Seimbang Reaksi biokimia: Sebuah Pendekatan Baru untuk Menyatukan Kimia dan Biokimia Termodinamika

Sumber :

-Sabatini, Antonio.dkk.2012. Balanced Biochemical Reactions: A New Approach to Unify Chemical and Biochemical Thermodynamics.http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0029529.

- Jerichorayel.2013. Balanced chemical equation for biochemical reaction. http://www.enotes.com/homework-help/balanced-chemical-equation-biochemical-reaction-461785

- The use of 'biochemical equations'.http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/newsletter/1996/news7.html

Abstrak

Sebuah prosedur baru yang disajikan, dengan menyeimbangkan unsur-unsur dan muatan listrik dari reaksi biokimia yang terjadi pada pH konstan dan pMg, memungkinkan menilai termodinamika sifat reaksi r G Δ '0, r HΔ ' 0, r S Δ '0 dan perubahan mengikat hidrogen dan ion magnesium dari reaksi ini. Prosedur ini berlaku umum menghindari perhitungan yang rumit diperlukan oleh penggunaan Legendre berubah sifat termodinamika pembentukan f G Δ '0, f HΔ ' 0 dan f S Δ '0 sampai sekarang dianggap sebagai prasyarat wajib untuk menangani termodinamika biokimia reaksi. Akibatnya, istilah "kondisional" diusulkan dalam substitusi "Legendre berubah" untuk menunjukkan termodinamika sifat-sifat. Hal ini juga menunjukkan bahwa potensi G termodinamika adalah sepenuhnya memadai untuk memberikan kriteria perubahan kimia secara spontan untuk semua reaksi biokimia dan kemudian bahwa penggunaan Legendre berubah G' tidak perlu. Prosedur yang diusulkan dapat diterapkan untuk setiap reaksi biokimia, yang memungkinkan untuk kembali menyatukan-dua dunia termodinamika kimia dan biokimia, yang sejauh ini telah diperlakukan secara terpisah.

Pengenalan

Dua jenis persamaan yang digunakan untuk menggambarkan reaksi kimia dan biokimia. Persamaan kimia ditulis dalam hal spesies ionik dan molekul spesifik dan elemen keseimbangan dan biaya, persamaan biokimia ditulis dalam hal reaktan (jumlah spesies) yang terdiri dari spesies dalam kesetimbangan dengan satu sama lain dan tidak menyeimbangkan unsur yang diasumsikan tetap, seperti hidrogen dan magnesium pada pH konstan dan pMg [1]. Oleh karena itu, setiap reaksi biokimia mendefinisikan sub-

sistem reaksi kimia yang melibatkan spesies kompleks yang dibentuk oleh ligan (molekul poli-anion yang terlibat dalam metabolisme biologi) dan asam Lewis (H+ dan ion logam hadir dalam sel seperti Mg2+, Na+ dan K+). Kedua jenis reaksi memiliki sesuai konstanta kesetimbangan: K untuk reaksi kimia dan K' untuk reaksi biokimia. Kesetimbangan kondisional konstan K' (juga dikenal sebagai konstan jelas) untuk reaksi biokimia ditulis dalam hal jumlah spesies [2].

The IUBMB-IUPAC Komisi Bersama Biokimia Nomenklatur (JCBN) menyatakan: "Ketika pH dan pMg ditentukan, satu set baru dari sifat termodinamika berubah ikut bermain. Properti ini berbeda dari yang biasa Gibbs energi G, H entalpi dan entropi S, ..., dan mereka disebut sebagai diubah Gibbs energi G ', berubah entalpi H', berubah entropi S ', ... "[1]. Selain itu, Alberty [3] menyatakan bahwa ketika pH dan pMg diadakan konstan berubah Gibbs energi G ', dan tidak G, diminimalkan pada kesetimbangan dan karena itu G', dan tidak G, memberikan kriteria perubahan kimia spontan untuk reaksi biokimia . Namun, hal ini telah didalilkan namun tidak menunjukkan dan atas dasar asumsi ini konsep yang termodinamika kimia dan biokimia adalah dua dunia yang terpisah berlangsung [3] - [7] dan diadopsi oleh IUBMB-IUPAC (JCBN). Akibatnya, keberadaan dua kategori termodinamika berdasarkan konsep yang berbeda dan formalisme yang berbeda sekarang didirikan: i) termodinamika kimia yang menggunakan sifat termodinamika konvensional dan cocok untuk menangani reaksi kimia hanya; ii) termodinamika biokimia yang menggunakan "tidak konvensional" (berubah) sifat termodinamika dan cocok untuk menangani hanya reaksi biokimia.

