Свободна енергия и биологична термодинамика

Как законите на термодинамиката се прилагат към живата материя – защо клетките трябва да разсейват свободна енергия, за да останат подредени, и как неблагоприятните реакции се задвижват чрез свързване с благоприятни.

Definition

Биологичната термодинамика е приложението на концепциите за свободна енергия и ентропия към живите системи, описващо кои процеси могат да се случат и как клетките свързват реакции, за да задвижат неблагоприятни, като същевременно поддържат ред далеч от равновесие.

Scope

Тази тема обхваща термодинамичната рамка на живота: свободна енергия и химичен потенциал, критериите за спонтанност, енергийното свързване, което задвижва ендергонични реакции, и смисъла, в който живите клетки са отворени, неравновесни системи, които поддържат ред чрез износ на ентропия. Тя предоставя счетоводството, което е в основата на биоенергетиката, докато специфичният механизъм на синтеза на АТФ е разгледан в съседната тема.

Core questions

• Какво определя дали една биохимична реакция протича спонтанно?
• Как свързването задвижва термодинамично неблагоприятни реакции?
• Как живите системи могат да поддържат ред, без да нарушават втория закон?
• Какво е химичният потенциал и защо концентрацията е важна за свободната енергия?

Key theories

Критерий за свободна енергия и свързване

Един процес е спонтанен, когато понижава свободната енергия на системата, а клетките задвижват ендергонични реакции, като ги свързват с по-голям екзергоничен процес, като хидролиза на АТФ, така че комбинираната промяна на свободната енергия е благоприятна.

Ред от разсейване на свободна енергия

Живите системи поддържат своята нискоентропийна организация, като непрекъснато приемат свободна енергия и изнасят ентропия към околната среда, така че локалният ред е в съответствие с втория закон, приложен към отворената система плюс нейната среда.

Mechanisms

Посоката на биохимичния процес се определя от промяната на свободната му енергия, която зависи от вътрешната енергетика на реакцията и от концентрациите на реагентите и продуктите чрез техните химични потенциали, така че реакция близо до равновесие може да протича в двете посоки при промяна на концентрациите. Клетките експлоатират това чрез свързване на реакции: сдвояване на неблагоприятна стъпка със силно благоприятна, класически хидролиза на АТФ, така че сумираната промяна на свободната енергия е отрицателна. Тъй като клетката е отворена система, която внася хранителни вещества и изнася топлина и отпадъци, тя поддържа вътрешния си ред чрез разсейване на свободна енергия, а не чрез противопоставяне на термодинамиката.

Clinical relevance

Термодинамичните разсъждения са в основата на метаболизма, свързването на лекарства и биоенергийните заболявания, осигурявайки образователна основа за тези теми, а не клинични препоръки.

History

Формализмът на свободната енергия на Гибс, формулировката на Шрьодингер за живота като хранещ се с отрицателна ентропия и термодинамиката на отворените системи на Пригожин установяват съвременния възглед за клетките като неравновесни системи, чийто ред се поддържа от потока на свободна енергия.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Как клетките остават подредени, ако ентропията винаги се увеличава?

Клетките са отворени системи; те поддържат вътрешния си ред, като приемат свободна енергия и изнасят ентропия към околната среда, така че общата ентропия на клетката плюс нейната околна среда все още се увеличава.

Защо хидролизата на АТФ се използва за задвижване на други реакции?

Нейната хидролиза освобождава голяма благоприятна свободна енергия при клетъчни условия, която, когато е свързана с неблагоприятна реакция, прави комбинирания процес спонтанен.