свободная энергия — это та часть общей энергии системы, которая может быть превращена в работу. В условиях, когда температура, давление-и объем системы постоянны, что имеет место, например, при протекании химических реакций в разбавленных водных растворах и в живом организме, самопроизвольно будут идти те процессы, которые ведут к уменьшению свободной энергии в системе, т. е. процессы, в которых изменение свободной энергии будет отрицательным (—АС). Такие процессы называются экзергоническими. Процессы, для которых АО является величиной положительной, называются эндергоническими,. Эти процессы не могут происходить самопроизвольно. Для протекания эндергонических процессов в системе необходим приток энергии извне. [c.78]
    Но, с другой стороны, живые организмы являются системами открытыми, поэтому, используя энергию обмена, могут сами заряжаться до более высокого потенциала и с этой точки зрения имеет место противоречие второму началу термодинамики. Так, зеленые растения для повышения энергетического потенциала используют солнечную энергию, а животные — энергию, поступающую с пищей. Таким образом, хотя энтропия самого организма может изменяться в любом направлении, т. е. она может уменьшаться за счет непрерывного поглощения свободной энергии из окружащей среды, энтропия системы организм — среда, взято в целом, несомненно увеличивается. Это дает основание для общего вывода длж живых организмов, как и для тел неживой природы, полностью выполняются законы термодинамики. [c.75]

    Критерием самопроизвольного течения процесса в живых системах является изменение свободной энергии в сторону ее уменьшения. Связь между АР° и равновесным состоянием устанавливается известным уравнением изотермы [c.19]

    Говоря о механической работе, мы имеем в виду надмолекулярную, макроскопическую систему. Если молекулы фермента входят в состав такой системы, то при надлежащей ее организации она может осуществлять механическое движение и производить работу за счет свободной энергии ферментативной реакции. Следовательно, рабочие вещества механохимических систем в живых организмах могут быть белками — ферментами. Более того, они должны ими быть. Источник механохимической работы — химическая энергия. Но любые биохимические реакции протекают с непременным участием ферментов. Механохимия живых систем есть ферментативная механохимия. [c.387]

    Еще до построения термодинамики открытых систем Бауэр писал о неравновесных свойствах организмов. Основной закон биологии по Бауэру гласит …живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях [4]. Идеи Бауэра остались непонятыми его современниками, как, впрочем, и некоторыми новейшими комментаторами (см., например, [5]). Бауэр приближался к современной биофизике, но сегодня его работы сохранили главным образом исторический интерес. Существенно то, что Бауэр доказывал возможность атомно-молекулярного истолкования жизни …неравновесное состояние живой материи и, следовательно, ее постоянно сохраняющаяся работоспособность обусловливаются… молекулярной структурой живой материи, а источником работы, производимой живыми системами, служит в конечном счете свободная энергия, свойственная этой молекулярной структуре, этому состоянию молекул [4]. [c.14]


    Живая клетка-это способная к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. [c.22]

    Для биологических систем существенна еще одна важная особенность изменений энтропии Согласно второму закону термодинамики, при химических реакциях или физических процессах энтропия Вселенной увеличивается. Из этого закона, однако, не следует, что возрастание энтропии должно происходить обязательно в самой реакционной системе оно может произойти в любом другом участке Вселенной. В живых организмах метаболические процессы, т. е. те превращения, которым подвергаются в них пищевые вещества, не ведут к возрастанию внутренней неупорядоченности, или энтропии самих организмов. Из повседневных наблюдений мы знаем, что любой организм, будь то муха или слон (т. е. в нашем понимании система ), при всех процессах жизнедеятельности сохраняет присущую ему сложную и упорядоченную структуру. В результате процессов жизнедеятельности возрастает энтропия не самих живых организмов, а окружающей среды. Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое рассеивается во всей остальной Вселенной. [c.408]

    Следовате.тьно, хотя энтропия системы организм — среда, взятой в целом, несомненно увеличивается, энтропия живого организма, его внутренней организации, может изменяться любым образом и, в частности, может уменьшаться вследствие непрерывного поглощения свободной энергии среды (А. Г. Пасынский), что, вообще говоря, не противоречит обоим началам термодинамики. [c.33]

    Ко второму классу химических связей мы относим так называемые слабые связи, или слабые взаимодействия. Они обладают малыми энергиями и, что самое важное, свободные энергии активации для их образования или разрыва также невелики. Поэтому слабые связи в отличие от ковалентных легко разрываются под действием кинетической энергии, имеющейся в живых системах, и для этого не требуется никакой помощи со стороны ферментов. (Есть своего рода ирония судьбы во взаимозависимости систем, построенных на основе сильных, т. е. ковалентных, и слабых связей для разрыва или образования ковалентных связей при физиологических условиях нужна каталитическая система, функционирование которой в значительной части обеспечивается огромным числом слабых связей.) [c.214]

    Имеются некоторые ограничения применимости предсказаний, основанных на изменениях свободной энергии. В случае изолированной системы можно определенно сказать, что если изменение свободной энергии положительно, то реакция протекать не может. Но в живой системе мы имеем дело не с отдельной изолированной системой, а со множеством взаимодействующих систем, и необходимая свободная энергия может доставляться другой химической реакцией. Другим ограничением является фактор времени. Реакция с отрицательной свободной энергией может протекать так медленно, что не будет иметь никакого практического значения. [c.31]

    В живых клетках, однако, окисляется не молекулярный свободный водород, а водород, связанный с пиридиновыми коферментами, которые отбирают его от субстратов биологического окисления, т. е. глюкозы, аминокислот, жирных кислот и т. п. О-в потенциал системы НАД/НАД-Нг (см. табл. 13) составляет при pH 7 — 0,32 в. Разность потенциалов между этой системой и системой 7г 0г/0 (о-в + 0,81) составляет 1,13 в. Такому потенциалу соответствует изменение свободной энергии АС° = —52 ккал/моль нуклеотида. Это то количество энергии, которое можно теоретически получить при окислении [c.261]

    Живой организм — в целом сложная биологическая система. Он должен рассматриваться в единстве со средой, со всеми факторами и условиями его ассимиляции — диссимиляции. Эта система обычно находится в стационарном состоянии, изменяющемся во времени. Такое состояние в каждый момент существования организма поддерживается потому, что система непрерывно получает свободную энергию из среды в количестве, компенсирующем ее снижение в ходе процесса. В отличие от химического равновесия, которое характеризуется равенством скоростей прямой и обратной реакций, при стационарном состоянии скорость реакции в одном направлении обычно больше, чем в другом, причем разность скоростей в обеих направлениях постоянна во времени, Стационарное состояние и равновесие системы сходны в том смысле, что в обоих случаях система во времени сохраняет свои свойства постоянными но основное отличие двух состояний заключается в том, что при равновесии свободная энергия, достигая минимального значения, далее не изменяется (с1Р = 0), при стационарном же состоянии она изменяется непрерывно, но с постоянной скоростью. [c.66]


    Важное значение в биологии имеет вопрос о роли изменения энтропии в направлении процессов обмена в живом организме. Известно, что в некоторых простых системах, например при диффузии газов или смешении неполярных жидкостей, изменение внутренней энергии незначительно. Основной движущей силой таких процессов, доводящих их до конца, является увеличение энтропии. Если же смешивать такие вещества, как серную кислоту и воду, то в результате большого изменения энтальпии при этом процессе роль энтропийного фактора становится незначительной. Основное значение для направления процесса приобретает свободная энергия или термодинамический потенциал ( 28). [c.67]

    Интересные направления в осмыслении живой природы наметил известный биолог Э. Бауэр Он считает, что работа живых систем направлена при всякой окружающей среде против равновесия, которое должно было бы наступить при данной окружающей среде и при данном первоначальном состоянии системы Бауэр сформулировал принцип устойчивого неравновесия биологических систем. Это ученым рассматривается как всеобщий биологическй закон. Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях  [c.74]

    Из последнего уравнения видно, что уменьшение свободной энергии при постоянной температуре и постоянном давлении равно общей работе, которую может совершить система, за вычетом ЯАУ. Работа, обозначаемая —АО, которую часто называют чистой работой или полезной работой, может быть химической, электрической, фотохимической или осмотической. К ней не относится работа расширения газа против постоянного дав- ления, за исключением случаев, когда этот вид работы используется полезным образом. Примером такой непродуктивной работы РАУ может служить расширение нагреваемого воздуха. В живых системах вопрос о полезной работе, сопровождающейся изменением свободной энергии, имеет особо важное значение, поскольку растительные и животные клетки совершают механическую работу, необходимую для поддержания жизни, не. за счет поглощения тепла из внешней среды. В случае теплокровных животных совершение работы при постоянной температуре за счет поглощения тепла просто запреш,ено вторым законом. Работа клеток зависит от химической энергии, получаемой ими из питательных веществ этот вид работы может осуществляться, очевидно, за счет изменения свободной энергии АС. Рис. 2.11 иллюстрирует некоторые виды полезной работы, с которыми мы сталкиваемся, изучая живые организмы. [c.107]

    АТФ в термодинамической шкале изменений стандартной свободной энергии (АО ) гидролиза фосфатов [3] занимает промежуточное положение. Наибольший интерес с энергетической точки зрения представляют высокоэнергетические соединения, выступающие как переносчики энергии в живых системах. [c.413]

    Особенностью второго закона термодинамики в самопроизвольных и эволюционных процессах в живой и неживой материи изложил геолог В. С. Голубев, сформулировав его следующим образом в природе существуют основные самопроизвольные процессы, обусловливающие увеличение энтропии систем, и существуют сопряженные процессы, уменьшающие энтропию систем. При этом основные процессы протекают сами собой, в то время как сопряженные процессы осуществляются лишь при протекании основных процессов. Таким образом, движущая сила процессов — свободная энергия системы — при самопроизвольном процессе не вся расходуется на увеличение энтропии системы. [c.55]

    Живые самоорганизующиеся системы способны самопроизвольно потреблять из внешней среды свободную энергию и за счет этого поддерживать свои внутренние интенсивные параметры (температура, давление, уровень концентрации, градиент вещества и энергии и др.), отличные от таковых внешней среды. Из-за этого их называют также неравновесными (диссипативными) системами. Косные системы не обладают такой способностью. Их интенсивные параметры самопроизвольно сравниваются с аналогичными параметрами внешней среды. Такие системы называют равновесными. [c.319]

    Система самоорганизующаяся (неравновесная, диссипативная) — система, способная самопроизвольно потреблять из внешней среды свободную энергию, за счет этого поддерживать стабильный уровень своих параметров (температуру, концентрацию веществ и др.) в меняющихся условиях внешней среды. Все живые организмы и их сообщества являются самоорганизующимися и саморегулирующимися системами. [c.466]

    Нормальное существование растения, как и любого другого представителя живого мира, возможно лишь при непрерывном поступлении в него энергии извне. В настоящее время доказано, что все виды населяющих Землю живых существ используют одну и ту же форму энергии. Это энергия химических связей, удерживающая атомы в молекуле, или так называемая химическая (свободная) энергия. С потреблением химической энергии связано любое проявление жизни на нашей планете. В соответствии с I и И законами термодинамики все реакции, идущие в направлении равновесия или по градиенту, влекут за собой уменьшение общего количества химической энергии системы и возрастание энтропии. [c.90]

    Непосредственное образование пептидной связи из групп СООН и аминогруппы, как показывает термодинамический расчет, должно протекать с увеличением свободной энергии системы. Следовательно, синтез белка из аминокислот может произойти только в том случае, если он сопровождается другими процессами, протекающими с уменьшением свободной энергии. В клетках живых организмов такими процессами являются окисление и гликолиз энергия, освобождающаяся при этом, в значительной степени концентрируется в виде [c.243]

    I закону термодинамики энергия в ходе физико-химических процессов не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах. Таким образом, применительно к биологическим системам I закон термодинамики можно сформулировать так в живой природе при осуществлении различных биохимических процессов общее количество энергии остается постоянным. Но нужно отметить, что математическое выражение I закона термодинамики (0 = ДЯ+А) справедливо лишь для идеально обратимых процессов, в то время как в природе полностью обратимых процессов не существует, поскольку устойчивое химическое равновесие для живых организмов равнозначно смерти. Направление биохимических реакций можно предсказать, используя II закон термодинамики, согласно которому самопроизвольно протекают реакции, сопровождающиеся увеличением энтропии У при этом свободная энергия АС должна уменьшаться, т. е. АС реакции протекают самопроизвольно за счет уменьшения свободной энергии. Эндергонические реакции — это несамопроизвольные процессы, которые сопровождаются увеличением свободной энергии (АС > 0), поэтому их протекание невозможно без подвода энергии извне. [c.315]

    С точки зрения термодинамики открытых систем неравновесные структуры в живых и других системах, находящихся в стационарном состоянии и поддерживающихся постоянной потерей свободной энергии (диссипацией энергии), называются диссипативными структурами . Диссипация энергии, как мы видели, — основная черта систем, находящихся в динамическом состоянии. При этом неизбежно происходит увеличение энтропии. Диссипативные структуры особенно подробно рассмотрены Пригожином [1472—1474]. С помощью анализа можно выяснить общие свойства таких систем и, исходя из этих свойств, показать, что некоторые типы систем существовать не могут. И все же результаты анализа, как всегда бывает в термодинамике, явно допускают многие разные молекулярные или надмолекулярные меха- низмы и потому не могут ограничить или предсказать их. [c.23]

    Согласно Бауэру, фундаментальное отличие живой материи от неживой характеризуется принципом устойчивого равновесия . Этот принцип гласит Все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях . Затем Бауэр в качестве следствий из этого принципа выводит основные проявления жизни — обмен веществ, рост, размножение. Бауэр, по-видимому, был неправ, постулируя, что устойчивое неравновесие возникает вследствие особого напряженного состояния белковых молекул. Деформированное состояние белковых молекул не является основным их свойством. Однако принцип Бауэра верен в эволюционном смысле, а именно, в смысле постоянно возрастающей в ходе эволюции невероятности , а следовательно, и термодинамической неравновесности биологических макромолекул, невероятности , проявляющейся в уникальности чередования мономеров в полимерных цепях белков и нуклеиновых кислот. [c.15]

    На первый взгляд кажется неожиданным, что многие реакции, служащие для получения энергии живыми системами, являются неорганическими. Конечно, эти реакции следует считать промежуточными, необходимыми для образования биохимических комплексов. Неорганические источники энергии связаны с фотосинтезом лищь косвенно, поскольку они используют свободный кислород, имеющий фотохимическое происхождение. [c.570]

    Из сказанного можно сделать вывод, что при гидрофобном фермент-субстратном взаимодействии типа Е-Н (схема 2,10) величина Д 5,ВНУ1Р (уравнение 2.19) принимает существенные значения даже при не слишком больших гидрофобных фрагментах Н. Так, для весьма распространенной в живой природе бензильной группы (встречающейся в молекулах производных фенилаланина) понижение свободной энергии активации, обусловленное погружением ее (переносом из воды) в гидрофобную среду активного центра (при образовании переходного состояния химической реакции), может составить величину вплоть до —7 ккал/моль (—29,4 кДж/моль) в зависимости от значения а с 2, которое реализуется в данной энзиматической системе. Это соответствует ускорениям реакции вплоть до 10 раз. [c.45]

    Однако некоторые ученые считают, что в отличие от неживых систем организмы являются накопителями энергии и в них идут процессы, противоположные второму началу термодинамики, иными словами, ( ссматрнаают живые организмы как системы не энтропические, а эктропические (накопители свободной энергии). При этом живой организм рассматривается вне связи со средой его обитания. Диалектика же учит, что организм необходимо рассматривать в его тесной и неразрывной связи с окружающей средой. [c.75]