Namun, Legendre berubah Gibbs perubahan energi untuk reaksi biokimia, r G ', baru-Δbaru ini terbukti sama dengan Gibbs perubahan energi non-berubah, r G, dari reaksiΔ tunggal yang melibatkan spesies kimia yang dipilih dari sistem biokimia [8]. Kedua Gibbs energi dari reaksi yang sampai saat itu telah dianggap memiliki nilai yang berbeda [1], [7], [9] - [12]. Kesetaraan r G '= r G tidak berlaku untuk entalpi atauΔ Δ entropi perubahan. Menurut ini, perhitungan entalpi berubah dan entropi perubahan Δ r H' dan r S' dari reaksi biokimia masih harus dilakukan semata-mata denganΔ menggunakan standar diubah entalpi dan entropi pembentukan [8].

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menunjukkan bahwa prosedur menyeimbangkan reaksi biokimia memungkinkan untuk memperlakukan mereka sebagai reaksi kimia menghindari penggunaan rumit berubah sifat termodinamika. Pendekatan ini memungkinkan menilai r GΔ '0, r HΔ '0, r SΔ '0 dan perubahan pengikatan hidrogen dan magnesium ion dari reaksi biokimia menggunakan sifat termodinamika konvensional spesies di berbagai T, P, pH, pMg, dan kekuatan ion saya. Pendekatan yang disajikan adalah penerapan umum dan oleh karena itu semua reaksi biokimia dapat diobati dengan prosedur ini. Ini berarti dua dunia termodinamika kimia dan biokimia,

yang sejauh ini telah diperlakukan secara terpisah, dapat benar-benar kembali bersatu dalam kerangka termodinamika yang sama.

Metode

Reaksi biokimia yang seimbang

Mari kita mempertimbangkan reaksi biokimia umum

.... (1)

mana A, B , C dan D adalah koefisien stoikiometri. Reaktan biokimia A, B, C, Dν ν ν ν dibentuk oleh N A spesies A i, N B spesies B i, N C spesies C i dan N D spesies D i masing-masing.

Kami ambil sebagai contoh untuk penjelasan kami reaksi hidrolisis glukosa-6-fosfat. Reaksi kimia adalah

...... (2)

dan reaksi biokimia adalah

.......(3)

G6P merupakan jumlah dari spesies bebas G6P 2- dan semua spesies kompleks yang dibentuk oleh G6P2- dengan Lewis asam H+ dan Mg2 +; Glu singkatan glukosa; Pi merupakan jumlah dari spesies gratis dan dari semua spesies kompleks yang dibentuk oleh dengan Lewis asam H + dan Mg2 +. PH dan pMg berkisar hadir dalam matriks sitosol sel (pH≈7 dan pMg≈3.5) spesies kompleks G6P 2- dan adalah: HG6P -, MgG6P, dan MgHPO4. Sebuah skema kesetimbangan seperti ditunjukkan pada Gambar. 1. Di sini dan pH akhirat dan pMg nilai-nilai yang konsentrasi berdasarkan, yaitu pH = -log [H +] dan pMg = -log [Mg 2+].

Gambar 1. Kesetimbangan kimia antara reaktan biokimia hidrolisis glukosa-6-fosfat dan H + dan Mg2 +

Asumsi berikut dibuat:

1.spesies bebas dan kompleks setiap reaktan biokimia pada kesetimbangan dengan satu sama lain;2. aktivitas air konstan;3. T temperatur, tekanan P, dan ion kekuatan saya dari solusi yang konstan;4. pH dan pMg konstan;5. Konsentrasi standar c 0 adalah 1 M.

