Ελεύθερη Ενέργεια και Βιολογική Θερμοδυναμική

Πώς εφαρμόζονται οι νόμοι της θερμοδυναμικής στην έμβια ύλη—γιατί τα κύτταρα πρέπει να διαχέουν ελεύθερη ενέργεια για να διατηρούν την τάξη τους, και πώς οι μη ευνοϊκές αντιδράσεις οδηγούνται με σύζευξη σε ευνοϊκές.

Definition

Η βιολογική θερμοδυναμική είναι η εφαρμογή των εννοιών της ελεύθερης ενέργειας και της εντροπίας σε ζωντανά συστήματα, περιγράφοντας ποιες διεργασίες μπορούν να συμβούν και πώς τα κύτταρα συζεύγνουν αντιδράσεις για να τροφοδοτήσουν μη ευνοϊκές, διατηρώντας παράλληλα την τάξη μακριά από την ισορροπία.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει το θερμοδυναμικό πλαίσιο της ζωής: την ελεύθερη ενέργεια και το χημικό δυναμικό, τα κριτήρια αυθορμητότητας, την ενεργειακή σύζευξη που οδηγεί ανηφορικές αντιδράσεις, και την έννοια με την οποία τα ζωντανά κύτταρα είναι ανοικτά, μη ισορροπημένα συστήματα που διατηρούν την τάξη τους εξάγοντας εντροπία. Παρέχει τη λογιστική που διέπει τη βιοενεργητική, ενώ ο ειδικός μηχανισμός της σύνθεσης ATP εξετάζεται στο γειτονικό θέμα.

Core questions

• Τι καθορίζει αν μια βιοχημική αντίδραση προχωρά αυθόρμητα;
• Πώς η σύζευξη οδηγεί θερμοδυναμικά μη ευνοϊκές αντιδράσεις;
• Πώς μπορούν τα ζωντανά συστήματα να διατηρήσουν την τάξη χωρίς να παραβιάζουν τον δεύτερο νόμο;
• Τι είναι το χημικό δυναμικό, και γιατί η συγκέντρωση έχει σημασία για την ελεύθερη ενέργεια;

Key theories

Κριτήριο ελεύθερης ενέργειας και σύζευξη

Μια διεργασία είναι αυθόρμητη όταν μειώνει την ελεύθερη ενέργεια του συστήματος, και τα κύτταρα οδηγούν ανηφορικές αντιδράσεις συζεύγοντάς τες με μια μεγαλύτερη κατηφορική διεργασία, όπως η υδρόλυση του ATP, έτσι ώστε η συνδυασμένη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας να είναι ευνοϊκή.

Τάξη από τη διάχυση ελεύθερης ενέργειας

Τα ζωντανά συστήματα διατηρούν τη χαμηλής εντροπίας οργάνωσή τους προσλαμβάνοντας συνεχώς ελεύθερη ενέργεια και εξάγοντας εντροπία στο περιβάλλον, οπότε η τοπική τάξη είναι συνεπής με τον δεύτερο νόμο εφαρμοζόμενο στο ανοικτό σύστημα συν το περιβάλλον του.

Mechanisms

Η κατεύθυνση μιας βιοχημικής διεργασίας καθορίζεται από τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας της, η οποία εξαρτάται από την εγγενή ενεργητική της αντίδρασης και από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και των προϊόντων μέσω των χημικών τους δυναμικών, οπότε μια αντίδραση κοντά στην ισορροπία μπορεί να εξελιχθεί και προς τις δύο κατευθύνσεις καθώς μετατοπίζονται οι συγκεντρώσεις. Τα κύτταρα το εκμεταλλεύονται αυτό συζεύγοντας αντιδράσεις: συνδυάζοντας ένα μη ευνοϊκό βήμα με ένα ισχυρά ευνοϊκό, κλασικά την υδρόλυση του ATP, έτσι ώστε η αθροιστική μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας να είναι αρνητική. Επειδή το κύτταρο είναι ένα ανοικτό σύστημα που εισάγει θρεπτικά συστατικά και εξάγει θερμότητα και απόβλητα, διατηρεί την εσωτερική του τάξη διαχέοντας ελεύθερη ενέργεια αντί να αψηφά τη θερμοδυναμική.

Clinical relevance

Ο θερμοδυναμικός συλλογισμός διέπει τον μεταβολισμό, τη δέσμευση φαρμάκων και τις βιοενεργητικές ασθένειες, παρέχοντας εκπαιδευτικό υπόβαθρο για αυτά τα θέματα και όχι κλινικές συστάσεις.

History

Ο φορμαλισμός της ελεύθερης ενέργειας του Gibbs, η διατύπωση του Schrödinger για τη ζωή ως τρεφόμενη από αρνητική εντροπία, και η θερμοδυναμική των ανοικτών συστημάτων του Prigogine καθιέρωσαν τη σύγχρονη άποψη των κυττάρων ως μη ισορροπημένων συστημάτων των οποίων η τάξη διατηρείται από τη ροή ελεύθερης ενέργειας.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Πώς παραμένουν τα κύτταρα σε τάξη αν η εντροπία αυξάνεται πάντα;

Τα κύτταρα είναι ανοικτά συστήματα· διατηρούν την εσωτερική τους τάξη προσλαμβάνοντας ελεύθερη ενέργεια και εξάγοντας εντροπία στο περιβάλλον, οπότε η συνολική εντροπία του κυττάρου συν το περιβάλλον του εξακολουθεί να αυξάνεται.

Γιατί χρησιμοποιείται η υδρόλυση του ATP για την οδήγηση άλλων αντιδράσεων;

Η υδρόλυσή του απελευθερώνει μια μεγάλη ευνοϊκή ελεύθερη ενέργεια υπό κυτταρικές συνθήκες, η οποία, όταν συζευχθεί με μια μη ευνοϊκή αντίδραση, καθιστά την συνδυασμένη διεργασία αυθόρμητη.