    Эта энергия расходуется организмом на выполнение полезной работы. В частности, энергия, выделяемая при окислении глюкозы, используется на осуществление реакций, требующих затраты энергии. Один из вариантов такого сочетания реакций схематически изображен на рис. 18.8. В рассматриваемом процессе важную роль играет адено-зинтрифосфат (АТФ)-очень энергоемкая молекула. Когда АТФ превращается в несколько менее энергоемкую молекулу аденозиндифосфата (АДФ), вьщеляется энергия, которая расходуется на осуществление других химических реакций. Вьщеляемая при окислении глюкозы энергия частично идет на превращение АДФ обратно в АТФ. Взаимные превращения АТФ-АДФ используются в организме как способ запасания энергии и ее высвобождения для проведения необходимых реакций. Сочетание реакций, когда свободная энергия, выделяемая в одной из реакций, расходуется на проведение другой реакции, происходит при обязательном участии катализаторов, роль которых выполняют ферменты. В гл. 25, посвященной биосфере, мы рассмотрим энергетические соотношения в живых системах более подробно. [c.192]

    Доскональное обсуждение механизмов переноса энергии в живых системах не входит в задачу данной главы. Мы отсылаем читателя к подробному изложению общих принципов этого вопроса, приведенному А. Л. Ленинджером [3], и к детальному обзору Г. А. Кребса и Г. Л. Корнберга [4]. Здесь же достаточно указать, что одним из продуктов ферментативных реакций, ведущих к высвобождению энергии, является аденозинтрифосфат (АТФ). Это — высокореакционноспособное, или богатое энергией , соединение, служащее источником свободной энергии, необходимой для полного завершения тех биохимических реакций, в которых это соединение принимает участие. Если сравнивать задачу, которая стоит перед клеткой и хнашком-органиком, то окажется следующее. Химик-органик при выборе реагентов, поставляющих необходимую для определенного синтеза энергию, может основываться на своем опыте, а не на теоретических рассуждениях. У клетки же выбор ограничен теми реагентами, которые образуются при распаде пищевых продуктов. Наиболее важ- [c.12]

    Классическая термодинамика рассматривает равновесные системы, в то время как для живых организмов свойственно стационарное состояние, которое характеризуется постоянством скорости переноса вещества и энергии из среды в систему и наоборот. В стационарном состоянии свободная энергия системы изменяется непрерывно с постоянной скоростью (ДО = onst), при равновесии же в замкнутой системе ДО = 0. [c.207]

    Некоторые последовательно сопряженные, или, как н.х называют, тандемные, реакции, протекающие в живых системах, являются сопряженными в том с.мысле, что сопровождающее их суммарное изменение свободной энергии обеспечивает возможность образования конечного продукта. Тот факт, что величина Д0° химической реакции положительна, еще не означает, что из реагентов не могут образоваться продукты. Он говорит лишь [c.184]

    Ферментативный синтез белка в живых системах начинается с процесса активирования аминокислот. При этом под действием специфических ферментов и при участии АТФ как источника энергии активируется карбоксильная группа аминокислоты. В результате выделяется свободная фосфорная кислота и образуется связанный с ферментами комплекс, состоящий из АДФ и активированной аминокислоты. Ферменты, активирующие различные аминокислоты, найдены у микроорганизмов, животных, в листьях и проростках растений. Для каждой аминокислоты имеется свой специфический ферхме.чт, активирующий данную аминокислоту. [c.244]

    Мы считали, что ионная асимметрия, т. е. противоестественный градиент концентраций возник как эволюционное следствие необходимости клетки реагировать на повреждение. Однако мы уже видели, что в простых глинах происходит резко избирательное накопление калия, и, следовательно, возникает ионная асимметрия, а именно, натрий остается вне глины, калий проникает внутрь. Строго говоря, в глине никакого противоградиентного накопления калия нет. Напротив, строго по предписаниям термодинамики калий заполняет пустоты в структуре сэндвичевых глин, в результате чего свободная энергия системы понижается [192]. В глиняной модели живого организма можно предусмотреть и реагирование на повреждение. В самом деле, всякое нарушение целостности сопряжено с механическим воздействием. А глина, как и другие гелеобразующие материалы, тиксотропна, т. е. разжижается при механическом воздействии (вот почему в мокрой глине ноги вязнут тем сильнее, чем интенсивнее попытки выбраться). Нарушение структуры тиксотроп-ных гелей — вполне удобный в принципе механизм раздражения, который может включить необходимые для восстановления целостности клетки процессы биосинтеза. [c.99]

    Для проведения ор1анического синтеза необходим запас энергии, и это должна быть доступная энергия На научном языке она называется свободной энергией, что вовсе не означает, что вы получаете ее даром (В термодинамике у данного термина есть довольно точное значение) Таким образом, система не находится в состоянии равновесия, в узком смысле этого слова, хотя она может быть в состоянии динамического равновесия. Весьма приблизительном аналогией было бы сопоставление спокойного пруда, равновесие которого статично, и бегущей реки, кото рая продолжает неизменно течь во многом как бы одинаковым образом Живая система напоминает реку В нее втекают сырье и свободная энергия, тогда как вытекают отходы и тепло С научной точки зрения, это открытая система Только таким способом она может продолжить син тез, необходимый для повторяющейся химической репликации. [c.44]

    С одной стороны, как справедливо указывают многие авторы (Л. А. Блюменфельд, Л. А. Николаев и др)., понятие энтропии вообще нецелесообразно использовать когда речь идет о порядке в макроскопическом смысле скажем, о дифференциации клеток, специализации клеточ ных структур и т. д. С другой стороны, организм постоян но совершает работу и растет, следовательно, общее ко личество свободной энергии в нем должно увеличиваться что на первый взгляд противоречит второму закону термо динамики. Такой вывод, однако, основан на недоразумении. Свободная энергия не может увеличиваться лишь в изолированных системах. Ни один живой организм не является изолированной системой. Организм питается и с пищей (а растения и со светом) потребляет свободную энергию, которую потом расходует. В полном смысле слова изолированной можно считать систему организм — среда. Внутри такой системы в ее живой части, т. е. в организме, свободная энергия может увеличиваться, а энтропия — соответственно уменьшаться, но при непременном условии одновременного его увеличения в неживой части системы. Так, например, развитие зеленых растений на Земле происходило благодаря увеличению энтропии в системе Солнце — Земля. Известно, что и в состоянии покоя, и при выполнении работы может происходить рост и развитие организма, но одновременно идет непрерывное вьщеление тепла живыми организмами. Эта теплота диссипации представляет собой результат окисления веществ, заключен- [c.17]

    Чрезмерно категоричные и безапелляционные выводы, еде- ланные иа первых порах при применении физических методов для определения состояния воды в растении, после их проверки и уточнения потребовали пересмотра. Прежде всего эти выводы противоречат основополагающему для молекулярной биологии представлению об участии воды в формированн нативной конформации биологических макромолекул и в их фуикционирова-пии. Если принять, иа основе данных, полученных с помощью физических методов, что структура воды практически не меняется даже при денатурации, то не может быть и связанного с водой вклада в свободную энергию сворачивания белковой глобулы в компактную структуру и тем более в измеиеиие ее конформации в процессе функционирования. В этой связи были тщательно проанализированы результаты, полученные при применении калориметрии, гравиметрии, диэлектрической спектроскопии, инфракрасной спектроскопии, различных разновидностей метода ЯМ.Р, и показано, что эти методы не учитывают слабосвязанную воду, вклад которой в свободную энергию системы сопоставим с вкладом прочносвязанной воды, либо они приводят вообще к неверным результатам из-за использования при их интерпретации некорректных предпосылок. С учетом динамических характеристик макромолекул показано, что количество связанной воды в биологических объектах значительно превышает ранее приведенные оценки и, в общем, находится в соответствии с представлениями об участии воды в формировании нативной конформации биополимеров и в их функционировании. Согласно этим данным, в живых клетках существуют по крайней мере две фракции прочносвязаиной и две фракции слабосвязанной воды [86—89]. [c.39]

    Пять миллиардов лет назад, до появления жйзии на Земле, вся свободная энергия, щедро изливаемая на нашу планету Солнцем, быстро рассеивалась в виде бесполезного тепла и излучалась в космическое пространство. Позднее, с появлением жизни, возникли мельчайшие живые системы, способные захватывать часть свободной энергии и использовать ее для поддержания своей организации и жизнедеятельности, а также для ее распространения, В результате стационарная система живого завладела частью свободной энергии Солнца и удерживает ее в форме вездесущей биосферы планеты Земля. Живая [c.27]


Контакты в Томске

г. Томск, ул. Щорса, 2А, тел: +7 (3822) 555-777

Юридическое лицо: ООО «Свободная Энергия» ИНН 7017193385
Фактический и почтовый адрес: 634012 г.Томск, ул. Щорса 2а
Карточка предприятия.
Карта месторасположения:

Телефон: +7 (3822) 555-777
Факс: +7 (3822) 565-562
WhatsApp, Telegram, Viber: +7-953-929-8538
Общий E-mail: [email protected]
ICQ для технических консультаций: временно недоступно
Время работы магазина:
понедельник — пятница: 9.00 — 20.00
суббота: 10.00 — 18.00
воскресенье: выходной день

О нашей компании.

Компания «Свободная Энергия» основана выпускниками Томского Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР) в 2004 году. Сначала компания специализировалась только на ремонте и обслуживании аккумуляторов для мобильной аппаратуры. На настоящий момент существует три основные направления деятельности:

Отдел продаж

Швагруков Дмитрий Алексеевич
E-mail: [email protected]

Сервисный центр

Директор
Приписнов Евгений Александрович
E-mail: [email protected]

Генеральный директор
Войков Григорий Геннадьевич
E-mail: [email protected]

Главный бухгалтер
Леонова Тамара Валерьевна
E-mail: [email protected]

 

«Свободная энергия»: благо или зло?

«Свободная энергия»: благо или зло?

Предположим, что проблема «свободной энергии» решена. Но будет ли это благом или окажется ящиком Пандоры?


Плюсы «свободной энергии»
Минусы и ограничения «свободной энергии»
   Разумное использование
   Экология
   Плотность нагрузки
   Плотность «теплового выхлопа»

Плюсы «свободной энергии»

Испокон веков существовали определённые виды жизненно важных ресурсов, которые считались «от Бога», и брать за пользование ими какую-либо плату было просто немыслимо. Абсолютно везде это воздух и солнечные свет и тепло, а также почти повсеместно — вода и отопление, которое тысячи лет осуществлялось с помощью дров. То есть, этот «набор» включал в себя почти всё жизненно необходимое человеку каждый день, за исключением пищи (впрочем, в крестьянских хозяйствах и пища была «бесплатной»). Изначально любой желающий согреться шёл в ближайший лес, набирал там сколько надо хвороста или рубил дрова и с ними возвращался обратно к своему очагу. С течением времени леса вокруг крупных поселений исчезали, за топливом приходилось отправляться всё дальше, и появились первые профессиональные поставщики энергоресурсов — дровосеки и углежоги. Так в городах топливо стало товаром, хотя чуть подальше от них дрова по-прежнему оставались бесплатными и общедоступными. По мере развития технического прогресса всё шире стали применяться более эффективные виды топлива — сначала каменный уголь, затем газ, керосин, бензин, электричество, получать которые частным образом оказалось очень трудоёмко или вообще невозможно. И вот в современном «развитом» обществе практически всю энергию люди покупают у крупных поставщиков — начиная от электричества, газа и бензина и кончая чурками для каминов и древесным углём для приготовления шашлыков. Следующий ресурс, который становится платным практически повсеместно — это вода, хотя плата за водопровод (и канализацию) уже давно никого не удивляет. Однако в настоящее время эта кампания переводится на новый уровень — недаром появляется всё больше прогнозов о грядущей нехватке питьевой воды в мире и «водяных войнах». Уже сейчас многие покупают воду в бутылках, и не всегда это вызвано объективно плохим качеством водопроводной воды, а часто является следствием назойливой рекламы и «промывания мозгов», хотя существуют и другие способы получить качественную воду, причём дешевле и с гораздо меньшей зависимостью от «чужого дяди».

Успешное решение проблемы «свободной энергии» и её массовое распространение способно предоставить любому человеку необходимое количество энергии непосредственно там, где она нужна. Тем самым становятся ненужными громоздкие, дорогие и уязвимые системы доставки и распределения энергоресурсов — ведь энергия вырабатывается непосредственно на месте потребления. Отпадает необходимость в современных огромных экологически опасных предприятиях по производству энергии (это не только АЭС и ТЭЦ, угольные разрезы и нефтяные скважины, но и традиционные ГЭС с их огромными водохранилищами). Прекращается растрачивание невозобновимых ресурсов, являющихся ценнейшим химическим сырьём — а это сокращение нагрузки на природу и экономное расходование природных запасов. Человек перестаёт зависеть от энергетических монополистов. Снижаются возможности централизованного влияния на него — как со стороны «своих» чиновников и правительства, так и со стороны международных энергетических корпораций, — а во многих странах, являющихся зоной их интересов, власть этих корпораций в настоящее время сильнее номинальной государственной власти. Устраняются многие ограничения на освоение экстремальных и удалённых районов — как северных, так и южных. Кстати, имея достаточно энергии, вполне можно получить и достаточное количество питьевой воды практически везде — либо опреснением морской воды, либо растапливанием льда и снега, либо конденсацией влаги, содержащейся в воздухе! Кроме проблемы воды, в значительной степени решается и проблема пищи — ведь теплицы можно построить и в труднодоступных местах, а энергию, необходимую для их обогрева (и для производства стройматериалов при их возведении), получать прямо на месте.

Таким образом, человек становится менее зависимым от централизованного управления, и прежде всего от гипертрофированного в современном мире влияния поставщиков энергоресурсов. Это ни в коем случае не означает распространения анархии, понимаемой как вседозволенность и полное беззаконие, — функции правительства лишь приблизятся к своим исконным, тем, что были и в средние века, и в античную эпоху, — это обеспечение общественного порядка и взаимодействия граждан между собой, разрешения споров между ними, в которых они сами не могут достичь согласия. А вот обеспечение теплом и необходимой энергией снова станет частным делом каждого, поэтому большинство людей будут свободнее и ответственнее, хотя, конечно, всегда найдутся те, кто своему дому — обустроенному именно по вкусу хозяина, хотя и требующему некоторого труда и забот, — предпочтёт убогую, но халявную ночлежку.

Минусы и ограничения «свободной энергии»

Однако всё ли так радужно? Конечно, нет! Проблем тоже может возникнуть немало, основные среди них — допустимые плотности нагрузки и теплового «выхлопа» и другие экологические эффекты, но самое главное — разумное использование энергии.