Prosedur menilai perubahan energi Gibbs standar, entalpi standar, entropi standar dan mengikat hidrogen dan ion magnesium dari reaksi biokimia, dimulai dari menyeimbangkan unsur dan biaya. Langkah-langkah yang diperlukan untuk menyeimbangkan reaksi biokimia adalah sebagai berikut:

konsentrasi semua spesies gratis dan kompleks pada keseimbangan harus dihitung dengan memecahkan persamaan keseimbangan massa untuk konsentrasi standar c 0 reaktan biokimia di diberikan pH dan pMg;

koefisien stoikiometri dari masing-masing spesies adalah sama dengan konsentrasi sendiri dikalikan dengan koefisien stoikiometri dari reaktan biokimia yang sesuai;

koefisien stoikiometri Mg 2+ dan H + diperoleh dengan menyeimbangkan atom Mg dan H di kedua hal reaksi.

Kebenaran dari seluruh prosedur dapat diverifikasi dengan memeriksa bahwa total muatan ionik adalah sama di kedua sisi reaksi.

Langkah 1 dari prosedur untuk menyeimbangkan reaksi biokimia didasarkan pada perhitungan konsentrasi spesies gratis dan kompleks dalam 1 M larutan reaktan biokimia pada pH tertentu dan pMg. Hampir semua reaksi biokimia memiliki spesies kompleks yang mononuklear sehubungan dengan masing-masing reaktan. Dalam hal ini persamaan keseimbangan massa masing-masing reaktan biokimia mudah diselesaikan dengan menggunakan polinomial mengikat [13] dan konsentrasi spesies bebas dan kompleks diperoleh [8]. Secara umum, dalam kasus poli-nuklir kompleksasi persamaan keseimbangan massa dapat diselesaikan dengan menggunakan salah satu program spesiasi komputer yang tersedia, seperti Hyss [14], karena validitas umum prosedur dipertahankan. Hal ini akan menunjukkan bahwa jumlah konsentrasi spesies membentuk masing-masing reaktan biokimia sama dengan c0. Rasio antara konsentrasi c i dari i th spesies dan konsentrasi c 0 dari reaktan biokimia akan disebut sebagai populasi pecahan dari spesies i dan diindikasikan sebagai f i: f i = c i / c 0.

Pada langkah 2, koefisien stoikiometri reaksi biokimia seimbang diperoleh mengalikan konsentrasi masing-masing spesies dengan koefisien stoikiometri dari reaktan biokimia yang sesuai:

.....................(4)

dimana adalah koefisien stoikiometri dari spesies A i, B i, C masing-masing i dan D i,. Mengacu pada persamaan biokimia umum (1), kita memiliki

...............(5)

.............(6)

Sebagai konsekuensi, untuk reaksi biokimia yang seimbang sesuai dengan reaksi biokimia (3), persamaan berikut memegang:

..................(7)

Pada langkah 3 atom Mg dan H harus seimbang. Mengambil koefisien stoikiometri negatif untuk reaktan dan positif bagi produk dan menunjukkan dengan

dan jumlah atom Mg dan H yang terkandung dalam reaktan i, Mg 2+ dan H +

koefisien stoikiometri adalah

............................(8)

Mengacu skema Aberty tentang ruang reaksi terhubung ke membran semipermeabel [5], perubahan mengikat r N (HΔ +) dan r N (MgΔ 2+) mewakili masing-masing, jumlah ion H + dan Mg 2+ masuk atau keluar (tergantung jika mereka reaktan atau produk) dari ruang reaksi melalui membran semipermeabel. Harus digarisbawahi bahwa reaksi biokimia yang seimbang sehingga diperoleh merupakan proses transformasi yang sebenarnya terjadi dalam larutan sitosol saat reaktan, pada pH tertentu dan pMg, berubah menjadi produk

Perhitungan koefisien stoikiometri yang rinci dalam Mendukung Informasi S1. Reaksi biokimia yang seimbang (T = 298,15 K, I = 0,25 M, pH = 7, pMg = 3) adalah:

................(9)

Harus dicatat bahwa koefisien stoikiometri reaksi biokimia biasanya angka pecahan, dibandingkan dengan koefisien bilangan bulat dari reaksi kimia. Perubahan dalam mengikat ion hidrogen dan magnesium merupakan akibat langsung dari keseimbangan reaksi (lihat Pendukung S1 Informasi dan Persamaan. (S1-14)). Prosedur sini diusulkan adalah validitas umum dan dapat diterapkan untuk setiap reaksi biokimia tanpa pembatasan

(lihat Mendukung Informasi S1 untuk lebih jelasnya).

