Spontaneità delle reazioni biologiche. Esercizi

L’energia libera simboleggiata con la lettera G viene 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.

Se 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 vengono 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.

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

Avvalendosi dei valori dell’energia libera standard riportati in tabella determinare se le seguenti reazioni avvengono spontaneamente 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

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Author: Chimicamo

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