Разумное использование

Определение «свободной энергии» подразумевает, что практически в любом месте можно получить достаточно большое количество этой энергии, причём платить за «излишки» не надо. Однако в силу своей природы человек не склонен ценить то, что достаётся ему легко, и потому часто расходует это не оглядываясь и бездумно. Один из ярких примеров — это мощность автомобильных двигателей: если в начале XX века для автомобиля весом в 1-2 тонны вполне достаточным считалось 15-30 л.с. при максимальной скорости 30-50 км/ч и обычной скорости движения 20-40 км/ч, то в 1960-е годы для массовых автомобилей нормой было уже 40-60 л.с. при максимальной скорости 110-140 км/ч и средней скорости 60-90 км/ч, а ещё через 50 лет, то есть сейчас, для такого же автомобиля нормой считается 100-150 л.с. при максимальной скорости 160-200 км/ч и средней скорости от 10-20 км/ч в больших городах до 100-130 км/ч за городом. Налицо злоупотребление мощностью «за те же деньги» (по уверениям автопроизводителей, хотя на самом деле цена на автомобили выросла более чем существенно), — ведь если сначала скорость росла аналогично мощности, то теперь при более чем двукратном росте мощности реальная скорость выросла гораздо меньше, а в городах вообще упала! Ради объективности надо отметить, что удельное потребление горючего автомобилем стало заметно меньше, чем полвека назад, но если бы не избыток мощности, экономия горючего была бы куда более ощутимой. Конечно, можно говорить о «запасе мощности», необходимом «для безопасности», однако я убеждён, что ехать на «заряженном» автомобиле в окружении таких же «заряженных» (ведь другие-то тоже не дремлют), намного опаснее, чем на менее мощном среди ему подобных, а ложное впечатление о «крутости» провоцирует на совершение непродуманных действий — дури-то в движке много, авось вывезет!

Возможно, человечеству ещё рано получать «свободную энергию» — до тех пор, пока большинство не научится контролировать свои потребности? А то люди в массовом порядке решат, скажем, «делать из ночи день», освещая всё вокруг и не стесняясь в мощности ламп, или создавать «лето зимой», подогревая бесплатной энергией открытые приусадебные газоны и огороды возле полярного круга! Административные меры типа «налога на киловатты» здесь вряд ли помогут — на то энергия и свободная, что централизовано контролировать её практически невозможно (даже суровые «сухие законы» большевиков не смогли искоренить самогоноварение, а здесь «навар»-то покруче будет)! К тому же, как показывает опыт, налог «на лошадиные силы» очень мало влияет на рост мощности автомобильных двигателей. Очевидно, что даже при использовании идеальных генераторов «свободной энергии» такая неконтролируемая выработка и разбазаривание энергии быстро сделают актуальными все остальные проблемы — от экологии до ограничения ресурсов. К сожалению, современное «цивилизованное» общество всеми силами призывает не продумывать свои потребности, выделяя основные и разумно ограничивая свои желания, а как можно больше потреблять и тратить — бессмысленно и бездумно. В таком случае массовое использование «свободной энергии» вряд ли принесёт людям счастье и процветание…

Экология

Часто говорится об экологичности «свободной энергии». Но почти во всех сообщениях о реально работавших устройствах, претендующих на это звание, упоминается о сопровождающих их работу эффектах, которые назвать «экологически безопасными» никак нельзя. Это не только СВЧ-излучение и сильные электростатические поля, более-менее известные и изученные в традиционной технике, но и, сверх того, влияние на биологические объекты (как благотворное, так и, гораздо чаще, негативное), и даже эффекты антигравитации и нарушения хода времени, предсказать текущее и отдалённое влияние которых пока никто не может! Для разных типов устройств сила этих эффектов различна, однако почти всегда отмечается как минимум один из них, а часто сразу несколько.

Поэтому если имеются основания подозревать наличие хотя бы одного из этих эффектов, прежде чем широко оглашать подробности изобретения, следует попытаться по возможности изучить степень их воздействия на окружающую среду и способы уменьшения этого влияния. И хотя, безусловно, основным мотивом скрытности изобретателей были, есть и будут деньги, возможно, именно экологическая опасность изобретения удержала кого-то из них от оглашения подробностей! Особенно важно это при массовом применении установок, расположенных близко друг от друга — вспомним те же автомобили: сначала их были единицы, и вонючий выхлоп воспринимался не более как курьёз или досадная мелочь, но уже через полвека выхлопные газы десятков тысяч машин, заполнивших улицы крупных городов, стали причиной смога и массового ухудшения здоровья жителей.

Так что, прежде чем говорить об экологичности того или иного устройства, неплохо бы вспомнить о «мирном атоме», который тоже очень экологичен, пока не встаёт проблема утилизации отходов, или, не дай Бог, реактор не начнёт «работать в нештатном режиме»…

Плотность нагрузки

Говоря о «свободной энергии», обычно подразумевают, что её можно получить «сколько угодно». Однако реальный опыт показывает, что вряд ли так будет на самом деле. Для примера возьмём всем известный источник даровой энергии — текущую воду, скажем лесной или горный ручей. Чтобы получить от него необходимое количество энергии, нужно обеспечить соответствующий перепад высот, а для этого построить плотину, как у ГЭС или широко распространённых раньше водяных мельниц. Очевидно, что такие ГЭС или мельницы нельзя ставить вплотную друг к другу — второе сооружение на том же ручье можно построить лишь на достаточно большом расстоянии от первого, чтобы снова обеспечить нужный перепад высот. Любая попытка «уплотнить» их приведёт к падению мощности, а то и к невозможности работы либо первого, либо второго сооружения. Другие типы даровой энергии тоже демонстрируют подобные ограничения — скажем, солнечные панели надо располагать так, чтобы они не затеняли друга, а если покрыть большое поле плотным «лесом» ветряков, то в середине такого поля, как и в середине настоящего леса, будут наблюдаться лишь слабые отголоски ветров, дующих на его границах…

Так и с генераторами «свободной энергии» — близкое размещение нескольких мощных генераторов может привести к «осушению» окрестностей от той первичной энергии, которую они могут использовать, — и это не считая их возможного взаимного влияния, которое также вряд ли будет благотворным. А если удастся извлечь энергию из такого обильного источника, что ограничения по мощности будут вызываться не его ёмкостью, а возможностями используемых в конструкции материалов (скажем, максимальным числом оборотов либо крутящим моментом для механической передачи, или удельной плотностью тока для электрического выхода), то встаёт следующая проблема — плотность «теплового выхлопа».

Плотность «теплового выхлопа»

Итак, предположим, что удалось создать генератор «свободной энергии», не оказывающий заметного негативного экологического влияния на окружающую среду и обладающей удельной мощностью, ограниченной лишь возможностями используемых материалов. Значит ли это, что можно будет использовать сколько угодно энергии? Нет, ни в коем случае! Причина очень проста: ведь практически вся затраченная энергия — что для выполнения механической работы, что для освещения, не говоря уже об энергии, использованной для отопления или кондиционирования, — в конечном счёте превращается в тепло, и тепло это выделяется в том месте, где эта энергия была использована! Так что если потратить слишком много энергии в одном месте, то температура там вполне может превысить все разумные пределы, — а это значит, что в любом случае будут существовать ограничения по плотности «теплового выхлопа».

В этом плане наиболее хороши были бы генераторы «свободной энергии», отбирающие тепло из внешней среды — поскольку свободная энергия предполагает использование неподалёку от генератора (нет смысла делать длинную линию для передачи энергии, которую можно получать где угодно), то охлаждение в месте её производства компенсируется аналогичным нагревом в месте использования поблизости, и температурная аномалия в принципе остаётся локальной. Если же работа генератора не приводит к заметному охлаждению окружающей среды, то массовое применение таких устройств вызовет столь большой выброс дополнительной энергии, что по сравнению с ним нынешнее сомнительное «глобальное потепление» покажется абсолютно безвредным. ♦

6.2A: Свободная энергия — Биология LibreTexts

Свободная энергия, называемая свободной энергией Гиббса (G), представляет собой пригодную для использования энергию или энергию, которая доступна для выполнения работы.

Цели обучения

  • Обсудить концепцию свободной энергии.

Ключевые моменты

  • Каждая химическая реакция включает изменение свободной энергии, называемое дельта G (∆G).
  • Чтобы рассчитать ∆G, вычтите количество энергии, теряемой на энтропию (∆S), из общего изменения энергии системы; это полное изменение энергии в системе называется энтальпией (∆H ): ΔG=ΔH−TΔS.
  • Эндергонические реакции требуют затрат энергии; ∆G для этой реакции будет положительным значением.
  • Экзергонические реакции высвобождают свободную энергию; ∆G для этой реакции будет отрицательным значением.

Основные термины

  • экзергоническая реакция : Химическая реакция, при которой изменение свободной энергии Гиббса отрицательно, что указывает на спонтанную реакцию
  • эндергоническая реакция : Химическая реакция, в которой стандартное изменение свободной энергии положительно и энергия поглощается
  • Свободная энергия Гиббса : Разность между энтальпией системы и произведением ее энтропии на абсолютную температуру

Свободная энергия

Поскольку химические реакции высвобождают энергию, когда разрушаются энергоаккумулирующие связи, как определяется и выражается энергия, связанная с химическими реакциями? Как можно сравнить энергию, выделяющуюся в одной реакции, с энергией другой реакции?

Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этих переносов энергии.Свободная энергия называется свободной энергией Гиббса (G) в честь Джозайи Уилларда Гиббса, ученого, который разработал это измерение. Вспомните, что согласно второму закону термодинамики все передачи энергии связаны с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло, что приводит к энтропии. Свободная энергия Гиббса конкретно относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета энтропии. Другими словами, свободная энергия Гиббса — это полезная энергия или энергия, доступная для выполнения работы.

Расчет ∆G

Каждая химическая реакция включает изменение свободной энергии, называемое дельта G (∆G). Изменение свободной энергии можно рассчитать для любой системы, которая претерпевает изменения, например химическую реакцию. Чтобы рассчитать ∆G, вычтите количество энергии, теряемое на энтропию (обозначаемое как ∆S), из общего изменения энергии системы. Это полное изменение энергии в системе называется энтальпией и обозначается как ∆H. Формула для расчета ∆G выглядит следующим образом, где символ T относится к абсолютной температуре в градусах Кельвина (градусы Цельсия + 273): G=∆H−T∆S.

Стандартное изменение свободной энергии химической реакции выражается как количество энергии на моль продукта реакции (в килоджоулях или килокалориях, кДж/моль или ккал/моль; 1 кДж = 0,239 ккал) при стандартных значениях рН, температуры, и условия давления. Стандартные условия pH, температуры и давления обычно рассчитываются для pH 7,0 в биологических системах, 25 градусов Цельсия и 100 килопаскалей (давление 1 атм) соответственно. Важно отметить, что клеточные условия значительно отличаются от этих стандартных условий; поэтому стандартные расчетные значения ∆G для биологических реакций внутри клетки будут другими.

Эндергонические и экзергонические реакции

Если в ходе химической реакции выделяется энергия, то результирующее значение из приведенного выше уравнения будет отрицательным числом. Другими словами, реакции с выделением энергии имеют ∆G < 0. Отрицательное значение ∆G также означает, что продукты реакции имеют меньшую свободную энергию, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции. Реакции, имеющие отрицательное значение ∆G и, следовательно, выделяющие свободную энергию, называются экзергоническими реакциями.Экзергонический означает, что энергия выходит из системы. Эти реакции также называют самопроизвольными реакциями, поскольку они могут протекать без добавления энергии в систему. Понимание того, какие химические реакции протекают самопроизвольно и высвобождают свободную энергию, чрезвычайно полезно для биологов, поскольку эти реакции можно использовать для выполнения работы внутри клетки. Необходимо провести важное различие между термином «самопроизвольно» и идеей химической реакции, которая происходит немедленно. Вопреки повседневному использованию этого термина спонтанная реакция не возникает внезапно или быстро.Ржавление железа является примером спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Если химическая реакция требует ввода энергии, а не высвобождения энергии, то ∆G для этой реакции будет положительным значением. В этом случае продукты имеют больше свободной энергии, чем реагенты. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как запасающие энергию молекулы. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями; они неспонтанны. Эндергоническая реакция не будет происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Экзергонические и эндергонические реакции : Экзергонические и эндергонические реакции приводят к изменениям свободной энергии Гиббса. Экзергонические реакции высвобождают энергию; Эндергонические реакции требуют энергии для протекания.

Свободная энергия и биологические процессы

В живой клетке химические реакции постоянно движутся к равновесию, но никогда его не достигают. Живая клетка — это открытая система: вещества входят и выходят, клетка перерабатывает продукты одних химических реакций в другие реакции, и химическое равновесие никогда не достигается.Таким образом, живые организмы находятся в постоянной энергоемкой, тяжелой борьбе против равновесия и энтропии.

Когда сложные молекулы, такие как крахмалы, строятся из более простых молекул, таких как сахара, анаболический процесс требует энергии. Следовательно, химические реакции, вовлеченные в анаболические процессы, являются эндергоническими реакциями. С другой стороны, катаболический процесс расщепления сахара на более простые молекулы высвобождает энергию в серии экзергонических реакций. Как и в приведенном выше примере со ржавчиной, при распаде сахара происходят спонтанные реакции, но эти реакции не происходят мгновенно.Важным понятием в изучении обмена веществ и энергии является понятие химического равновесия. Большинство химических реакций обратимы. Они могут двигаться в обоих направлениях, высвобождая энергию в окружающую среду в одном направлении и поглощая ее из окружающей среды в другом направлении.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Эндергонические и экзергонические процессы : показаны некоторые примеры эндергонических процессов (которые требуют энергии) и экзергонических процессов (тех, которые высвобождают энергию). К ним относятся (а) разлагающаяся куча компоста, (б) цыпленок, вылупившийся из оплодотворенного яйца, (в) разрушение песочного искусства и (г) мяч, катящийся с холма.

Свободная энергия Гиббса: определение и значение — видео и расшифровка урока

Самопроизвольность химических реакций

Механическая потенциальная энергия камня измеряется высотой камня над землей. На земле камень не имеет потенциальной энергии. Точно так же свободная энергия Гиббса химического вещества измеряется по отношению к другому химическому состоянию, которому приписывается нулевая свободная энергия Гиббса. Два разных вещества могут иметь разные свободные энергии Гиббса.Кроме того, состояние вещества может иметь более высокую свободную энергию Гиббса, чем другое состояние того же вещества.

На Земле объекты всегда стремятся упасть и уменьшить свою потенциальную энергию. В мире химических превращений химические вещества всегда стремятся минимизировать свою свободную энергию Гиббса. Это означает, что химические вещества имеют тенденцию переходить в другие состояния или химические вещества с меньшей свободной энергией Гиббса. Камень, если его не поддерживать веревкой, всегда будет стремиться упасть на землю, где у него меньше потенциальной энергии.Химическое вещество с более высокой свободной энергией Гиббса всегда будет стремиться превратиться в химическое вещество с более низкой свободной энергией Гиббса.

Эти типы химических реакций называются спонтанными реакциями , потому что они происходят без какой-либо подводимой энергии, точно так же, как камень падает без нашего участия. Лед всегда превращается в воду, когда температура выше 0 градусов по Цельсию. При таких температурах мы никогда не увидим, как вода превращается в лед. Мы бы сказали, что превращение льда в воду происходит самопроизвольно.Если бы мы хотели превратить воду в лед, нам нужно было бы извлекать тепло. Если бы мы хотели снова поднять камень над землей, нам пришлось бы сильно тянуть за веревку. В этом случае мы бы сказали, что превращение воды в лед и увеличение высоты скалы не происходит самопроизвольно.

Свободная энергия Гиббса и спонтанные реакции

Самопроизвольное или нет химическое превращение определяется изменением свободной энергии Гиббса:

deltaG = Gf — Gi = deltaH — T(deltaS)

Где deltaG — изменение свободной энергии Гиббса, Gf — конечная свободная энергия Гиббса продуктов реакции, Gi — свободная энергия Гиббса реагентов, deltaH — изменение энтальпии, а deltaS — изменение энтропии.