Mendukung Informasi S1. Bagian ini menjelaskan secara rinci prosedur menyeimbangkan reaksi biokimia hidrolisis G6P dan perhitungan sifat bersyarat standar r HΔ '0 dan r G'Δ 0 dan perubahan dalam mengikat r N (HΔ +) dan r N (MgΔ 2+).

Hasil dan Diskusi

Perhitungan r H Δ '0, r G' Δ 0 dan r S 'Δ 0

Bersyarat standar perubahan entalpi r H'Δ 0 reaksi biokimia sekarang dapat dihitung sebagai jumlah dari produk koefisien stoikiometri dari masing-masing spesies reaktan dan entalpi standar pembentukan:

....................... (10)

Nilai ini sesuai dengan yang diperoleh Alberty [4]. Nilai-nilai dari istilah dalam penjumlahan dari Persamaan. (10) dilaporkan dalam Tabel 1 (kolom kelima). Perlu untuk digarisbawahi bahwa prosedur ini tidak memerlukan perhitungan entalpi standar berubah dari pembentukan reaktan dan produk.

Tabel

Bersyarat standar r GΔ '0 nilai reaksi biokimia generik (1) adalah perubahan energi Gibbs ketika reagen (jumlah spesies) membentuk produk (jumlah spesies) semua dalam keadaan standar konsentrasi c 0. Konsentrasi c i dari masing-masing spesies adalah sama dengan populasi pecahan nya f i kali konsentrasi c 0 dari reaktan biokimia: c i = f i c 0. Energi Gibbs bersyarat pembentukan spesies i pada konsentrasi c i, diindikasikan sebagai , Aku s:

.......... (11)

Konsentrasi H + dan Mg2 + masing-masing 10 dan 10 -pH -pMg dan karena itu

.............(12)

...............(13)

Populasi pecahan dari H 2 O adalah sama dengan satu dan kemudian

..........................(14)

The r G '0 nilai reaksi biokimia adalahΔ

..............................(15)

Nilai-nilai Gibbs energi pembentukan Δ f G 'reaktan dari reaksi biokimia yang seimbang (9) dihitung dengan Pers. (11-14). Mengganti menjadi (15) kita memperoleh

r GΔ '0 = -11,61 kJ mol -1 yang sempurna setuju dengan nilai yang dilaporkan oleh Alberty [4] . Nilai-nilai dari istilah dalam penjumlahan (15) dilaporkan dalam kolom terakhir dari Tabel 1 . Oleh karena itu, perhitungan kompleks yang dibutuhkan untuk mendapatkan standar diubah Gibbs energi pembentukan yang tidak perlu.

Nilai r S '0 dapat dihitung: r SΔ Δ ' 0 = ( r HΔ '0 - r GΔ ' 0) / T. Namun, r SΔ '0 juga dapat diperoleh secara langsung oleh Δ f S 0 reaktan dari reaksi biokimia yang seimbang. Harus digarisbawahi bahwa reaktan tidak pada konsentrasi standar dan oleh karena itu Δ f S 0 nilai harus dikoreksi untuk entropi pengenceran:

..............(16)

.....................(17)

.....................(18)

..........................(19)

The r S '0 reaksi biokimia adalah:Δ

..........................................(20)

Persamaan biokimia seimbang memungkinkan untuk mendapatkan nilai-nilai rΔ N (H +), r N (MgΔ 2+), r H'Δ 0, r G'Δ 0 dan r S'Δ 0 langsung dari sifat termodinamika konvensional spesies tanpa perlu perhitungan kompleks yang dibutuhkan oleh penggunaan Legendre berubah sifat termodinamika [6] . Salah satu keuntungan dari pendekatan ini adalah, misalnya, bahwa hal itu tidak memerlukan penggunaan Δ f H '0

dan Δ f G' 0 tabel data dihitung untuk nilai yang berbeda dari pH dan pMg [7] .

Reaksi biokimia seimbang memegang fitur yang sama dari persamaan kimia. Persamaan biokimia yang seimbang validitas umum dan dapat digunakan untuk reaksi biokimia. Satu-satunya perbedaan antara reaksi biokimia yang seimbang dan reaksi

kimia adalah bahwa di bekas konsentrasi H + dan Mg2 + tetap konstan. Ini adalah alasan mengapa koefisien stoikiometri reaksi biokimia yang seimbang adalah fungsi dari pH dan pMg.

