Spontaneità delle reazioni biologiche. Esercizi
La spontaneità delle reazioni biologiche può essere prevista conoscendo i valori tabulati dell’energia libera di Gibbs che è una funzione di stato.
L’energia libera simboleggiata con la lettera G è matematicamente definita dalla relazione G = H – TS ed è una funzione di stato in quanto è correlata alla funzione di stato entalpia H e alla funzione di stato entropia S essendo T la temperatura.
In un processo spontaneo che avviene a temperatura e pressione costante l’energia libera diminuisce ovvero ΔG < 0
Di conseguenza se ΔG › 0 il processo non è spontaneo nel verso indicato mentre lo sarebbe nel verso opposto.
Infine ΔG =0 il sistema si trova all’equilibrio e non ha alcuna tendenza a evolvere né in un senso né nel verso opposto.
Se, dunque nelle condizioni sperimentali di pressione e di temperatura l’energia libera dei prodotti di reazione è maggiore di quella dei reagenti ΔG›0 il fenomeno chimico non si verificherà mai spontaneamente nel verso da noi desiderato, ma nel verso opposto; se invece l’energia libera dei prodotti è minore di quella dei reagenti ΔG<0 la reazione avviene spontaneamente.
In letteratura sono riportate le energie libere di alcuni composti che, per la loro importanza, giocano un ruolo chiave nei sistemi biologici che consentono di prevedere la spontaneità delle reazioni.
Tabella
| Energia libera standard | ||
| Composto | ΔG° (kcal/mol) | ΔG° (kJ/mol) |
| Fosfoenolpiruvato | – 14.8 | – 62 |
| Carbamilfosfato | – 12.3 | – 52 |
| 1,3 bis fosfoglicerato | – 11.7 | – 49 |
| Creatina fosfato | – 10.3 | – 43 |
| Pirofosfato (PPi) | – 8.0 | – 33 |
| ATP ( ad ADP) | – 7.3 | – 30 |
| Glucosio 1-fosfato | – 5.0 | – 21 |
| Glucosio 6-fosfato | – 3.3 | – 14 |
| Glicerolo 3-fosfato | – 2.2 | – 9 |
Esercizi sulla spontaneità delle reazioni biologiche
Avvalendosi dei valori dell’energia libera standard riportati in tabella determinare la spontaneità delle reazioni biologiche seguenti in condizioni standard:
1) ATP + creatina → creatina fosfato + ADP
La reazione può essere scissa in due semireazioni:
ATP → ADP + Pi per la quale ΔG° = – 7.3 kcal/mol
Creatina + Pi → creatina fosfato per la quale ΔG° = + 10.3 kcal/mol
Si noti che il valore di ΔG° di quest’ultima semireazione è uguale, in valore assoluto, a quello riportato in tabella, ma con segno cambiato dal momento che la semireazione è considerata da destra a sinistra. Sommando membro a membro le due semireazioni si ottiene la reazione complessiva proposta per la quale ΔG° = – 7.3 + 10.3 = 3.0 kcal/mol > 0 quindi la reazione non decorre spontaneamente. La reazione spontanea è invece quella scritta da destra a sinistra ovvero: creatina fosfato + ADP → ATP + creatina per la quale ΔG° = + 7.3 – 10.3 = 3.0 kcal/mol
2) ATP + glicerolo → Glicerolo 3-fosfato + ADP
La reazione può essere scissa in due semireazioni:
ATP → ADP + Pi per la quale ΔG° = – 7.3 kcal/mol
Glicerolo + Pi → Glicerolo 3-fosfato per la quale ΔG° = + 2.2 kcal/mol
Sommando membro a membro le due semireazioni si ottiene la reazione complessiva proposta per la quale ΔG° = – 7.3 + 2.2 = – 5.1 kcal/mol < 0 quindi la reazione decorre spontaneamente nel senso indicato
3) ATP + piruvato → ADP + Fosfoenolpiruvato
La reazione può essere scissa in due semireazioni:
ATP → ADP + Pi per la quale ΔG° = – 7.3 kcal/mol
Fosfoenolpiruvato → piruvato + Pi per la quale ΔG° = + 14.8 kcal/mol
Sommando membro a membro le due semireazioni si ottiene la reazione complessiva proposta per la quale ΔG° = – 7.3 +14.8 = + 7.5 kcal/mol > 0 quindi la reazione non decorre spontaneamente. La reazione spontanea è invece quella s critta da destra a sinistra ovvero:
ADP + Fosfoenolpiruvato → ATP + piruvato
4) ATP + glucosio → ADP + Glucosio 6-fosfato
La reazione può essere scissa in due semireazioni:
ATP → ADP + Pi per la quale ΔG° = – 7.3 kcal/mol
Glucosio + Pi → Glucosio 6-fosfato per la quale ΔG° = + 3.3 kcal/mol
Sommando membro a membro le due semireazioni si ottiene la reazione complessiva proposta per la quale ΔG° = – 7.3 + 3.3 = – 4.0 kcal/mol < 0 quindi la reazione decorre spontaneamente nel senso indicato
5) L’energia libera standard relativa alla reazione:
Arginina + ATP → fosfoarginina + ADP
è pari a + 0.4 kcal/mol. Calcolare la variazione di energia libera standard della reazione fosfoarginina → Arginina + Pi
La reazione può essere scissa in due semireazioni:
ATP → ADP + Pi per la quale ΔG° = – 7.3 kcal/mol
Arginina + Pi → fosfoarginina della quale non si conosce il valore di ΔG°
Sappiamo tuttavia il valore di ΔG° della reazione totale e pertanto detto x tale valore si ha:
0.4 = – 7.3 + x
Da cui x = + 7.7 kcal/mol
Tale valore è relativo alla semireazione Arginina + Pi → fosfoarginina. L’esercizio, richiede il valore di ΔG° della semireazione fosfoarginina → Arginina + Pi che quindi risulta essere pari a – 7.7 kcal/mol