Если реакция приводит к образованию химических веществ с меньшей свободной энергией Гиббса, реакция протекает самопроизвольно. Здесь deltaG отрицательна (Gf меньше Gi). Если реакция приводит к образованию химических веществ с более высокой свободной энергией Гиббса, реакция не протекает самопроизвольно. Такая реакция потребовала бы некоторого типа ввода энергии. В этом случае deltaG положительна (Gf выше, чем Gi). Если известна свободная энергия Гиббса конечного и начального состояния химических веществ, можно предсказать, произойдет ли самопроизвольно химическое превращение между двумя состояниями.

Например, когда мы смешиваем поваренную соль (NaCl) с водой, соль диссоциирует на два иона (электрически заряженные атомы):

NaCl —-> (Na+) + (Cl-)

Это спонтанное реакции, потому что нам не нужно ничего делать, кроме как добавить соль в воду и немного ее перемешать. Мы говорим, что соль легко растворяется в воде. Соль имеет тенденцию диссоциировать, потому что в присутствии воды свободная энергия Гиббса диссоциированных ионов меньше, чем свободная энергия Гиббса двух ионов, связанных вместе.Изменение свободной энергии Гиббса этого превращения будет:

deltaG = Gf — Gi

Путем замены Gf на свободные энергии Гиббса диссоциированных ионов (GNa и GCl) и Gi на свободную энергию Гиббса соли (GNaCl) , имеем:

deltaG = (GNa + GCl) — GNaCl

Где (GNa + GCl) меньше, чем GNaCl.

Резюме урока

Свободная энергия Гиббса — это доступная энергия вещества, которая может быть использована в химическом превращении или реакции.Вещества имеют тенденцию превращаться в другие вещества, которые имеют меньшую свободную энергию Гиббса. Изменение свободной энергии Гиббса предсказывает, будет ли химическая реакция происходить самопроизвольно. Химические реакции протекают самопроизвольно, если изменение свободной энергии Гиббса между продуктами и исходными реагентами отрицательно (меньше нуля).

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

  • Вспомнить, что такое свободная энергия Гиббса
  • Назовите уравнение для свободной энергии Гиббса
  • Проиллюстрируйте, почему и как возникают спонтанные реакции
  • Объясните, как определить, будет ли химическая реакция происходить самопроизвольно

Свободная энергия и энергия активации – Основы биологии

Узнав, что химические реакции высвобождают энергию, когда разрушаются энергосберегающие связи, следующий важный вопрос заключается в следующем: как энергия, связанная с этими химическими реакциями, измеряется и выражается? Как можно сравнить энергию, выделяющуюся в одной реакции, с энергией другой реакции? Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этих передач энергии.Вспомним, что согласно второму закону термодинамики все передачи энергии связаны с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло. Свободная энергия конкретно относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета потерь. Другими словами, свободная энергия — это полезная энергия, или энергия, доступная для выполнения работы. Рассматривая это понятие в биологическом смысле, свободная энергия — это энергия внутри молекулы, которую можно использовать для выполнения работы.Глюкоза имеет много свободной энергии, потому что много энергии хранится в связях молекулы глюкозы. У углекислого газа гораздо меньше свободной энергии, потому что в его связях хранится гораздо меньше энергии.

Если в ходе химической реакции выделяется энергия, то изменение свободной энергии от превращения реагентов в продукты, обозначаемое как ΔG (дельта G), будет отрицательным числом. Отрицательное изменение свободной энергии также означает, что продукты реакции имеют меньшую свободную энергию, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции.Реакции, которые вызывают отрицательное изменение свободной энергии и, следовательно, высвобождение свободной энергии, называются экзергоническими реакциями . Подумайте: из эргономика означает, что энергия равна из в системе. Эти реакции также называют самопроизвольными реакциями, и их продукты имеют меньший запас энергии, чем реагенты. Необходимо провести важное различие между термином «самопроизвольно» и идеей химической реакции, протекающей немедленно. Вопреки повседневному использованию этого термина спонтанная реакция не возникает внезапно или быстро.Ржавление железа является примером спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Рисунок 1 Свободная энергия эндергонических и экзергонических реакций. В экзергонической реакции реагенты имеют больше свободной энергии, чем продукты. Следовательно, при протекании реакции выделяется энергия. В эндергонической реакции реагенты обладают меньшей энергией, чем продукты. Следовательно, для осуществления реакции необходимо добавить энергию.

Если химическая реакция поглощает энергию, а не высвобождает энергию в балансе, то ΔG для этой реакции будет положительным значением.В этом случае продукты имеют больше свободной энергии, чем реагенты. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как запасающие энергию молекулы. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями , и они не являются самопроизвольными.

Эндергоническая реакция будет а не происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

Рисунок 2  Показано несколько примеров эндергонических процессов (требующих энергии) и экзергонических процессов (высвобождающих энергию).(кредит a: модификация работы Натали Мейнор; кредит b: модификация работы USDA; кредит c: модификация работы Кори Занкера; кредит d: модификация работы Гарри Мальша)

Существует еще одна важная концепция, которую необходимо учитывать. относительно эндергонических и экзергонических реакций. Экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии для запуска, прежде чем они смогут продолжить свои этапы высвобождения энергии.

Эти реакции имеют чистое высвобождение энергии, но все же требуют некоторого подвода энергии в начале.Это небольшое количество энергии, необходимое для протекания всех химических реакций, называется энергией активации (рис. 3) .

Рисунок 3 Энергия активации — это небольшое количество энергии, которое необходимо вложить в систему, чтобы произошла реакция. Фото предоставлено Колледжем Бразоспорт; Викимедиа.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

Текст адаптирован из: OpenStax, Concepts of Biology. OpenStax CNX.18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

границ | О вычислении разностей свободных энергий с использованием ансамблей переходных путей

1. Введение

В последние годы все большее признание получает полезность кинетики связывания для прогнозирования эффективности лекарств (Lu and Tonge, 2010; Carroll et al., 2012; Vauquelin et al., 2012; Pei et al., 2014; Ayaz). et al., 2016; Copeland, 2016; Costa et al., 2016; Guo et al., 2016; Tonge, 2017; Bruce et al., 2018; Ли и др., 2019 г.; Нуньес-Алвес и др., 2020). Фармакокинетическая и фармакодинамическая модели активности лекарств в организме по своей природе неравновесны: лекарство вводится, всасывается, распределяется по разным тканям, метаболизируется и выводится из организма. Таким образом, кинетические константы связывания и высвобождения — помимо констант равновесия связывания — необходимы для моделирования действия лекарства, когда временные рамки связывания и высвобождения нельзя отделить от других конкурирующих процессов (Bernetti et al., 2017). Отношения между молекулярной структурой и кинетикой связывания (также называемые «структурно-кинетическими отношениями» или SKR) сложны, поскольку небольшие изменения в структуре могут изменить кинетические константы на порядки (Ayaz et al., 2016). Важно отметить, что изменения в кинетике не всегда связаны с изменениями в аффинности (Guo et al., 2014), и что для точного прогнозирования изменений в кинетике необходимы модели переходного состояния связывания лиганда для оценки переходного состояния. стабилизация или дестабилизация (Spagnuolo et al., 2017).

Вычислительные методы, которые выявляют структуры переходных состояний и рассчитывают константы скорости связывания ( k on ) и разрыва связывания ( k off ) для реальных соединений, находятся в зачаточном состоянии, но быстро развиваются (Dickson et al., 2017). Получение надежных значений этих величин является огромной проблемой, поскольку (1) они зависят от всего пути (не)связывания, а не только от его конечных точек, и (2) временные масштабы связывания и высвобождения лиганда часто превышают возможности молекулярных методов. моделирование динамики на порядки.Специализированные вычислительные платформы применялись для создания непрерывных путей связывания (Dror et al., 2011), хотя процесс разъединения, как правило, выходит за рамки моделирования молекулярной динамики для соединений, выходящих за рамки миллимолярных фрагментов лекарств (Guo et al., 2016; Pan et al. ., 2017). В недавних исследованиях использовались расширенные методы отбора проб в молекулярной динамике для моделирования путей (нес)связывания лиганда и определения механизмов и констант скорости k на и k на (Casasnovas et al., 2017; Тивари и др., 2017; Диксон, 2018 г.; Кох и др., 2018; Лотц и Диксон, 2018 г.; Бруно и др., 2019; Деб и Фрэнк, 2019 г.; Кирбергер и др., 2019; Диксон и др., 2020). Некоторые из этих констант скорости продемонстрировали на удивление хорошее согласие с экспериментом, учитывая необычайно длительные временные масштабы, однако они имеют мешающую неопределенность точности силового поля (Yin et al., 2017; Camilloni and Pietrucci, 2018), существует возможность для случайная отмена ошибки. К сожалению, вычислительные затраты, необходимые для прогнозирования этих величин, как правило, огромны (Camilloni and Pietrucci, 2018), особенно для больших белковых систем и лигандов с чрезвычайно длительным временем пребывания, что исключает изучение этих событий в ряде различных условий моделирования (например,г., силовые поля, модели воды, поляризуемость).

В области биомолекулярного моделирования «слепые испытания» — когда организаторы выпускают ряд задач, а работы участников оцениваются непосредственно по их согласию с экспериментом — были полезными катализаторами для разработки алгоритмов прогнозирования (Lensink et al., 2017; Synapse, 2018; Croll et al., 2019; Parks et al., 2020). Хотя в настоящее время не существует слепых испытаний для предсказания k на и k на , недавно мы приняли участие в SAMPL6 SAMPLing Challenge, который требовал от участников вычислить свободную энергию как функцию времени моделирования и сравнить вычислительная стоимость различных методов расчета свободной энергии (Dixon et al., 2018; Рицци и др., 2018, 2020). Эта задача позволяет оценивать методы выборки независимо от точности силового поля, поскольку во всех записях использовались одни и те же начальные координаты, параметры силового поля и частичные заряды. Важно отметить, что в задаче используются очень маленькие модельные системы (хост-гость), для моделирования которых требуется значительно меньше вычислительных ресурсов, что позволило нам эффективно смоделировать привязку и выпуск для ряда систем, определить 90 169 к, 90 170  на 90 172 и 90 169 к. от и предсказать значения свободной энергии связи (Δ G ), которые затем будут сравниваться с экспериментальными наблюдаемыми, а также с результатами алхимических методов возмущения свободной энергии (Gilson et al., 1997; Рубашки и ходера, 2008 г.).

Определена стандартная свободная энергия связывания в зависимости от констант скорости:

ΔG=-kBTln C0konkoff    (1)

, где C 0 — эталонная концентрация 1 моль/л. В этой статье мы подробно рассмотрим это уравнение и подробно изучим допущения, сделанные при вычислении констант скорости, используемых в уравнении (1), с помощью типичных симуляций с конечным размером ячейки и периодическими граничными условиями. В разделе 3.1 мы выводим три поправочных члена, которые можно легко вычислить и облегчить связь как с экспериментом, так и с алхимическими расчетами свободной энергии. Один термин объясняет конкретные определения связанных и несвязанных состояний. Второй член объясняет остаточные электростатические взаимодействия, которые все еще могут присутствовать между молекулами, что особенно полезно, если одна или обе молекулы несут явный заряд. Третий член учитывает объем несвязанного состояния в поле моделирования, что полезно для сохранения как можно меньшего объема моделируемого во время расчета скорости.Эти термины были получены, в частности, с учетом моделирования взвешенного ансамбля, где скорости вычисляются с использованием траекторного потока между двумя неравновесными ансамблями. Однако второй и третий члены могут быть непосредственно применены к другим методам моделирования, которые используют физическое моделирование ансамбля переходных путей, таким как моделирование марковского состояния (Singhal et al., 2004; Gu et al., 2014), метадинамика (Laio and Parrinello, 2002; Tiwary et al., 2017), вехи (Faradjian and Elber, 2004; Votapka et al., 2017) и зонтичная выборка (Torrie and Valleau, 1977; Nishikawa et al., 2018).

Чтобы изучить вопросы конвергенции, мы воспроизводим наши симуляции привязки и отвязки для системы хост-гость с большим количеством реплик и более длительным временем симуляции. Мы также исследуем влияние интегратора Ланжевена на предсказание скоростей связывания и связывания; в частности, как изменение коэффициента трения (γ), определенного в интеграторе Ланжевена, влияет на процессы связывания и высвобождения.Хотя γ не появляется в функции внутренней энергии и, следовательно, не может влиять на термодинамические свойства, такие как свободная энергия связи, мы исследуем, могут ли более низкие коэффициенты трения ускорить сходимость моделей развязывания.

2. Методы

2.1. Хост-гостевые системы

Система «хозяин-гость», используемая в этом исследовании, обозначается как «OA-G6» (рис. 1), где хозяин представляет собой полость Gibb с глубокой полостью, называемую «октакислотой» или «OA» (Gan et al. ., 2011). OA образует корзинообразную структуру с 4-кратной симметрией, функционализированную четырьмя заместителями бензойной кислоты на верхнем крае корзины и еще четырьмя заместителями на дне. Гостевой лиганд, который мы здесь изучаем, представляет собой 4-метилпентановую кислоту (обозначаемую как «G6»). Этот лиганд несет отрицательный заряд на карбоксильном конце алкильной цепи.

Рис. 1. (A) Исходное положение для системы OA-G6 (вид сбоку: слева, вид сверху: справа). Обратите внимание, что некоторые атомы из основы удалены на виде сбоку для ясности.Карбоксильные атомы кислорода показаны в виде сфер. (Б) Химическая структура лиганда G6 в депротонированной форме.

2.2. Молекулярная динамика

Конфигурация OA-G6 была получена от организаторов конкурса SAMPLing (Rizzi et al., 2020). Система была сольватирована в (примерно) кубическом ящике с длиной ящика 4,28, 4,33 и 4,33 нм в размерах ×, y и × соответственно. Предоставленная система имела в общей сложности 7976 атомов: 2586 молекул воды для сольватации системы, 12 ионов натрия и 3 иона хлорида для нейтрализации системы, а остальные атомы принадлежали либо хозяину, либо гостю.Параметры силового поля для системы предоставлены первоначальными организаторами испытания SAMPLing (Rizzi et al., 2018). Система была параметризована с использованием GAFF (Wang et al., 2004), а затем преобразована в формат Gromacs. Преобразование было выполнено с помощью ParmEd версии 2.7.3. OpenMM v7.2.1 (Eastman et al., 2017) использовался для запуска динамики с платформой CUDA v9.0.176. Баростат Монте-Карло используется для поддержания постоянного давления в 1 атм. Во всех симуляциях использовался временной шаг 2 фс.

Мы используем интегратор Ланжевена, который использует коэффициент сопротивления и фактор шума для учета трения молекул растворителя и высокоскоростных столкновений, возмущающих систему.Динамика Ланжевена позволяет контролировать температуру и может использоваться в качестве термостата; мы запускаем всю динамику здесь при 300 K. Наша система «хозяин-гость» распространяется с помощью уравнения Ланжевена, показанного ниже:

F=ma=-∇U(r)-mγv+2mγkBTτR(t)    (2)

где U ( R ) — это потенциал взаимодействия частиц, R ( T ) является случайным гауссовым шумоподавлением, оценивается каждый меток, T — это температура, K B — постоянная Больцмана, τ — временной шаг, γ — коэффициент трения в единицах обратного времени.Член трения играет здесь две разные роли, как модулируя второй член «сопротивления», так и гауссовский шум. Когда γ приближается к нулю, шум становится слабее, а динамика становится более детерминированной. Здесь мы запускаем моделирование связывания и разъединения со значениями γ 1,0, 0,1 и 0,01 пс -1 .