Nilai minimum G dan G 'pada kesetimbangan

Ini adalah kepercayaan umum bahwa Legendre berubah G ', H' dan S 'adalah satu-satunya sifat termodinamika yang tepat untuk menangani reaksi biokimia yang terjadi pada pH konstan dan pMg dan bahwa mengubah energi Gibbs G', dan tidak G, diminimalkan di kesetimbangan [3] . Pendapat ini berasal dari pertimbangan bahwa reaksi biokimia terjadi dalam suatu sistem terbuka dengan perubahan kuantitas H + dan Mg 2+ ion. Reaksi dapat dicontohkan sebagai terjadi dalam ruang reaksi terhubung ke waduk dengan konstan [H+] dan [Mg2+] melalui membran semipermeabel. Mengingat bahwa, hidrogen dan magnesium tidak dilestarikan dalam ruang reaksi dan ini menjelaskan alasan mengapa reaksi biokimia yang ditulis dalam hal jumlah spesies [3] . Akibatnya, menurut pandangan ini, ketika pH dan pMg ditentukan hanya berubah Gibbs energi G 'dan tidak G menyediakan sarana untuk menentukan apakah reaksi akan pergi ke kanan atau kiri [5] .

Kami baru-baru menunjukkan bahwa r G 'dari reaksi biokimia sama dengan rΔ Δ G dari reaksi tunggal yang melibatkan spesies kimia yang dipilih dari sistem biokimia [8] . Atas dasar ini kami berhipotesis bahwa juga r G' reaksi biokimia dan r G dariΔ Δ reaksi biokimia yang seimbang sesuai, adalah sama di T konstan, P, pH dan pMg. Bahkan, reaksi biokimia yang seimbang adalah setara dengan reaksi kimia dan, sebagai akibatnya, dapat diobati dengan menggunakan termodinamika kimia konvensional.

Kami menghitung perubahan G dari reaksi biokimia yang seimbang (9) dan G 'dari reaksi biokimia (3) sebagai fungsi dari tingkat reaksi pada T konstan, P, pH danξ pMg. Kita ingat bahwa nilai-nilai G dan G 'mengacu pada energi Gibbs standar pembentukan elemen diambil sebagai nol.

Keadaan awal adalah solusi dengan volume V 0 = 1 dm 3, yang mengandung 1 mol G6P pada konsentrasi c 0. Keadaan akhir adalah solusi dengan volume 2 V 0 = 2 dm 3, yang mengandung 1 mol Glu, 1 mol Pi baik di concenntration c 0/2. Dalam perjalanan pH reaksi dan pMg konstan sementara volume V dari perubahan solusi:. V = (1 + ) Vξ 0.V0, menjadi sama dengan 1, akan dihilangkan dalam persamaan berikut G 'dari biokimia. Reaksi (3) adalah

...............(21)

Plot G 'sebagai fungsi dari tingkat ξ reaksi dilaporkan dalam Gambar. 2 (plot) dan menunjukkan minimum pada nilai ξ = 0,995412. Konstanta kesetimbangan dinyatakan sebagai fungsi ξ adalah

........................(22)

memberikan r GΔ '0 = -11,61 kJ mol -1.

G reaksi biokimia yang seimbang (9) adalah

................(23)

Plot G sebagai fungsi dari tingkat reaksi dilaporkan dalam Gambar. 2 (petak b)ξ dan menunjukkan bahwa minimum juga terjadi pada = 0,995412.ξ

Hasil ini menunjukkan bahwa kedua G dan G 'memiliki minimum pada nilai yang sama dari . Perbedaan G - G 'memiliki nilai konstan -554,83 kJ mol -1 di seluruh jajaranξ

.ξ

Dalam perjanjian dengan Alberty [3] , perbedaan ini diberikan oleh

...............(24)

dimana dan adalah jumlah atom hidrogen dan magnesium dalam spesies i dan n i adalah jumlah i. Menurut Alberty jumlah spesies N tidak termasuk H+

dan Mg2 + dan, sebagai akibatnya, perbedaan G-G 'tidak akan konstan dalam perjalanan reaksi. Sebaliknya, menggunakan koefisien stoikiometri (n i = i) reaksi biokimia yangν seimbang (9), yang meliputi + spesies H dan Mg2+, kami persis memperoleh nilai konstan -554,83 kJ mol -1 di seluruh jajaran . Hasil ini bertentangan dengan pendapatξ menetapkan bahwa: i) Legendre berubah G 'hanya fungsi termodinamika yang tepat untuk menangani reaksi biokimia yang terjadi pada pH tertentu dan pMg, ii) mengubah Gibbs energi G' dan tidak G diminimalkan pada kesetimbangan karena pertukaran sistem H+ ed Mg2+. Kami menunjukkan bahwa memang menggunakan reaksi biokimia

yang seimbang tidak perlu dari Legendre berubah potensi G 'benar menggambarkan keadaan termodinamika sistem biokimia, G sepenuhnya memadai untuk lingkup ini.

