Volná energie a biologická termodynamika

Jak se zákony termodynamiky uplatňují na živou hmotu – proč buňky musí rozptylovat volnou energii, aby zůstaly uspořádané, a jak jsou nepříznivé reakce poháněny spojením s reakcemi příznivými.

Definition

Biologická termodynamika je aplikace konceptů volné energie a entropie na živé systémy, popisující, které procesy mohou probíhat a jak buňky spřahují reakce k pohonu nepříznivých reakcí, zatímco udržují řád daleko od rovnováhy.

Scope

Toto téma pokrývá termodynamický rámec života: volnou energii a chemický potenciál, kritéria spontaneity, energetické spřažení, které pohání endergonické reakce, a smysl, v jakém jsou živé buňky otevřené, nerovnovážné systémy, které udržují řád exportem entropie. Poskytuje účetnictví, které je základem bioenergetiky, zatímco specifický mechanismus syntézy ATP je popsán v sousedním tématu.

Core questions

• Co určuje, zda biochemická reakce probíhá spontánně?
• Jak spřažení pohání termodynamicky nepříznivé reakce?
• Jak mohou živé systémy udržovat řád, aniž by porušovaly druhý zákon?
• Co je chemický potenciál a proč je koncentrace důležitá pro volnou energii?

Key theories

Kritérium volné energie a spřažení

Proces je spontánní, když snižuje volnou energii systému, a buňky pohánějí endergonické reakce spřažením s větším exergonickým procesem, jako je hydrolýza ATP, takže celková změna volné energie je příznivá.

Řád z rozptylu volné energie

Živé systémy udržují svou nízkoentropickou organizaci neustálým příjmem volné energie a exportem entropie do okolí, takže lokální řád je v souladu s druhým zákonem aplikovaným na otevřený systém plus jeho prostředí.

Mechanisms

Směr biochemického procesu je dán změnou jeho volné energie, která závisí na vnitřní reakční energetice a na koncentracích reaktantů a produktů prostřednictvím jejich chemických potenciálů, takže reakce blízko rovnováhy může probíhat oběma směry, jak se mění koncentrace. Buňky toho využívají spřažením reakcí: spojením nepříznivého kroku se silně příznivým, klasicky hydrolýzou ATP, takže součet změn volné energie je záporný. Protože buňka je otevřený systém, který přijímá živiny a vylučuje teplo a odpad, udržuje svůj vnitřní řád rozptylováním volné energie, spíše než vzdorováním termodynamice.

Clinical relevance

Termodynamické uvažování je základem metabolismu, vazby léčiv a bioenergetických onemocnění, poskytuje vzdělávací základ pro tato témata spíše než klinická doporučení.

History

Gibbsův formalismus volné energie, Schrödingerovo pojetí života jako živícího se negativní entropií a Prigoginova termodynamika otevřených systémů ustanovily moderní pohled na buňky jako nerovnovážné systémy, jejichž řád je udržován tokem volné energie.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Jak buňky zůstávají uspořádané, když entropie vždy roste?

Buňky jsou otevřené systémy; udržují svůj vnitřní řád příjmem volné energie a exportem entropie do prostředí, takže celková entropie buňky plus jejího okolí stále roste.

Proč se hydrolýza ATP používá k pohonu jiných reakcí?

Její hydrolýza uvolňuje za buněčných podmínek velkou příznivou volnou energii, která, je-li spřažena s nepříznivou reakcí, činí kombinovaný proces spontánním.