2.3. Повторное взвешивание ансамблей с помощью оптимизации дисперсии

Чтобы сгенерировать ансамбль событий отсоединения лиганда, нам необходимо использовать расширенную выборку, поскольку временная шкала событий отсоединения лиганда в этой системе чрезмерно велика: в предыдущих исследованиях мы обнаружили, что среднее время первого прохождения равно 2.1 с (Dixon et al., 2018), что на шесть порядков больше, чем досягаемость обычной выборки МД. В этой работе мы реализуем метод повторной выборки REVO, основанный на структуре взвешенного ансамбля (WE), чтобы поощрять выборку редких событий отмены/повторного связывания. WE ускоряет выборку редких событий, используя ансамбль траекторий, каждой из которых присваивается статистический вес (Huber and Kim, 1996). Ансамбль интегрируется вперед во времени параллельным образом и периодически «пересэмплируется» путем клонирования одних траекторий и слияния других.Когда траектория клонируется, ее вес делится между клонами, но многочисленные копии траектории продолжают развиваться независимо. Повторно клонируя траектории, которые находятся в областях пространства с недостаточной выборкой, мы можем получить статистику по событиям очень длительного времени, используя только краткосрочное моделирование.

Метод передискретизации REVO (Перевыборка ансамблей путем оптимизации вариаций) был разработан для эффективного выполнения операций клонирования и слияния на небольших ансамблях траекторий, которые развиваются в многомерных пространствах (Donyapour et al., 2019). Это полезно в ситуациях, когда трудно определить одну или две переменные хода выполнения, которые фиксируют интересующие события в долгосрочной шкале. В REVO предлагаются совмещенные операции клонирования и слияния (например, клонирование траектории i и траектории слияния j и k ) и принимаются или отклоняются на основе целевой функции, называемой «изменением траектории»:

V=∑iVi=∑i∑j(dij/d0)αϕiϕj    (3)

где D IJ — это расстояние между траекториями I и J , α и D 0 — это параметры, а φ x — это функция, которая измеряет важность или «новизна» траектории х , которая в нашей работе строго зависит от веса траектории: i вес траектории i и C константа.Траектории с наибольшими значениями V i в уравнении (3) выбираются для клонирования, а с наименьшими значениями V i выбираются для слияния. Более подробную информацию об алгоритме можно найти в предыдущей работе (Donyapour et al., 2019).

Мы запускаем отдельные симуляции для процессов привязки и отвязки. В наших симуляциях развязывания лиганды начинаются в связанном состоянии и заканчиваются, когда они развязываются. В моделировании повторного связывания лиганды начинаются в несвязанном состоянии и прекращают свое связывание.Функция расстояния ( d ij ), которую мы используем в уравнении (3), отличается для этих двух типов моделирования. Для моделирования несвязывания мы накладываем хосты из траекторий i и j , а затем вычисляем среднеквадратичное расстояние (RMSD) между гостевыми молекулами без какого-либо дальнейшего выравнивания (Dickson and Lotz, 2016, 2017). Так как в этой системе имеется 4-кратная симметрия, мы выполняем выравнивание четыре раза (по одному разу для каждого симметрично-эквивалентного отображения) и используем наименьшее такое расстояние как d ij .Для моделирования повторного связывания мы вычисляем расстояние до исходного состояния для каждой траектории ( d исходное ( X i )), которое снова принимает во внимание четыре отображения симметрии. наименьшее такое расстояние. Расстояние между траекториями I и J и J затем рассчитывается как D IJ = | 1/ D родных ( x I ) — 1 / D D Native ( x

2.4. Расчет ставок с помощью разделения ансамбля

Основным преимуществом метода REVO, как и других методов взвешенного ансамбля, является то, что он может рассчитывать кинетические параметры в режиме реального времени по ходу моделирования. Это достигается путем проведения отдельных симуляций для процессов связывания и разъединения и, в каждом случае, измерения траекторного потока в противоположный бассейн (Dickson et al., 2009, 2011; Vanden-Eijnden and Venturoli, 2009; Costaouec et al., 2013; Суарес и др., 2014). Несвязанный бассейн определяется как набор структур, в которых ближайшее межатомное расстояние «хозяин-гость» составляет> 1 нм, согласно предыдущей работе (Dickson and Lotz, 2016, 2017; Lotz and Dickson, 2018). Связанный бассейн определяется как набор структур, в которых СКО гостя (по сравнению с нативной структурой) составляет <0,1 нм после выравнивания с хозяином. Опять же, это измерение RMSD учитывает четыре эквивалентных по симметрии отображения OA.

В наших исследованиях моделирование связывания и повторного связывания REVO проводится отдельно.Однако методология получения ставок включения и выключения по существу одинакова. После каждого шага динамики, если ходок входит в противоположный бассейн, как описано выше, его вес записывается, а его структура «деформируется» обратно к исходной структуре в начале моделирования. Координаты атомов устанавливаются в исходную структуру, а скорости повторно инициализируются; однако вес траектории остается прежним. Перед событием деформации в исходную структуру записывается структура ходока, которая называется «точкой выхода».«В наших симуляциях развязывания исходной стартовой структурой является заданная исходная связанная поза. В наших симуляциях повторной привязки исходная начальная структура выбирается из набора точек выхода, созданных в результате симуляций отвязки. Таким образом, анализ отвязки был выполнен до инициализации и последующего запуска нашего моделирования повторной привязки.

Скорость выключения и включения рассчитывается с использованием потока траекторий в несвязанное или связанное состояние соответственно.

koff(t)=∑iwit    (4) kon(t)=∑iwiCt    (5)

, где сумма вычисляется по набору «искаженных» траекторий, t — прошедшее время моделирования, а C — концентрация лиганда, вычисляемая как 1/ V , где V — объем ящика. Объем коробки составлял примерно 80,2 нм 3 , что соответствует концентрации лиганда 0,0207 М.

Существует несколько ключевых различий между обсуждаемыми здесь моделями REVO и нашими предыдущими исследованиями (Dixon et al., 2018). Как для моделирования развязывания, так и для повторного связывания в этом исследовании общее время моделирования в 2,25 раза больше по сравнению с нашим предыдущим исследованием, поскольку наши текущие моделирования развязывания и повторного связывания выполнялись для 4500 и 450 циклов соответственно. Кроме того, для каждого из четырех коэффициентов трения было выполнено десять независимых симуляций развязывания, тогда как в нашем предыдущем исследовании было проведено только пять независимых симуляций для каждой начальной позы. Однако для каждого из коэффициентов было выполнено только пять независимых симуляций повторного связывания, поскольку мы наблюдаем гораздо меньшую вариацию в оценках k на .Наконец, в обоих исследованиях использовалось 48 ходунков, и время на цикл было одинаковым, где моделирование развязывания составляло 20 пс/цикл, а моделирование повторного связывания — 200 пс/цикл.

2.5. Расчет энергий электростатического взаимодействия

Электростатическая энергия между молекулами хозяина и гостя для использования во втором поправочном члене была рассчитана как: Eint=14πϵwQiQjrij, где Q a — частичный заряд атома a , используемый в силовом поле во время моделирования. r ij — межатомное расстояние между атомами i и j , рассчитанное с использованием соглашения о минимальном изображении. ϵw=6,88×10-10 Ф/м — диэлектрическая проницаемость воды при 300 К, рассчитанная путем линейной интерполяции диэлектрической проницаемости воды при 298,15 и 303,15 К (Archer and Wang, 1990).

3. Результаты

3.1. Вывод условий коррекции

Свободная энергия связывания может быть рассчитана с использованием констант скорости K на и к от Как ΔG = GBound-Gunbound = -ktln keqc0 = -ktln c0konkoff, где k EQ константа равновесия связывания, C 0 – эталонная концентрация 1 моль/л, k – постоянная Больцмана и T – температура в градусах Кельвина.Хотя это соотношение правильно в макроскопическом пределе, оно не учитывает размер ящика и объем несвязанного состояния в конечных средах моделирования с периодическими граничными условиями. Здесь мы получаем более точное выражение для свободной энергии связи, которое учитывает конечный размер ящика в типичном моделировании МД.

Нашей отправной точкой является выражение для K eq , которое справедливо для разбавленного раствора в термодинамическом равновесии.Мы используем обозначения Ву и Ру (см. уравнение 4 из Ву и Ру, 2005 г.):

. Keq=∫boundd1∫dXe-βU∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU    (6)

где U — внутренняя энергия системы, β = 1/ кТл — обратная температура, r 1 — центр масс лиганда (называемого «гостевой» молекулой) и r1* — произвольная позиция гостя в массе. Обратите внимание, что d 1 интегрируется по гостевым позициям, а d X интегрируется по всему остальному: степеням свободы хозяина и растворителя.Заметим также, что K eq имеет единицы объема, поскольку дельта-функция, ограничивающая центр масс в знаменателе, удаляет три пространственные степени свободы.

Здесь мы исследуем расчет свободных энергий с использованием скоростей, определенных из расщепленных расчетов ансамбля (рис. 2, см. раздел 2.4 для более подробной информации). Обозначим вероятности этих двух ансамблей как π b и π u , где π b + π u 10172 = 9,03 и: πbπu=ϕu→bϕb→u    (7)

, где ϕ a b — усредненный по времени поток от ансамбля a к ансамблю b (т.е., через пунктирные линии на рис. 2). Равновесная вероятность положения X может быть получена путем объединения оценок из обоих ансамблей:

p(X)=pu(X)πu+pb(X)πb    (8)

Где P A ( x ) — вероятность конформации x В ансамбле x в ансамбле 9 a , который нормализован такой, что ∫ P A ( x ) D х = 1.

Рисунок 2 .Разделение равновесного ансамбля (A) на два ансамбля, зависящих от истории, с использованием бассейнов. Связанные и несвязанные бассейны показаны серым и светло-оранжевым цветом соответственно. Ансамбль развязывания ( B , вверху) содержит все траектории, которые в последний раз посещали связанный бассейн, которые показаны черным цветом. Ансамбль связывания ( B , внизу, также называемый ансамблем «повторного связывания») содержит все траектории, которые в последний раз посещали несвязанный бассейн, показанные красным цветом. Моделирование в данном ансамбле завершается, как только они достигают целевого бассейна и, таким образом, переключают ансамбли.Траекторный поток между ансамблями обозначается ϕ u b и ϕ b u . Величина π b относится к вероятности всего ансамбля вершин, а величина f b обозначает вероятность связанного бассейна в пределах несвязывающего ансамбля.

. Определим связанное состояние как область интеграла в числителе уравнения (6), а несвязанное состояние — как набор структур, считающихся несвязанными при моделировании (не то же самое, что объемное состояние в уравнении 6).Эти состояния показаны заштрихованными областями на рисунке 2. Отношение вероятностей этих двух состояний в равновесии определяется как:

pboundpunbound=∫boundd1∫dXe-βU∫unboundd1∫dXe-βU    (9)

, которое также можно рассчитать в наших симуляциях ансамблевого расщепления:

pboundpunbound=πb∫boundpb(X)dXπu∫unboundpu(X)dX=πbfbπufu    (10)

где f a — вероятность состояния бассейна в ансамбле a .

Расширяя уравнение (6) мы имеем:

Keq=∫boundd1∫dXe-βU∫unboundd1∫dXe-βU∫unboundd1∫dXe-βU∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU        =πbfbπufu∫unboundd1∫dXe-βU∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU -βУ.(11)

Несвязанное состояние в моделировании находится достаточно далеко, чтобы хозяин и гость не взаимодействовали напрямую посредством ван-дер-ваальсовых взаимодействий, хотя, если обе молекулы несут явный заряд — как в рассмотренном здесь примере — все еще могут иметь место значительные электростатические взаимодействия хозяин-гость. . Чтобы учесть это, мы вводим другое промежуточное состояние с измененной функцией энергии ( U * ), которое такое же, как U , за исключением того, что оно не включает электростатические взаимодействия между хозяином и гостем:

Keq=πbfbπufu∫unboundd1∫dXe-βU∫unboundd1∫dXe-βU*∫unboundd1∫dXe-βU*∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU    (12) =πbfbπufu〈eβEint〉unb-1∫unboundd1∫dXe-βU*∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU    (13)

, где Eint=U-U*, а нижний индекс «unb» указывает среднее по ансамблю структур в несвязанном состоянии, полученное с помощью функции нормальной энергии U .Обратите внимание, что на последнем шаге использовалось соотношение:

∫unboundd1∫dXe-βU*∫unboundd1∫dXe-βU=∫unboundd1∫dXeβEinte-βU∫unboundd1∫dXe-βU=〈eβEint〉unb. (14)

Теперь мы можем разумно предположить, что гость в несвязанном состоянии не взаимодействует с хостом. Это позволяет нам записать e −β U в виде e-βUGe-βUHS, где U G — члены функции энергии, зависящие только от координат гостя, а U HS — термины, которые зависят только от носителя и растворителя.Затем мы можем извлечь интеграл ∫dXe-βUHS из числителя и знаменателя последнего члена уравнения (11):

∫неограниченный d1∫dXe-βU*∫bulkd1δ(r1-r1*)∫dXe-βU=∫неограниченный d1e-βUG∫bulkd1δ(r1-r1*)e-βUG. (15)

Нижний интеграл имеет фиксированный центр масс лиганда и только по внутренним и вращательным степеням свободы лиганда. Его также можно отделить и удалить из числителя, что упрощает отношение до объема несвязанного состояния, определяемого как:

. Vunbound=∫unboundd1e-βUG∫guestdG1e-βUG=∫boxdRϕu(R)    (16)

где мы используем G 1 для обозначения внутренних и вращательных степеней свободы гостя, которые остаются после спецификации r 1 .Величина ϕ u ( R ) представляет собой долю конформеров с центром масс R , которые удовлетворяют несвязанным граничным условиям: здесь все гостевые атомы находятся дальше, чем на расстоянии отсечки 1 нм от гостья. Этот интеграл можно рассчитать методом Монте-Карло, где положение центра масс и ориентация лиганда генерируется случайным образом, и регистрируется количество успешных несвязанных конформеров:

. Vunbound=VboxNunboundNtrials. (17)

Обратите внимание, что для больших коробок V несвязанных V коробка .

Собираем все вместе, получаем:

Keq=πbfbπufu〈eβEint〉unb-1Vunbound,    (18)

, что отличается от прямой интерпретации, использованной в нашей предыдущей работе (Dixon et al., 2018):

Keq0=πbπu[L]=πbπuVbox    (19)

Используя Δ G = − kT ln( K eq C 0 ), мы имеем:

ΔG=ΔG0-kTln (fbfu)+kTln〈eβEint〉unb-kTln (VunboundVbox)    (20)

, который явно показывает Δ G как сумму Δ G 0 =-kTln(Keq0C0) и трех вновь полученных поправочных членов.Первый член будет стремиться к нулю в том пределе, что состояния бассейна выбраны так, чтобы представлять подавляющее большинство вероятностей как в связывающих, так и в несвязывающих ансамблях. Другими словами, этот член стремится к нулю, когда оба числа f b и f u приближаются к единице. Вторым членом, вероятно, нельзя пренебречь только в случае явно заряженных молекул-хозяев и гостей, и независимо от этого он будет стремиться к нулю по мере того, как определение несвязанного состояния перемещается все дальше и дальше.Третий член также будет стремиться к нулю для больших блоков моделирования, но на практике это часто невозможно из-за вычислительных ограничений. Следовательно, V несвязанный / V коробка может быть намного меньше единицы, внося поправку в положительном направлении. Ниже мы вычисляем эти три поправочных члена и применяем их к расчетам свободной энергии.

