Коротко: направление и спонтанность реакции определяется свободной энергией Гиббса $\Delta G$, а вклад в неё дают энтальпия $\Delta H$ и энтропия $\Delta S$ через соотношение
$\Delta G=\Delta H-T\Delta S$.
Пояснения и важные факты:
- Критерий спонтанности: при данных условиях процесс спонтанен, если $\Delta G<0$; равновесие при $\Delta G=0$; неспонтанен при $\Delta G>0$.
- Стандартный параметр в биохимии — приведённая стандартная свободная энергия $\Delta G^{\circ }{}^{\prime }$, связанная с равновесной константой:
$\Delta G^{\circ }{}^{\prime }=-RT\ln K_{eq}$.
Для реальных концентраций можно записать
$\Delta G=\Delta G^{\circ }{}^{\prime }+RT\ln Q$,
где $Q$ — реакционный коэффициент (отношение концентраций продуктов и реагентов).
- Роль $\Delta H$ и $\Delta S$: отрицательное $\Delta H$ (экзотермичность) и/или положительное $\Delta S$ (рост беспорядка) способствуют отрицательной $\Delta G$, но их вклады зависят от температуры $T$.
- Температурная зависимость: при высоких $T$ вклад $-T\Delta S$ усиливается, поэтому знак $\Delta S$ важен для температурной чувствительности.
- Ферменты (катализаторы) снижают энергию активации и ускоряют достижение равновесия, но не меняют $\Delta G$ и не сдвигают положение равновесия; направление реакции по-прежнему определяется знаком $\Delta G$.
- В клетке реакции часто «связывают» с выгодными процессами (например, гидролиз АТФ) так, чтобы суммарная $\Delta G$ стала отрицательной и обеспечила протекание требуемого шага.
Вывод: спонтанность и направление — это свойства термодинамики, непосредственно определяемые $\Delta G$ (через $\Delta H$ и $\Delta S$ и концентрации), а фермент влияет только на скорость достижения этого направления.