Freie Energie und biologische Thermodynamik

Wie die Gesetze der Thermodynamik auf lebende Materie angewendet werden – warum Zellen freie Energie abführen müssen, um geordnet zu bleiben, und wie ungünstige Reaktionen durch Kopplung an günstige angetrieben werden.

Definition

Biologische Thermodynamik ist die Anwendung von Konzepten der freien Energie und Entropie auf lebende Systeme, die beschreibt, welche Prozesse ablaufen können und wie Zellen Reaktionen koppeln, um ungünstige anzutreiben, während sie Ordnung fern vom Gleichgewicht aufrechterhalten.

Scope

Dieses Thema behandelt den thermodynamischen Rahmen des Lebens: freie Energie und chemisches Potential, die Kriterien für Spontaneität, Energiekopplung, die endergonische Reaktionen antreibt, und inwiefern lebende Zellen offene Nichtgleichgewichtssysteme sind, die Ordnung durch Export von Entropie aufrechterhalten. Es liefert die Grundlagen der Bioenergetik, während die spezifische Maschinerie der ATP-Synthese im Nachbarthema behandelt wird.

Core questions

• Was bestimmt, ob eine biochemische Reaktion spontan abläuft?
• Wie treibt die Kopplung thermodynamisch ungünstige Reaktionen an?
• Wie können lebende Systeme Ordnung aufrechterhalten, ohne das zweite Gesetz zu verletzen?
• Was ist das chemische Potential, und warum ist die Konzentration für die freie Energie wichtig?

Key theories

Kriterium der freien Energie und Kopplung

Ein Prozess ist spontan, wenn er die freie Energie des Systems senkt, und Zellen treiben endergonische Reaktionen an, indem sie diese mit einem größeren exergonischen Prozess wie der ATP-Hydrolyse koppeln, sodass die kombinierte freie Energieänderung günstig ist.

Ordnung durch Dissipation freier Energie

Lebende Systeme erhalten ihre Entropie-arme Organisation, indem sie kontinuierlich freie Energie aufnehmen und Entropie an die Umgebung abgeben, sodass die lokale Ordnung mit dem zweiten Hauptsatz vereinbar ist, angewendet auf das offene System plus seine Umgebung.

Mechanisms

Die Richtung eines biochemischen Prozesses wird durch seine freie Energieänderung bestimmt, die von der intrinsischen Reaktionsenergetik und von den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte durch deren chemische Potentiale abhängt, sodass eine Reaktion nahe dem Gleichgewicht in beide Richtungen ablaufen kann, wenn sich die Konzentrationen verschieben. Zellen nutzen dies aus, indem sie Reaktionen koppeln: Sie paaren einen ungünstigen Schritt mit einem stark günstigen, klassischerweise der ATP-Hydrolyse, sodass die summierte freie Energieänderung negativ ist. Da die Zelle ein offenes System ist, das Nährstoffe importiert und Wärme und Abfall exportiert, erhält sie ihre innere Ordnung, indem sie freie Energie dissipiert, anstatt die Thermodynamik zu missachten.

Clinical relevance

Thermodynamische Überlegungen liegen dem Stoffwechsel, der Medikamentenbindung und bioenergetischen Erkrankungen zugrunde und bieten eine bildungsmäßige Grundlage für diese Themen und keine klinischen Empfehlungen.

History

Gibbs' Formalismus der freien Energie, Schrödingers Darstellung des Lebens als Ernährung von negativer Entropie und Prigogines Thermodynamik offener Systeme etablierten die moderne Sichtweise von Zellen als Nichtgleichgewichtssysteme, deren Ordnung durch den Fluss freier Energie aufrechterhalten wird.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Wie bleiben Zellen geordnet, wenn die Entropie immer zunimmt?

Zellen sind offene Systeme; sie erhalten ihre innere Ordnung, indem sie freie Energie aufnehmen und Entropie an die Umgebung abgeben, sodass die Gesamtentropie der Zelle plus ihrer Umgebung immer noch zunimmt.

Warum wird ATP-Hydrolyse verwendet, um andere Reaktionen anzutreiben?

Ihre Hydrolyse setzt unter zellulären Bedingungen eine große günstige freie Energie frei, die, wenn sie mit einer ungünstigen Reaktion gekoppelt wird, den kombinierten Prozess spontan macht.