3.2. Ансамбли с увеличенной траекторией с более низкими коэффициентами трения

В предыдущей работе мы использовали интегратор Ланжевена со значением γ = 1 пс −1 для коэффициента трения.Поскольку в симуляциях уже есть явный растворитель, это добавляет в систему дополнительное трение, которое не является физическим. Здесь мы исследуем, повлияет ли уменьшение γ до значений меньше единицы на наши расчеты скорости. Таким образом, мы запускаем набор ансамблей траекторий при нескольких значениях γ и расширяем каждый ансамбль, чтобы он был больше и длиннее, чем те, которые были опубликованы в нашем предыдущем исследовании (Dixon et al., 2018), чтобы более полно изучить вопросы сходимости.

Поскольку γ определяет связь с термостатом Ланжевена, мы определяем минимальное значение γ, при котором поддерживается наша целевая температура (300 K).Сначала мы провели серию коротких симуляций (одна траектория 10 нс для каждого γ) и обнаружили, что контроль температуры полностью теряется при коэффициентах трения менее γ = 0,001 (рис. 3А). Затем мы провели более длительные симуляции для γ = 1, 0,1, 0,01 и 0,001, исследуя не только среднюю температуру, но и вероятность значительных колебаний температуры, которые могут привести к аномальным результатам в наших симуляциях диссоциации лиганда. На рис. 3В показано распределение вероятностей наблюдаемых температур по ансамблю из 240 траекторий, проходящих по 90 нс каждая.Для γ = 0,01, 0,1 и 1 пс −1 распределение температуры нормально распределяется вокруг среднего значения (300 K), как видно из параболических кривых в логарифмическом масштабе. Температурный контроль не полностью сохраняется для γ = 0,001 пс 90 211 -1 90 212 , как показано сдвигом вправо и небольшим расширением параболического распределения. Таким образом, мы ограничиваем наш анализ тремя значениями коэффициента трения: γ = 0,01, 0,1 и 1 пс -1 .

Рис. 3. (A) Средние температуры, наблюдаемые при кратковременном моделировании для различных коэффициентов трения (γ). (B) Вероятностные распределения наблюдаемых температур из ансамблей более длинных симуляций с разными γ.

Мы запускаем симуляции REVO как для отмены, так и для повторной привязки для системы OAG6. Для снятия привязки мы провели 10 симуляций для каждого из трех коэффициентов трения; для повторного связывания мы провели пять симуляций для каждого коэффициента, что дало в общей сложности 30 симуляций для развязывания и 15 симуляций для повторного связывания. Набор симуляций связывания и разъединения также выполнялся для γ = 0.001, несмотря на нарушение контроля температуры, о котором сообщается в дополнительной информации. Оценки потоков развязывания и связывания показаны на рисунке 4, где каждая кривая представляет собой отдельное моделирование REVO. Средние значения, показанные жирной линией, рассчитываются путем усреднения траекторного потока по всему набору моделей для этого значения γ. Скачки вверх на этих графиках указывают на то, что была зарегистрирована точка выхода, имеющая более высокий вес, чем наблюдалось ранее.

Рисунок 4 . Предсказанный on- (вверху) и off-rates (внизу) в зависимости от времени моделирования. Каждая панель помечена в соответствии с коэффициентом трения, используемым для этого набора симуляций. Независимые симуляции показаны оттенками оранжевого (k на ) и синего (k на ), а средние значения показаны жирными черными линиями.

При снижении γ до значений <1 мы не наблюдали изменения скорости связывания и небольшие изменения скорости несвязывания, которые находятся на границе значимости.Что касается скоростей разъединения, два самых больших коэффициента трения дали наименьшую ошибку, а аналогичные значения k off , где γ = 1, дали среднюю скорость разъединения 16,4 с −1 , а γ = 0,1 дали скорость разброса 16,4 с 11,5 с −1 . Скорость смещения увеличилась в 10 раз для γ = 0,01, хотя это в основном обусловлено точками выхода, наблюдаемыми в одном моделировании. В наших предыдущих результатах OA-G6 с использованием γ = 1 мы рассчитали скорость отсоединения 0,48 с 90 211 -1 90 212, что немного отличается от значения, рассчитанного в этом исследовании с использованием γ = 1 (таблица 1).Скорость отсоединения для γ = 0,001 пс -1 была примерно в 1000 раз выше, хотя известно, что на нее влияет более высокая средняя температура (дополнительная информация). При более внимательном рассмотрении коэффициентов связывания мы не увидели заметной разницы в коэффициентах трения. Скорость связывания составляла приблизительно 10 9 с −1 M −1 для всех коэффициентов трения, что было примерно в 5 раз больше по сравнению с нашим предыдущим исследованием с использованием γ = 1. Как для скорости связывания, так и для скорости разъединения мы больше доверяют полученным здесь результатам, так как они основаны на более обширных данных моделирования.

Таблица 1 . Скорости связывания и разрыхления в зависимости от коэффициента трения (γ).

Как для моделирования развязывания, так и для моделирования повторного связывания, для всех коэффициентов трения, мы наблюдали не менее 1000 событий деформации (рисунок S4). Как и ожидалось, мы наблюдаем, что повторное связывание происходит с гораздо большей вероятностью по сравнению с несвязыванием, на несколько порядков. Веса отвязывающих ходоков ограничены в нижней части минимальной вероятностью ходячих ( p min ), которая установлена ​​равной 10 −12 .Веса перепривязываемых ходячих ограничены в верхней части максимальной вероятностью ходячих ( p max ), которая установлена ​​равной 10 −1 . соответственно. На рисунке S4 показано, что 10-кратное увеличение скорости отсоединения для γ = 0,01 было в значительной степени связано с одной точкой отсоединения в одном моделировании, что подчеркивает чувствительность и неопределенность расчетов скорости с использованием траекторных потоков. На рисунке S2 показаны несвязывающие потоки для γ = 0,001, которые, как известно, имеют повышенные температуры.Там мы видим большое количество событий отвязки с большим весом в двух разных симуляциях, что приводит к 1000-кратному увеличению k по сравнению с .

3.3. Оценки свободной энергии, условия коррекции и сравнение с предыдущими контрольными показателями

Поскольку коэффициент трения неравномерно влиял на скорость связывания и разъединения, имело место чистое влияние на свободную энергию связывания. Как показано на рисунке 5 и в таблице 2, свободная энергия связи увеличивается по мере снижения коэффициента трения, независимо от поправок на свободную энергию, полученных в разделе 3.1. В таблице 2 показаны свободные энергии, рассчитанные с использованием усредненных потоков по всем моделям при каждом значении γ. Для всех коэффициентов трения расчетная свободная энергия всегда была выше, чем в нашем предыдущем исследовании (-12,1 ккал / моль; красная линия), даже для γ = 1, что означает, что увеличение времени моделирования помогло в прогнозировании экспериментально определенных свободных энергий связи.

Рисунок 5 . Свободные энергии как функция коэффициента трения. Темно-синяя линия показывает нескорректированную свободную энергию, рассчитанную для трех различных значений γ.Голубой линией показаны скорректированные значения, сдвинутые вверх на 2,72 ккал/моль. Тонкая красная линия показывает значение, указанное в Dixon et al. (2018), в котором использовался коэффициент трения 1,0 пс 90 211 −1 90 212 и использовался меньший набор данных, чем сообщается здесь. Черная горизонтальная линия показывает значение расчетного эталона, рассчитанного с использованием алхимического возмущения, о котором сообщается в Rizzi et al. (2020). Пунктирная серая линия показывает экспериментальное измерение, описанное Sullivan et al.(2019). Заштрихованная область для каждой линии показывает связанную с ней неопределенность, которая меньше, чем толщина линии для расчетного эталона и экспериментального измерения.

Таблица 2 . Необработанные (Δ G 0 ) и скорректированные (Δ G корр. ) значения свободной энергии с использованием данных моделирования для трех различных коэффициентов трения.

Поправочные условия рассчитываются с использованием данных, полученных при моделировании, но в основном они являются функциями геометрических свойств области моделирования и граничных условий, и не ожидается, что они изменятся в зависимости от γ.Первый срок, — KT LN F B B / F U , был рассчитан на 0,74 ± 0,10 ккал / моль, с F B и F u , принимающие значения 0,157 и 0,54 соответственно. Как описано в разделе 3.1, f b — это вероятность нахождения в связанном бассейне при условии, что вы находитесь в несвязывающем ансамбле, которая рассчитывается с использованием суммы весов траекторий в связанном бассейне, разделенных на общую сумму весов рассматриваемых траекторий.В частности, значение f b оказалось ниже ожидаемого, что указывает на то, что наше определение связанного состояния может быть слишком ограничительным, даже несмотря на то, что мы учли все конформации, эквивалентные симметрии, в нашем расчете f б .

Второй член, +kTln〈eβEint〉unb, был рассчитан как 1,64 ± 0,002 ккал/моль. Это было рассчитано путем определения энергий электростатического взаимодействия (см. раздел 2.5) для набора несвязанных состояний, наблюдаемых при моделировании повторного связывания.Ожидаемое значение в поправочном члене снова учитывало веса траекторий и было рассчитано с использованием 71 428 измерений энергии взаимодействия, которые были выбраны из несвязанного ансамбля. Неопределенность вычислялась как стандартная ошибка среднего значения этого набора энергий. Чтобы вычислить третий поправочный член, -kTln(VunboundVbox), мы напрямую оценили V несвязанных / V box , используя процедуру Монте-Карло, описанную в разделе 3.1. Отношение было рассчитано как 0.56 ± 0,0037 с использованием пяти партий по 10 000 испытаний в каждой, где неопределенность представляет собой стандартную ошибку среднего значения по наборам испытаний.

В сумме эти три члена составляют 2,72 ккал/моль, что является существенной поправкой к рассчитанной здесь свободной энергии связи. Более половины этого приходится на остаточную энергию электростатического взаимодействия между хозяином и гостем. Обратите внимание, что и хозяин, и гость имеют отрицательный заряд, а остаточное взаимодействие между двумя молекулами отталкивает.Выключение этого взаимодействия высвобождает 1,64 ккал/моль энергии, что уменьшает свободную энергетическую щель между связанным и несвязанным состояниями. Скорректированные и нескорректированные свободные энергии показаны как функция γ на рисунке 5. Для γ ≥ 0,01 расчетные свободные энергии почти равны в пределах стандартной ошибки, а поправочные члены значительно уменьшают ошибку по отношению к эталонному расчетному значению (Rizzi et al. др., 2018, 2020).

4. Обсуждение и заключение

В этом исследовании мы стремились лучше связать расчет скоростей связывания и несвязывания с расчетом свободных энергий связывания.Расчеты скоростей измеряли микроскопические потоки траекторий из одного бассейна в другой. Эти потоки можно визуализировать в расширенном, зависящем от истории конформационном пространстве, где траектории меняют свой «цвет» в зависимости от того, какой бассейн («связанный» или «несвязанный») они посетили в последний раз (Dickson et al., 2009, 2011; Vanden -Eijnden and Venturoli, 2009; Costaouec et al., 2013; Suárez et al., 2014. Соотношение этих скоростей дает отношение двух популяций: траекторий, которые последними посетили «связанный» бассейн, и траекторий, которые совсем недавно посетили «несвязанный» бассейн.Первый поправочный член регулирует это соотношение, чтобы вместо этого учитывать только вероятность, содержащуюся в самих бассейнах, и относится к коэффициентам, которые рассчитываются с использованием этого формализма, зависящего от истории. Третий член можно рассматривать как поправочный член объема, который используется для точного учета объема в несвязанном состоянии. Это делается в других подходах, где используются ограничения, например, в методах, основанных на расчете потенциала средней силы (Deng and Roux, 2009). В нашем случае несвязанное состояние не может быть легко аппроксимировано геометрическим объектом, таким как объем сферической оболочки.

Второй член учитывает остаточные взаимодействия в несвязанном ансамбле. Это может быть использовано другими подходами, которые непосредственно определяют разницу в свободной энергии между связанными и несвязанными конформациями, такими как моделирование марковского состояния, метадинамика, вехи и зонтичная выборка. Обычный подход состоит в том, чтобы определить достаточно большую область моделирования, чтобы взаимодействие между хостом и гостем было незначительным в несвязанном состоянии. Однако это может значительно увеличить стоимость моделирования.Стоит отметить, что результаты зонтичной выборки для этой системы (OA-G6), полученные Song et al. (2018), -8,50 ккал/моль, также были ниже как расчетного эталона, так и экспериментального значения. Их несвязанное состояние определялось как расстояние в 20 Å между атомом в госте и фиктивным атомом в центре хозяина, что примерно сравнимо с нашим несвязанным бассейном в 10 Å зазора между хозяином и гостем. Предполагая аналогичное значение члена электростатической поправки, это привело бы к их прогнозу до -6.86 ккал/моль, что соответствует расчетным показателям (Rizzi et al., 2020).

Электростатический термин также можно рассматривать как своего рода «разъединение» между хозяином и гостем, и оправдано обсуждение сходств и различий с аналогичными процедурами в алхимических методах свободной энергии. Они похожи тем, что мы вычисляем свободную энергию между двумя гамильтонианами, в одном из которых взаимодействие выключено. Таким образом, мы могли бы использовать аналогичные методы для вычисления этих разностей свободной энергии, такие как термодинамическое интегрирование (Kirkwood, 1935; Bhati et al., 2019), BAR (Gutiérrez et al., 2019), MBAR (Shirts and Chodera, 2008; Bhati et al., 2019) или MM/PBSA (Rifai et al., 2019), хотя здесь мы эффективно используем простой выражение возмущения свободной энергии (FEP) (Zwanzig, 1954; Jorgensen and Thomas, 2008). Подходы отличаются тем, что мы рассматриваем только ансамбли структур, где отключаемые взаимодействия относительно слабы. Здесь мы предполагаем — как всегда в случае с FEP — что конформационные ансамбли как хозяина, так и гостя сильно перекрываются между двумя гамильтонианами, что значительно упрощает проблему.Мы также отмечаем, что, хотя мы используем электростатическую развязку для вычисления свободных энергий, наши симуляции по-прежнему раскрывают важную информацию о кинетике и механизме (разъединения) связывания.

Учитывая эти поправочные условия для аффинности связывания, разумно задаться вопросом, следует ли и как модифицировать константы скорости. Каждое из условий коррекции имеет эффект «ослабления» взаимодействия, указывая на то, что либо скорректированная скорость отклонения должна увеличиваться, либо скорректированная скорость включения должна уменьшаться.Разумно предположить, что подавляющая часть этой коррекции должна объясняться снижением скорости включения, поскольку измеренная скорость включения начинается с несвязанной конформации, которая намного ближе (зазор в 1 нм между хозяином и гостем), чем скорее всего в экспериментальных условиях. Более точные расчеты скорости связывания могут быть достигнуты при улучшении выборки несвязанного состояния, например, с использованием метода Northrup-Allison-McCammon (Northrup et al., 1984). Было бы интересно посмотреть, смогут ли такие расчеты воспроизвести часть наблюдаемых здесь различий в свободной энергии.

Мы также рассмотрели роль, которую интегратор Ланжевена играет в предсказании кинетических и термодинамических величин. В частности, мы скорректировали коэффициент трения (γ), определенный в интеграторе Ланжевена, при сохранении стабильности температуры на уровне 300 К. Мы не ожидали, что изменение коэффициента трения повлияет на расчет равновесных величин. Поскольку γ не появляется в гамильтониане системы, он не должен влиять на вероятность данного микросостояния P ( X ), которая определяется канонической плотностью вероятности exp(−β U ( X )).Хотя мы действительно ожидали, что это повлияет на скорость, мы ожидали, что эти эффекты будут компенсированы: если развязывание будет ускорено в 10 раз, мы увидим, что процесс связывания будет ускорен на тот же фактор. Однако мы наблюдаем, что скорость включения была очень стабильной в зависимости от γ, в то время как скорость диссоциации менялась незначительно. Одно из объяснений состоит в том, что отвязка — гораздо более редкое событие по сравнению с повторной привязкой, и оценки 90 169 000 90 170 90 171 из 90 172 не сошлись. Более низкие коэффициенты трения могут ускорить выборку этих событий и облегчить наблюдение за тем, как ходоки с более высокой вероятностью освобождаются в наших симуляциях.