Kesimpulan

Persamaan biokimia seimbang memungkinkan pendekatan baru dan sederhana untuk termodinamika reaksi biokimia. Memang, persamaan biokimia seimbang secara konseptual sederhana karena hanya memerlukan pengetahuan termodinamika klasik dengan tidak perlu untuk berkenalan dengan Legendre mengubah termodinamika, yang dalam hal ini merupakan komplikasi un-diperlukan. Bahkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3 , pendekatan reaksi biokimia yang seimbang memerlukan langkah-langkah perhitungan kurang dibandingkan dengan Legendre mengubah pendekatan. Prosedur yang paling rumit dari pendekatan reaksi biokimia yang seimbang adalah perhitungan konsentrasi kesetimbangan dari spesies yang berbeda; namun langkah ini juga diperlukan dalam Legendre mengubah pendekatan untuk perhitungan Δ f H '0.

Gambar 3

Diagram alir yang menunjukkan pendekatan yang berbeda untuk mendapatkan sifat termodinamika berubah: skor reaksi biokimia (kiri) dan fungsi pembentukan berubah (kanan).

Selain itu, dengan menggunakan pendekatan reaksi biokimia yang seimbang, perhitungan yang diperlukan untuk mendapatkan r N (HΔ +) dan r N (MgΔ 2+) adalah sepele, sedangkan Legendre mengubah prosedur [15] memerlukan perhitungan yang rumit berikut:

........................(25)

Jumlah spesies masuk dan keluar sistem yang ditentukan dalam reaksi biokimia yang seimbang. Ini adalah alasan mengapa r GΔ '0, r HΔ ' 0 dan r SΔ '0 dapat langsung dihitung dari pembentukan standar konvensional sifat termodinamika dari spesies yang terlibat untuk reaksi biokimia. Harus diingat bahwa nilai r GΔ '0 diperoleh dengan konstanta K bersyarat' ( r GΔ '0 = - RT ln K') yang juga dikenal sebagai konstan jelas [2] . Koheren dengan hasil penelitian ini, di mana r GΔ '0, r HΔ ' 0 dan r SΔ '0 diperoleh tanpa menggunakan Legendre mengubah, kami mengusulkan untuk nama termodinamika sifat-sifat "kondisional" daripada "berubah".

Akhirnya, kami juga menunjukkan bahwa potensi G termodinamika adalah sepenuhnya memadai untuk menangani reaksi biokimia. Penggunaan berubah Gibbs energi G 'adalah benar, tetapi tidak perlu, dan G memang diminimalkan pada kesetimbangan dan karena itu benar dapat memberikan kriteria perubahan kimia spontan untuk reaksi biokimia. Pengenalan konsep reaksi biokimia yang seimbang sangat menyederhanakan pendekatan termodinamika sistem yang kompleks, sebagai reaksi biokimia yang, membuat dihindari penggunaan Legendre mengubah. Persamaan seimbang biokimia menunjukkan kemungkinan untuk menangani termodinamika reaksi biokimia menggunakan sifat termodinamika konvensional.

Kesimpulannya, prosedur sederhana menyeimbangkan reaksi biokimia adalah validitas umum dan memungkinkan untuk menggunakan pendekatan yang sama ketika berhadapan dengan reaksi biokimia dan kimia. Hal ini memungkinkan bersatunya kembali dua dunia termodinamika kimia dan biokimia, sejauh diperlakukan secara terpisah, dalam kerangka termodinamika yang sama. Mungkin, reaksi biokimia yang seimbang dapat dianggap sebagai telur Columbus untuk pendekatan terutama mudah untuk termodinamika biokimia.

