Энтропия, энтальпия и температура играют ключевую роль в термодинамическом анализе спонтанности химических реакции, включая реакции в живых системах.

Энтропия (S) — это мера беспорядка или случайности в системе. В соответствии с вторым законом термодинамики, для спонтанного процесса общее изменение энтропии (ΔS) системы и окружающей среды должно быть положительным.

Энтальпия (H) — это мера энергии, связанной с химическими связями и взаимодействиями. Если реакция проходит с выделением энергии (экспергической), то ΔH будет отрицательным, что способствует спонтанности реакции. Если реакция поглощает энергию (эндотермическая), то ΔH будет положительным.

Температура (T) влияет на то, как изменения энтропии и энтальпии комбинируются для определения спонтанности реакции.

Связь между этими величинами описывается свободной энергией Гиббса (G), выраженной формулой:

[ \Delta G = \Delta H - T \Delta S ]

Реакция будет спонтанной (протекать самостоятельно), если изменение свободной энергии (ΔG) отрицательно (ΔG < 0).

Один из ярких примеров термодинамически невыгодной реакции, которая протекает благодаря сопряжению с другой реакцией, — это синтез ATP (аденозинтрифосфата) в клетках.

Синтез ATP из ADP (аденозиндифосфата) и неорганического фосфата (Pi) является эндотермическим процессом, то есть ΔH > 0 и обычно ΔG > 0, что делает его термодинамически невыгодным. Однако этот процесс происходит в живых клетках благодаря его сопряжению с экзотермическими реакциями, такими как расщепление глюкозы в процессе гликолиза или окислительное фосфорилирование в митохондриях.

В результате, экзотермические реакции выделяют достаточное количество энергии, чтобы "перекрыть" затратное синтез ATP, и совокупность этих процессов приводит к тому, что общее изменение свободной энергии становится отрицательным (ΔG < 0), обеспечивая спонтанность всей цепочки реакций.

Таким образом, взаимодействие процессов, где одни эндотермические реакции "сопрягаются" с экзотермическими, позволяет клеткам осуществлять энергетически затратные процессы, такие как синтез ATP, несмотря на их индивидуальную термодинамическую невыгодность.