Сходимость имеет первостепенное значение при взвешенном ансамблевом моделировании, которое вычисляет кинетические величины. В нашем предыдущем исследовании мы выдвинули гипотезу о том, что, возможно, увеличение времени симуляции развязывания может зафиксировать больше ходячих с большим весом, выходящих из связанного состояния. Действительно, в этом исследовании мы наблюдаем более высокий поток разъединения при всех коэффициентах трения. На рисунке 4 мы наблюдаем большие скачки вверх для всех значений γ даже после 40 нс времени моделирования на одного ходока, что было пределом выборки в нашем предыдущем исследовании.Эти восходящие скачки, как описано ранее, означают, что была зарегистрирована точка выхода, имеющая более высокий вес, чем наблюдалось ранее. Это подчеркивает проблемы, связанные с точным определением потоков скоростей для редких событий. Стоит отметить, что, используя наши поправочные члены для учета небольших несвязанных объемов и постоянных, но небольших электростатических взаимодействий в несвязанном состоянии, мы можем поддерживать небольшие размеры ящиков, обеспечивая лучшую сходимость потоков скоростей при фиксированных вычислительных затратах.

Конечно, свободная энергия связывания сама по себе по-прежнему является важной величиной для разработки лекарств (Homeyer et al., 2014). Если кого-то интересует только абсолютная свободная энергия связи, вычисление ее через отношение скоростей излишне сложно; свободная энергия является функцией состояния и, следовательно, зависит только от конечных точек пути связывания. Предсказание k на и k на само по себе является сложной задачей, поскольку они не являются функциями состояния: они зависят от ансамбля путей перехода между связанным и несвязанным состоянием.Отбор проб этих физических путей является большой проблемой для молекулярной динамики, в основном из-за длительных временных масштабов процессов связывания и высвобождения. Обеспечение того, чтобы соотношение скоростей согласовывалось с расчетами связывающей свободной энергии, как это сделано здесь, обеспечивает дополнительную мощную проверку согласованности. В частности, сравнение с хорошо сходящимися вычислительными тестами более полезно, чем с экспериментальными величинами, поскольку мы избегаем дополнительного слоя неопределенности, связанного с силовым полем, используемым для описания системы.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Вклад авторов

г. н.э. разработал проект. RH, TD и AD провели исследование, анализ и написали рукопись.

Финансирование

Эта работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения (R01GM130794) и Национальным научным фондом (DMS 1761320).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmolb.2020.00106/full#supplementary-material

.

Каталожные номера

Арчер Д. и Ван П. (1990). Диэлектрическая проницаемость воды и наклон закона ограничения Дебая-Хюккеля. J. Phys. хим. Ссылаться. Данные 19, 371–411. дои: 10.1063/1.555853

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Аяз, П., Andres, D., Kwiatkowski, D.A., Kolbe, C.C., Lienau, P., Siemeister, G., et al. (2016). Конформационная адаптация может объяснить медленную кинетику диссоциации роникициклиба (BAY 1000394), ингибитора CDK I типа с кинетической селективностью в отношении CDK2 и CDK9. ACS Хим. Биол . 11, 1710–1719. doi: 10.1021/acschembio.6b00074

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бернетти, М., Кавалли, А., и Моллика, Л. (2017). Кинетика (не)связывания белков-лигандов как новая парадигма открытия лекарств на перекрестке между экспериментами и моделированием. Мед. хим. Коммуна . 8, 534–550. дои: 10.1039/C6MD00581K

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бхати, А. П., Ван, С., и Ковени, П. В. (2019). Алхимические методы обмена свободной энергией на основе ансамбля реплик: влияние белковых мутаций на связывание ингибитора. J. Chem. Теория вычислений . 15, 1265–1277. doi: 10.1021/acs.jctc.8b01118

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Брюс, Нью-Джерси, Ганотра, Г.К., Кох, Д.Б., Садик, С.К., и Уэйд, Р.К. (2018). Новые подходы к расчету кинетики связывания лиганда с рецептором. Курс. мнение Структура Биол . 49, 1–10. doi: 10.1016/j.sbi.2017.10.001

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бруно А., Баррези Э., Симола Н., Да Поццо Э., Коста Б., Новеллино Э. и др. (2019). Отсоединение лигандов белка-транслокатора 18 кДа (TSPO): от времени пребывания in vitro до эффективности in vivo посредством моделирования in silico. ACS Хим. Нейроски . 10, 3805–3814. doi: 10.1021/acschemneuro.9b00300

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Камиллони, К., и Пьетруччи, Ф. (2018). Передовые методы моделирования для термодинамической и кинетической характеристики биологических систем. Доп. Физ . 2018:1477531. дои: 10.1080/23746149.2018.1477531

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кэрролл М.Дж., Молдин Р.В., Громова А.В., Синглтон, С.Ф., Эдвард, Дж., и Ли, А.Л. (2012). Доказательства динамики белков как механизма диссоциации лигандов. Нац. хим. Биол . 8, 246–252. doi: 10.1038/nchembio.769

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Казасновас, Р., Лимонджелли, В., Тивари, П., Карлони, П., и Парринелло, М. (2017). Кинетика отсоединения ингибитора киназы P38 MAP типа II на основе моделирования метадинамики. Дж. Ам. хим. Соц . 139, 4780–4788.doi: 10.1021/jacs.6b12950

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Коста Б., Да Поццо Э., Джакомелли К., Баррези Э., Талиани С., Да Сеттимо Ф. и др. (2016). Время пребывания лиганда TSPO: новый параметр для прогнозирования нейростероидогенной эффективности соединений. наук. Реп . 6:18164. дои: 10.1038/srep18164

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Костауэк, Р., Фэн, Х., Изагирре, Дж., и Дарв, Э. (2013).Анализ методики ускоренного взвешенного ансамбля. Дискретный прод. Дин. Сист . 2013, 171–181. doi: 10.3934/proc.2013.2013.171

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Деб И. и Франк А. Т. (2019). Ускорение редких диссоциативных процессов в биомолекулах с использованием выборочно масштабируемых МД-симуляций. J. Chem. Теория вычислений . 15, 5817–5828. doi: 10.1021/acs.jctc.9b00262

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон, А.и Лотц, С. (2017). Множественные пути отсоединения лиганда и лиганд-индуцированная дестабилизация, выявленные WEExplore. Биофиз. Дж . 112, 620–629. doi: 10.1016/j.bpj.2017.01.006

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон, А., и Лотц, С.Д. (2016). Пути высвобождения лиганда, полученные с помощью WEExplore: время пребывания и механизмы. J. Phys. хим. Б 120, 5377–5385. doi: 10.1021/acs.jpcb.6b04012

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон, А., Maienschein-Cline, M., Tovo-Dwyer, A., Hammond, JR, и Dinner, A.R. (2011). Зависимое от потока развертывание и рефолдинг РНК с помощью неравновесной зонтичной выборки. J. Chem. Теория вычислений . 7, 2710–2720. дои: 10.1021/ct200371n

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон, А., Тивари, П., и Вашист, Х. (2017). Кинетика связывания лиганда с помощью передовых вычислительных подходов: обзор. Курс. Верхняя. Мед. Химия . 17, 2626–2641.дои: 10.2174/1568026617666170414142908

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон, А., Уормфлэш, А., и Диннер, А. Р. (2009). Разделение прямых и обратных путей в неравновесной зонтичной выборке. J. Chem. Физ . 136:154104. дои: 10.1063/1.3244561

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон Т., Лотц С. Д. и Диксон А. (2018). Прогнозирование аффинности связывания лиганда с использованием скоростей включения и выключения для пробы SAMPL6 SAMPLing. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дизайн 32, 1001–1012. doi: 10.1007/s10822-018-0149-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Диксон Т., Уяр А., Фергюсон-Миллер С. и Диксон А. (2020). Мембранно-опосредованное отсоединение лиганда PK-11195 от белка-транслокатора (TSPO). биоРксив . дои: 10.1101/2020.01.21.7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дрор Р.О., Пан А.С., Арлоу Д.Х., Борхани Д.В., Марагакис П., Шан Ю. и др. (2011). Путь и механизм связывания лекарств с рецепторами, связанными с G-белками. Проц. Натл. акад. науч. США . 108, 13118–13123. doi: 10.1073/pnas.1104614108

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Истман, П., Суэйлс, Дж., Чодера, Дж. Д., МакГиббон, Р. Т., Чжао, Ю., Бошан, К. А., и соавт. (2017). OpenMM 7: быстрая разработка высокопроизводительных алгоритмов молекулярной динамики. Вычисление PLoS. Биол .13:e1005659. doi: 10.1371/journal.pcbi.1005659

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гилсон, М.К., Гивен, Дж.А., Буш, Б.Л., и Маккаммон, Дж.А. (1997). Статистико-термодинамическая основа для расчета сродства связывания: критический обзор. Биофиз. Дж . 72, 1047–1069. doi: 10.1016/S0006-3495(97)78756-3

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гу, С., Сильва, Д. А., Мэн, Л., Юэ, А. и Хуан, X.(2014). Количественная характеристика механизмов связывания лиганда белком, связывающим холин, с использованием анализа марковской модели состояния. Вычисление PLoS. Биол . 10:e1003767. doi: 10.1371/journal.pcbi.1003767

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Го, Д., Хейтман, Л. Х., и Айзерман, А. П. (2016). Дополнительная ценность оценки кинетики связывания лиганда с рецептором при открытии лекарств. АКС Мед. хим. Письмо . 7, 819–821. doi: 10.1021/acsmedchemlett.6b00273

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Guo, D., Xia, L., van Veldhoven, J.P.D., Hazeu, M., Mocking, T., Brussee, J., et al. (2014). Кинетика связывания производных ZM241385 с аденозиновым рецептором A 2A человека. ХимМедХим 9, 752–761. doi: 10.1002/cmdc.201300474

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Гутьеррес, М., Вальехос, Г. А., Кортес, М. П., и Бустос, К. (2019). Метод коэффициента приемлемости Беннета для расчета свободной энергии связывания ингибиторов bace1: теоретическая модель и дизайн новых лигандов фермента. Хим. биол. Препарат Des . 93, 1117–1128. doi: 10.1111/cbdd.13456

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хомейер, Н., Столл, Ф., Хиллиш, А., и Гольке, Х. (2014). Расчеты свободной энергии связывания для оптимизации свинца: оценка их точности в контексте промышленного дизайна лекарств. J. Chem. Теория вычислений . 10, 3331–3344. дои: 10.1021/ct5000296

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Йоргенсен, В.Л. и Томас Л.Л. (2008). Перспективы расчета возмущений свободной энергии для химических равновесий. J. Chem. Теория вычислений . 6, 869–876. дои: 10.1021/ct800011m

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Kirberger, S.E., Ycas, P.D., Johnson, J.A., Chen, C., Ciccone, M.F., Woo, R.W., et al. (2019). Селективность, деконструкция лиганда и анализ клеточной активности ингибитора бромодомена BPTF. Орган. биомол. Химия .17, 2020–2027 гг. дои: 10.1039/C8OB02599A

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Кох Д.Б., Амарал М., Бомке Дж., Грэдлер У., Мусил Д., Бухсталлер Х.П. и соавт. (2018). Оценка времени пребывания лекарственной мишени с помощью моделирования молекулярной динамики τ-случайного ускорения. J. Chem. Теория вычислений . 14, 3859–3869. doi: 10.1021/acs.jctc.8b00230

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли, К. С. С., Yang, J., Niu, J., Ng, C.J., Wagner, K.M., Dong, H., et al. (2019). Время пребывания лекарственного средства в мишени влияет на занятость мишени in vivo несколькими путями. Центральный научный центр ACS . 5, 1614–1624. doi: 10.1021/acscentsci.9b00770

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лотц, С. Д., и Диксон, А. (2018). Непредвзятая молекулярная динамика 11-минутного расщепления лекарственного средства выявляет взаимодействия, стабилизирующие переходное состояние. Дж. Ам. хим.Соц . 140, 618–628. doi: 10.1021/jacs.7b08572

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нишикава, Н., Хан, К., Ву, X., Тофолеану, Ф., и Брукс, Б. Р. (2018). Сравнение зонтичной выборки и метода двойного разделения при прогнозировании свободной энергии связывания для задач хозяин-гость с октакислотой SAMPL6. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дизайн 32, 1075–1086. doi: 10.1007/s10822-018-0166-2

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Нортруп, С.Х., Эллисон, С.А., и Маккаммон, Дж.А. (1984). Моделирование броуновской динамики бимолекулярных реакций под влиянием диффузии. J. Chem. Физ . 80:1517. дои: 10.1063/1.446900

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Нуньес-Алвес, А., Кох, Д.Б., и Уэйд, Р.К. (2020). Недавний прогресс в методах молекулярного моделирования кинетики связывания лекарств. архив . архив: 2002.08983.

Академия Google

Пан А.С., Сюй Х., Палпант Т. и Шоу Д.Э. (2017). Количественная характеристика связывания и несвязывания миллимолярных фрагментов лекарственного средства с помощью моделирования молекулярной динамики. J. Chem. Теория вычислений . 13, 3372–3377. doi: 10.1021/acs.jctc.7b00172

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Parks, C.D., Gaieb, Z., Chiu, M., Yang, H., Shao, C., Walters, W.P., et al. (2020). Большая задача D3R 4: слепое предсказание поз белок-лиганд, ранжирование аффинности и относительная свободная энергия связывания. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дез . 34, 99–119. doi: 10.1007/s10822-020-00289-y

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рифаи, Э. А., Дейк, М., Вермеулен, Н. П. Э., Януар, А., и Гирке, Д. П. (2019). Сравнительное исследование энергии линейного взаимодействия и MM/PBSA по расчету свободной энергии связывания SIRT1-лиганда. J. Chem. Поставить в известность. Модель . 59, 4018–4033. doi: 10.1021/acs.jcim.9b00609

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рицци, А., Jensen, T., Slochower, D.R., Aldeghi, M., Gapsys, V., Ntekoumes, D., et al. (2020). Задача SAMPL6 SAMPLing: оценка надежности и эффективности расчетов свободной энергии привязки. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дез . 34, 601–633. doi: 10.1007/s10822-020-00290-5

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Рицци А., Муркли С., Макнейл Дж. Н., Яо В., Салливан М., Гилсон М. К. и соавт. (2018). Обзор проблемы прогнозирования сродства привязки хост-гость SAMPL6. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дез . 32, 937–963. doi: 10.1007/s10822-018-0170-6

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Сингхал, Н., Сноу, К.Д., и Панде, В.С. (2004). Использование выборки пути для построения лучших марковских моделей состояния: прогнозирование скорости складывания и механизма бета-шпильки с триптофановой застежкой-молнией. J. Chem. Физ . 121, 415–425. дои: 10.1063/1.1738647

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Песня, Л.Ф., Бансал Н., Чжэн З. и Мерц К.М. (2018). Подробный потенциал исследований средней силы в системах «хозяин-гость» из задачи SAMPL6. Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дез . 32, 1013–1026. doi: 10.1007/s10822-018-0153-7

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Spagnuolo, L.A., Eltschkner, S., Yu, W., Daryaee, F., Davoodi, S., Knudson, S.E., et al. (2017). Оценка вклада дестабилизации переходного состояния в изменение времени пребывания ингибиторов InHa на основе триазола. Дж. Ам. хим. Соц . 139, 3417–3429. doi: 10.1021/jacs.6b11148

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Суарес, Э., Леттьери, С., Цвиер, М.С., Стрингер, К.А., Субраманиан, С.Р., Чонг, Л.Т., и др. (2014). Одновременное вычисление динамической и равновесной информации с использованием взвешенного ансамбля траекторий. J. Chem. Теория вычислений . 10, 2658–2667. дои: 10.1021/ct401065r

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Салливан, М.Р., Яо В. и Гибб Б. К. (2019). Термодинамика гостевого комплексообразования с окта-кислотой и тетра-эндо-метил-окта-кислотой: справочные данные для шестой статистической оценки моделирования белков и лигандов (SAMPL6). Супрамол. Химия . 31, 184–189. дои: 10.1080/10610278.2018.1549327

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Синапс (2018). IDG-DREAM Задача прогнозирования связывания киназ с лекарственными препаратами .