Persamaan reaksi setara untuk reaksi biokimia

Pada dasarnya semua reaksi kimia dinyatakan sebagai reaksi dari reaktan / s untuk membentuk produk / s. Titik utama dengan reaksi biokimia adalah bahwa reaksi biasanya dibantu oleh enzim.

Enzim adalah molekul biologis besar yang bertanggung jawab untuk proses biologis dalam organisme hidup. Enzim mengkatalisis reaksi untuk mengubah substrat (istilah biologi untuk reaktan) menjadi produk.

Reaksi kimia untuk reaksi biologis dapat ditulis sebagai:

Substrat / s + Enzim -> Enzim-Substrat kompleks -> produk + Enzim

Perhatikan bahwa enzim merupakan katalis biologis yang tidak dikonsumsi atau dikonversi dalam reaksi. Mengenai keseimbangan reaksi biologis, hal ini sama dengan reaksi kimia umum dimana mol substrat dan produk diberi nomor. Enzim dihapus dalam reaksi atau ditempatkan di atas panah reaksi karena mereka berdua hadir di reaktan dan produk samping.

Penggunaan 'persamaan biokimia'

Sebuah panel pada termodinamika biokimia, yang disponsori oleh JCBN dan diselenggarakan oleh Robert A. Alberty, telah menghasilkan serangkaian rekomendasi untuk nomenklatur dan tabel dalam termodinamika biokimia [34] (lihat juga [35-38]). Laporan ini menekankan perbedaan antara 'persamaan kimia', di mana negara-negara ionik penuh dari semua spesies bereaksi harus diberikan dalam persamaan yang seimbang, dan 'persamaan biokimia'. Biaya penuh sering dihilangkan dari persamaan yang digunakan dalam presentasi biokimia rutin. Misalnya persamaan dalam bentuk

ATP + asetat = asetil fosfat + ADPumumnya digunakan dalam biokimia. Ini tidak akan mencoba untuk menunjukkan ionisasi atau kompleksasi negara penuh atau reaktan atau untuk menyeimbangkan biaya. Ini memiliki keuntungan bahwa itu ditulis dalam hal jumlah spesies dan mengarah langsung ke ekspresi untuk kesetimbangan jelas konstanta K '

K '= [asetil fosfat] [ADP] / [ATP] [asetat]yang merupakan fungsi dari pH dan konsentrasi ion magnesium, serta T, P dan kekuatan ion. Dalam persamaan biokimia di atas, ATP, ADP dan fosfat asetil jelas jumlah spesies dan, jika K 'ditentukan pada pH rendah, asetat merupakan jumlah dari anion dan asam asetat terdisosiasi.

Demikian pula, telah menjadi umum untuk menggunakan NAD + dan NADH dalam persamaan, meskipun kedua ini sebenarnya bermuatan negatif pada pH fisiologis normal, tanpa ada upaya untuk menyeimbangkan biaya dan atom hidrogen pada spesies lain dalam persamaan. Hal ini dapat membuat sulit untuk mengatakan apakah persamaan kimia atau persamaan biokimia dimaksudkan. Mengingat kesulitan tersebut, panel telah merekomendasikan bahwa semua indikasi biaya dihapus dari persamaan biokimia dan bahwa persamaan kimia penuh, yang ditulis dalam bentuk spesies individu yang mungkin akan dikenakan biaya (misalnya H +, Mg 2+, RCOO - , dll) harus digunakan untuk kasus-kasus tertentu di mana perilaku termodinamika adalah untuk dipertimbangkan.

Dalam menulis persamaan biokimia, perlu untuk menggunakan simbol-simbol yang menunjukkan jumlah spesies dan menghindari simbol untuk hanya satu spesies yang mungkin ada. Karena kedua persamaan kimia dan persamaan biokimia yang dibutuhkan dalam biokimia adalah penting bahwa pembaca harus bisa membedakan antara kedua jenis persamaan sekilas. Kegagalan untuk membuat suatu perbedaan yang jelas dapat menyebabkan persamaan hibrida yang tidak memiliki keseimbangan yang sesuai ekspresi konstan dan memiliki stoikiometri salah. Sebagai contoh, hidrolisis 1 mol ATP ke ADP di sekitar pH 7 tidak menghasilkan 1 mol H +, seperti yang disarankan oleh persamaan

ATP + H 2 O = ADP + fosfat + H +

tapi sekitar 0,6 mol. Oleh karena itu disarankan bahwa persamaan hybrid, di mana beberapa biaya tetapi tidak yang lain diberikan, harus dihindari karena menyesatkan.

