الطاقة الحرة والديناميكا الحرارية البيولوجية
كيف تنطبق قوانين الديناميكا الحرارية على المادة الحية—لماذا يجب على الخلايا تبديد الطاقة الحرة للحفاظ على نظامها، وكيف تُدفع التفاعلات غير المواتية عن طريق اقترانها بتفاعلات مواتية.
Definition
الديناميكا الحرارية البيولوجية هي تطبيق مفاهيم الطاقة الحرة والإنتروبيا على الأنظمة الحية، وتصف العمليات التي يمكن أن تحدث وكيف تقرن الخلايا التفاعلات لتشغيل التفاعلات غير المواتية مع الحفاظ على النظام بعيدًا عن التوازن.
Scope
يغطي هذا الموضوع الإطار الديناميكي الحراري للحياة: الطاقة الحرة والجهد الكيميائي، ومعايير التلقائية، واقتران الطاقة الذي يدفع التفاعلات الصاعدة، والمعنى الذي تكون به الخلايا الحية أنظمة مفتوحة وغير متوازنة تحافظ على نظامها عن طريق تصدير الإنتروبيا. يوفر هذا الموضوع الأساس المحاسبي الذي تقوم عليه الكيمياء الحيوية للطاقة، بينما تُعالَج الآلية المحددة لتخليق ATP في الموضوع المجاور.
Core questions
- ما الذي يحدد ما إذا كان التفاعل الكيميائي الحيوي يحدث تلقائيًا؟
- كيف يدفع الاقتران التفاعلات غير المواتية ديناميكيًا حراريًا؟
- كيف يمكن للأنظمة الحية الحفاظ على نظامها دون انتهاك القانون الثاني؟
- ما هو الجهد الكيميائي، ولماذا تعتبر التركيزات مهمة للطاقة الحرة؟
Key theories
- معيار الطاقة الحرة والاقتران
- تكون العملية تلقائية عندما تخفض الطاقة الحرة للنظام، وتدفع الخلايا التفاعلات الصاعدة عن طريق اقترانها بعملية هابطة أكبر مثل التحلل المائي لـ ATP بحيث يكون التغير الكلي للطاقة الحرة مواتيًا.
- النظام من تبديد الطاقة الحرة
- تحافظ الأنظمة الحية على تنظيمها منخفض الإنتروبيا عن طريق امتصاص الطاقة الحرة باستمرار وتصدير الإنتروبيا إلى المحيط، لذا فإن النظام المحلي يتوافق مع القانون الثاني المطبق على النظام المفتوح بالإضافة إلى بيئته.
Mechanisms
يتحدد اتجاه العملية الكيميائية الحيوية من خلال تغير طاقتها الحرة، والذي يعتمد على طاقة التفاعل الجوهرية وعلى تركيزات المتفاعلات والنواتج من خلال جهودها الكيميائية، لذلك يمكن أن يسير التفاعل القريب من التوازن في أي من الاتجاهين مع تغير التركيزات. تستغل الخلايا ذلك عن طريق اقتران التفاعلات: ربط خطوة غير مواتية بخطوة مواتية بقوة، مثل التحلل المائي لـ ATP، بحيث يكون التغير الكلي للطاقة الحرة سالبًا. ولأن الخلية نظام مفتوح يستورد المغذيات ويصدر الحرارة والفضلات، فإنها تحافظ على نظامها الداخلي عن طريق تبديد الطاقة الحرة بدلاً من تحدي الديناميكا الحرارية.
Clinical relevance
يُعد التفكير الديناميكي الحراري أساسًا للأيض، وارتباط الأدوية، وأمراض الطاقة الحيوية، مما يوفر أساسًا تعليميًا لتلك الموضوعات بدلاً من التوصيات السريرية.
History
أرسى كل من صيغة غيبس للطاقة الحرة، وتأطير شرودنغر للحياة على أنها تتغذى على الإنتروبيا السلبية، وديناميكا بريغوجين الحرارية للأنظمة المفتوحة، النظرة الحديثة للخلايا كأنظمة غير متوازنة يُحافظ على نظامها من خلال تدفق الطاقة الحرة.
Key figures
- J. Willard Gibbs
- Erwin Schrödinger
- Ilya Prigogine
Related topics
Seminal works
- nelson2014
- schrodinger1944
Frequently asked questions
- كيف تحافظ الخلايا على نظامها إذا كانت الإنتروبيا تزداد دائمًا؟
- الخلايا أنظمة مفتوحة؛ تحافظ على نظامها الداخلي عن طريق امتصاص الطاقة الحرة وتصدير الإنتروبيا إلى البيئة، لذا فإن الإنتروبيا الكلية للخلية بالإضافة إلى محيطها لا تزال تزداد.
- لماذا يُستخدم التحلل المائي لـ ATP لدفع التفاعلات الأخرى؟
- يُطلق التحلل المائي لـ ATP طاقة حرة مواتية كبيرة في الظروف الخلوية، مما يجعل العملية المدمجة تلقائية عند اقترانها بتفاعل غير مواتٍ.