Резюме PubMed

Торри, Дж.М. и Валло, Дж. П. (1977). Распределения нефизической выборки в зонтичной выборке Монте-Карло с оценкой свободной энергии. Дж. Вычисл. Физ . 23, 187–199. дои: 10.1016/0021-9991(77)-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Воклен Г., Бостоен С., Вандерхейден П. и Симан П. (2012). Клозапин, атипичные нейролептики и преимущества антагонизма Fast-Off D2 дофаминовых рецепторов, Vol. 385 . Брюссель: Спрингер. doi: 10.1007/s00210-012-0734-2

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вотапка, Л.В., Джаггер Б.Р., Хейнеман А.Л. и Амаро Р.Э. (2017). SEEKR: Simulation Enabled Estimation of Kinetic Rates, вычислительный инструмент для оценки молекулярной кинетики и его применения для связывания трипсина и бензамидина. J. Phys. хим. В 121, 3597–3606. doi: 10.1021/acs.jpcb.6b09388

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ван, Дж., Вольф, Р.М., Колдуэлл, Дж.В., Коллман, П.А., и Кейс, Д.А. (2004). Разработка и тестирование общего янтарного силового поля. Дж. Вычисл. Химия . 25, 1157–1174. doi: 10.1002/jcc.20035

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ву, Х. Дж., и Ру, Б. (2005). Расчет абсолютной свободной энергии связывания белок-лиганд на основе компьютерного моделирования. Проц. Натл. акад. науч. США . 102, 6825–6830. doi: 10.1073/pnas.04002

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Инь, Дж., Хенриксен, Н. М., Слохауэр, Д. Р., Рубашки, М.R., Chiu, M.W., Mobley, D.L., et al. (2017). Обзор испытания «хозяин-гость» SAMPL5: делаем ли мы лучше? Дж. Вычисл. Помощь Мол. Дез . 31, 1–19. doi: 10.1007/s10822-016-9974-4

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Zwanzig, RW (1954). Высокотемпературное уравнение состояния методом возмущений. I. Неполярные газы. J. Chem. Физ . 22, 1420–1426. дои: 10.1063/1.1740409

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

свободной энергии Гиббса

свободной энергии Гиббса

Свободная энергия Гибба

 

Направление самопроизвольного изменения — это направление, в котором увеличивается общая энтропия.Полное изменение энтропии, также называемое изменением энтропии Вселенной, представляет собой сумму изменения энтропии системы и ее окружения:

DS унив = DS сис + DS доп

Согласно второму закону термодинамики энтропия Вселенной S univ всегда должна возрастать для спонтанного процесса, то есть DS univ >0.

Свободная энергия и изменение свободной энергии — свободная энергия Гиббса, G , используется для описания спонтанности процесса.

Г = Н — ТДС

Изменение свободной энергии DG равно -TDS ​​ univ и применяется только к самой системе , без учета окружения. Он определяется уравнением Гиббса:

ДГ = ДХ — ТДС

Для самопроизвольного процесса при постоянной температуре и давлении DG должен быть отрицательным. Во многих случаях мы можем предсказать знак по знакам ДХ и ДС.

Стандартное изменение свободной энергии, DG o — стандартное изменение свободной энергии, DG o можно рассчитать (1) путем подстановки стандартных энтальпий и энтропий реакции и температуры Кельвина в уравнение Гиббса или ( 2) путем объединения стандартных свободных энергий образования через выражение

Краткое изложение свободной энергии Гиббса

Изменение энтальпии

Изменение энтропии

Свободная энергия Гиббса

Спонтанность

положительный

положительный

зависит от T, может быть + или —

да, если температура достаточно высока

отрицательный

положительный

всегда отрицательный

всегда самопроизвольно

отрицательный

отрицательный

зависит от T, может быть + или —

да, если температура достаточно низкая

положительный

отрицательный

всегда положительный

никогда не спонтанно

 

Проблемы:

 

1) В процессе Габера для производства аммиака

Уравнение

Изменение энтальпии

Изменение энтропии

 

N 2 + 3H 2 2NH 3

ΔH = -93 кДж/моль

ΔS = -198 Дж/моль К

 

 

 

 

 

 

При какой температуре описанная выше реакция станет самопроизвольной?

 

Тот факт, что оба члена отрицательные, означает, что уравнение свободной энергии Гиббса сбалансировано и зависит от температуры:

ΔG = ΔH — TΔS

ΔG = -93000 — (T x -198) обратите внимание, что энтальпия дана в кило джоулей

 

если ΔG = 0 то система находится на пределе спонтанности реакции

 

Когда ΔG = 0 , тогда (T x -198) = -93000

 

и T = 93000/198 Кельвин

 

поэтому реакция становится самопроизвольной при T = 469 K (196 ºC)

 

ниже этой температуры реакция идет самопроизвольно.

 

2) Определите Delta G при стандартных условиях, используя свободную энергию образования Гиббса, найденную в подходящей таблице термодинамики для следующей реакции:

4HCN(ж) + 5O 2 (г) —> 2H 2 O(г) + 4CO 2 (г) + 2N 2 (г)

  1. Убедитесь, что уравнение сбалансировано
  2. Найдите стандартную свободную энергию образования H 2 O(g) и умножьте ее на коэффициент (2) в уравнении.

2 моля ( -237,2 кДж/моль) = -474,4 кДж = Стандартная свободная энергия образования для двух молей H 2 O(l)

  1. Найти стандартную свободную энергию образования СО 2 (г) и умножить на ее коэффициент (4)

4 моля (-394,4 кДж/моль) = -1577,6 кДж = стандартная свободная энергия образования для четырех молей CO 2

  1. Найдите стандартную свободную энергию образования N 2 (g) и умножьте на ее коэффициент(2)

2 моля (0.00 кДж/моль) = 0,00 кДж = Стандартная свободная энергия образования для 2 молей N 2 (g)

  1. Сложите результаты шагов 2, 3 и 4, чтобы получить стандартную свободную энергию для продуктов
  2. .

(-474,4 кДж) + (-1577,6 кДж) + 0,00 = -2052 кДж = Стандартная свободная энергия для продуктов

  1. Найти стандартную свободную энергию образования для HCN(l) и умножить на его коэффициент(4)

4 моля ( 121 кДж/моль) = 484 кДж = стандартная свободная энергия для 4 молей HCN(l)

  1. Найдите стандартную свободную энергию образования O 2 (g) и умножьте на ее коэффициент(5)

5 молей (0.00 кДж/моль) = 0,00 кДж = стандартная свободная энергия 5 молей O 2 (g)

  1. Сложите результаты шагов 7 и 8, чтобы получить стандартную свободную энергию реагентов

(484) + (0,00) = 484 кДж = стандартная свободная энергия для реагентов

  1. Вычтите результат шага 9 из результата шага 5, чтобы получить Стандартное изменение свободной энергии для реакции

Сумма свободной энергии продуктов — Сумма свободной энергии реагентов = (-2052 кДж) — (484 кДж) = -1568 кДж = стандартное изменение свободной энергии реакции.

 

3) Для следующей реакции с использованием таблицы термодинамики:

CoCl 2 (г) —> CO(г) + Cl 2 (г)

  1. Расчет DG при 127°C
  2. Рассчитайте температуру, когда указанная выше реакция находится в равновесии (DG = 0)
  3. При какой температуре эта реакция будет самопроизвольной?
  1. Проверить, сбалансировано ли уравнение
  2. Определите дельту H реакции, используя закон суммирования Гесса и стандартные энтальпии образования

Delta H = сумма Delta H f продуктов — сумма Delta H f реагентов

Дельта Н = [ 1(-110.5) + 1(0,00)] — [ 1(-220)]

Дельта H = -110,5 — (-220) = +110,5 кДж

  1. Определение дельты S для реакции с использованием стандартной молярной энтропии и закона суммирования Гесса

Дельта S = сумма стандартных молярных энтропий продуктов — сумма стандартных молярных энтропий реагентов

Delta S = [ 1 моль (197,5 Дж/моль-K) + 1 моль (223) Дж/моль-K] — [ 1 моль (283,7 Дж/моль-K)]

Дельта S = 420,5 Дж/К — 283,7 Дж/К = 136.8 Дж/К

  1. Преобразование Delta S из Дж/К в кДж/К

136,8 Дж/К X 1 кДж / 1000 Дж = 136,8 / 1000 = 0,1368 кДж/К

  1. Преобразование 127 C в K

К = С + 273 = 127 + 273 = 400 К

  1. Подставьте результаты шагов 2 и 4 в уравнение Гиббса-Гельмгольца вместе с температурой по Кельвину, чтобы получить дельту G реакции

Дельта G = Дельта H — T (Дельта S)

Дельта G = 110.5 кДж — 400 К(0,1368 кДж/К)

Дельта G = 110,5 — 54,72 кДж = + 55,78 кДж

Поскольку эта реакция имеет положительную дельту G, она будет неспонтанной, как написано.

 

Название вида         Delta Hf (кДж/моль)      Delta Gf (кДж/моль)      S (Дж/моль-K)

 

CO 2 (g)                                                                           

CH 3 OH(l)                     -238.6                          -166,2                            127

COCl 2 (g)                                                            

CO(g)                          -110,5                           -137,2                            197,5

C 2 H 2 (g)                         227                               209                          

Cl 2 (g)                           0                                   0                                                   

HCN(l)                        105                               121                                 112.8

H 2 O(g)                          -241,8                          -228,6                           188,7

H 2 O(l)                           -285,8                          -237,2                           69,9

HNO 3 (водн.)                     -206.6                          -110.5                           146

N 2 (g)                            0                                  0                0                                   1.5

НЕТ 2 (g)                          33.2                             51                                 90 90.

NO(g)                         90.3                             86.6                               210.7

O 2 (ж)                            0                                  0                0                                            

CS 2                                                                                                                   

H 2                                 0                                  0                                1 30.6

CH 4                               -74,8                            -50,8                             186.3 90.3 90.3

H 2 S                               -20.17                          -33.01                                    205,6 3 900 3

SO 2                                                                                     248.1

 

Свободная энергия и равновесие.

Поскольку DG является мерой благоприятности реакции, она также связана с константой равновесия.

    1. Реакция с отрицательным ДГ, очень благоприятна, поэтому имеет большой К.
    2. Реакция с положительной ДГ неблагоприятна, поэтому имеет малый К.
    3. Реакция с DG = 0 находится в равновесии.
    4. Есть несколько разных ГД. Важно различать их.
      1. DG o (дельта G с верхним индексом o) представляет собой изменение свободной энергии реакции со всем в стандартных состояниях (газы при 1 бар и растворы при концентрации 1 М) и при определенной температура (обычно 25°C)
      2. DG (просто дельта G).Это изменение свободной энергии для реакции, которая не находится в стандартном состоянии.
    5. DG связаны следующим образом. ЗНАЙТЕ ЭТО УРАВНЕНИЕ и поймите, как его использовать:

DG =DG или + RT In Q

Где Q — это тот же Q, который мы использовали для расчета равновесия (K — это особый случай Q, когда он находится в равновесии).

  1. Спонтанность и скорость реакций. В этом разделе просто указывается, что нет прямой зависимости между DG и скоростью реакции (кинетикой).

Проблема:

Начав с изменения свободной энергии при постоянной температуре: DG° = DH° — TDS°, и с соотношением между DG и константой равновесия, K: DG° = -RT lnK, выведите линейное уравнение, выражающее lnK как функция от 1/T (линейное уравнение имеет вид y = mx + b).

(b) Представлены константы равновесия для превращения 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат при pH 7:

Т (°С)

К

0

0.1535

20

0,1558

30

0,1569

45

0,1584

Рассчитать DG° при 25°C.

 

(c) Какова концентрация каждого изомера фосфоглицерата, если 0.150 М фосфоглицерата достигает равновесия при 25°С.

 

 

Т(°С)

Т(К)

1/Т(К -1 )

К

ЛНК

0

273

0,00366

0.1535

-1,874

20

293

0,00341

0,1558

-1,859

30

303

0,00330

0,1569

-1,852

45

318

0.00314

0,1584

-1,843

 

 

 

 

 

 

b) Для T = 25ºC, используя уравнение графика, lnK = -1,8557 и K = 0,1564.

 

в)

 

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Что такое свободная энергия? — Блог Госэко

В физике и физической химии свободная энергия относится к количеству внутренней энергии в термодинамической системе, которая доступна для выполнения работы.

Следовательно, существуют различные формы термодинамической свободной энергии:

Кроме того, свободная энергия Гиббса — это энергия, которая может быть преобразована в работу. в системе с постоянной температурой и постоянным давлением.

Уравнение для свободной энергии Гиббса:

Г = Н – ТС

, где G — свободная энергия Гиббса, H — энтальпия, T — температура, а S — энтропия.

Энергия Гельмгольца — это энергия, которая может быть преобразована в работу при постоянной температуре и постоянном объеме.

Уравнение Гельмгольца:

А = У – ТС

, где A — энергия Гельмгольца, U — внутренняя энергия системы, T — абсолютная температура (в градусах Кельвина) и S — энтропия системы.

Однако Ландауэр объясняет, что это энергия открытой системы, где частицы и энергия могут обмениваться внутри окружающей среды и ее системы.

Следовательно, уравнение Ландау:

Ом = A мкН = U TS мкН

, где N — число частиц, а μ — химический потенциал.

Изменение свободной энергии

В теории информации вариация — это конструкция, используемая в вариационных байесовских методах. Однако эти методы полезны для аппроксимации постоянных интегралов для статистики и машинного обучения.

В науке об окружающей среде и экономике этот термин иногда относится к возобновляемым ресурсам или любой энергии.

Однако это не требует денежной оплаты. Это также может относиться к силам, которыми обладает гипотетический вечный двигатель

Такое устройство не подчиняется законам термодинамики, поэтому это определение в настоящее время относится к лженауке, а не к точным наукам.

Однако изменения свободной энергии F или ΔG полезны для определения направления спонтанных изменений.

Поэтому рассчитайте максимальную работу, которую можно получить в результате термодинамических процессов, включающих химические или другие реакции.

В термодинамике свойство, подобное функции энергии или состояния системы, находящейся в термодинамическом равновесии

Однако размерность энергии и ее значение определяется состоянием системы больше, чем ее историей.

Хотите узнать о похожих темах? Вот несколько избранных блогов для вас!

1. Уравнение Нернста

2. Теплотворная способность

3.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.