Jika rekomendasi ini adalah untuk dilaksanakan, paragraf berikut harus ditambahkan ke Catatan (1) pada halaman 23 dari enzim nomenklatur 1992 [14]:

"Karena persamaan mewakili reaksi persamaan biokimia, mereka memberikan dasar untuk menulis ekspresi untuk kesetimbangan jelas konstanta K 'di T ditentukan, P, pH, pX dan kekuatan ion. Berikut pX = -log [X] di mana X adalah setiap ion logam yang terikat oleh reaktan. persamaan Biokimia tidak menyeimbangkan atom hidrogen, atom logam terikat atau biaya, tetapi mereka menyeimbangkan jenis lain dari atom. Ekspresi untuk kesetimbangan jelas konstanta K 'untuk reaksi apapun dapat ditulis dengan melihat persamaan biokimia. persamaan kimia yang menyeimbangkan ion hidrogen, ion logam terikat dan biaya dapat ditulis untuk reaksi dan ekspresi kesetimbangan-konstan mereka menghasilkan konstanta K keseimbangan, yang independen dari pH dan konsentrasi ion logam bebas. persamaan kimia memiliki kegunaan dalam memahami bagaimana persamaan biokimia bekerja dan dalam menganalisis efek dari pH dan konsentrasi ion logam bebas dari konstanta kesetimbangan jelas. Secara umum, persamaan kimia tidak unik karena berbagai pilihan dapat dibuat untuk spesies tertentu yang digunakan dalam menulis persamaan kimia. "

Beberapa perubahan dalam penggunaan untuk persamaan biokimia yang akan diperlukan jika rekomendasi ini adalah untuk diadopsi adalah sebagai berikut:

1. Tidak ada persamaan biokimia harus berisi H +. Jika jumlah proton yang diproduksi atau dikonsumsi dalam reaksi pada pH 7 adalah minat khusus, misalnya karena mungkin untuk nitrogenase, komentar untuk efek ini dapat ditambahkan.

2. NAD (P) dan NAD (P) H 2 harus mengganti NAD (P) + dan NAD (P) H + H +. Alternatif simbol NAD sapi dan NAD merah direkomendasikan tetapi ini memiliki kelemahan tidak menunjukkan bahwa reaksi oksidasi / reduksi adalah perubahan dua-elektron, misalnya dalam reaksi:

Alkohol + NAD = aldehida + NADH 2

Jika diperlukan untuk menunjukkan reaksi oksidasi / reduksi dimana akseptor / donor tidak diketahui, mengurangi akseptor / teroksidasi akseptor (atau Akseptor merah / Akseptor sapi) harus digunakan. Atau 2e dapat digunakan untuk mewakili reaktan dalam transfer dua elektron.

3. Ketika CO 2 dihasilkan, CO 2 dapat digunakan dalam menulis persamaan biokimia jika dipahami bahwa itu dihasilkan dalam fase gas. Jika tidak karbonat harus digunakan untuk mewakili jumlah dari spesies CO 2, H 2 CO 3, HCO 3 -, dan CO 3 - dalam larutan. Istilah TotCO 2 dapat digunakan sebagai alternatif untuk membuat ini lebih jelas.

4. Amonia harus mengganti NH 3 atau NH 4 + dalam menggambarkan jumlah NH 4 + dan dilarutkan NH 3 + H 2 O = NH 4 OH.

5. Sianida harus mengganti CN - atau HCN (misalnya di EC 4.4.1.9) karena merupakan jumlah dari kedua spesies tersebut.

6. Nitrit dan nitrat harus mengganti NO 2 - dan NO 3 -, masing-masing.

7. Asam askorbat (D - erythro -ascorbic asam) harus diganti dengan askorbat (D - erythro -ascorbate) untuk mewakili jumlah spesies.

8. Fe (II) harus digunakan di tempat Fe 2+ untuk mewakili jumlah berbagai jenis complexed ion besi.

Pelaksanaan rekomendasi tersebut akan memiliki implikasi besar bagi cara kita telah menjadi terbiasa untuk menyajikan persamaan dalam biokimia. Pandangan dari pembaca pada keinginan proposal ini