بیوانرژتیک و بیوفیزیک سیستمها
چگونگی برداشت، ذخیره و مصرف انرژی آزاد توسط سیستمهای زنده، و اینکه چگونه فیزیک نویز، انتشار و بازخورد، رفتار شبکههای مولکولی را شکل میدهد.
Definition
بیوانرژتیک و بیوفیزیک سیستمها مطالعه تبدیل انرژی آزاد در سیستمهای زنده و اصول فیزیکی — ترمودینامیک، تصادفی بودن، انتشار و بازخورد — است که رفتار جمعی شبکههای بیولوژیکی را کنترل میکنند.
Scope
این حوزه فیزیک انرژی و سیستمهای زیستی را پوشش میدهد: تبدیل شیمیاسمتیک گرادیانها به ATP، حسابداری ترمودینامیکی انرژی آزاد که فرآیندهای سلولی را نیرو میبخشد، پیامدهای تصادفی بودن مولکولی برای بیان ژن، و تشکیل خودبهخودی الگوهای فضایی از واکنش و انتشار. این حوزه سلولها را به عنوان سیستمهای فیزیکی دور از تعادل در نظر میگیرد، در حالی که مسیرهای متابولیکی دقیق و زیستشناسی تکوینی به سایر زمینهها تعلق دارند.
Sub-topics
Core questions
- سلولها چگونه گرادیانهای الکتروشیمیایی را به انرژی شیمیایی قابل استفاده تبدیل میکنند؟
- چگونه حسابداری انرژی آزاد تعیین میکند که کدام فرآیندهای بیولوژیکی میتوانند پیش بروند؟
- تصادفی بودن مولکولی چگونه بر بیان ژن و رفتار سلولی تأثیر میگذارد؟
- چگونه الگوی فضایی میتواند به طور خودبهخودی از واکنش و انتشار پدیدار شود؟
Key theories
- جفتشدگی شیمیاسمتیک
- فرضیه میچل مبنی بر اینکه یک گرادیان پروتون الکتروشیمیایی در عرض یک غشاء، انتقال الکترون را به سنتز ATP مرتبط میکند، بنابراین انرژی به جای یک واسطه شیمیایی، به عنوان یک گرادیان عرض غشایی ذخیره میشود.
- تشکیل الگوی واکنش-انتشار
- تورینگ نشان داد که جفت کردن گونههای شیمیایی واکنشدهنده با نرخهای انتشار متفاوت میتواند یک حالت یکنواخت را ناپایدار کند و الگوهای فضایی ثابت ایجاد کند، که مسیری فیزیکی برای شکلگیری بیولوژیکی فراهم میکند.
Mechanisms
سلولها دور از تعادل عمل میکنند و به طور مداوم انرژی آزاد را تلف میکنند. انتقال الکترون پروتونها را از عرض یک غشاء پمپ میکند و گرادیان الکتروشیمیایی حاصله، ATP سنتاز را به حرکت در میآورد و انرژی را در ATP ذخیره میکند که انرژی آزاد هیدرولیز آن سپس سایر فرآیندها را نیرو میبخشد — تعادلی که توسط حسابداری ترمودینامیکی پیگیری میشود. از آنجا که مولکولهای کلیدی به تعداد کم حضور دارند، بیان ژن ذاتاً نویزدار است، و همین تصادفی بودن مولکولی، همراه با انتشار و بازخورد، به شبکهها اجازه میدهد تا تغییر کنند، نوسان کنند، یا تقارن را بشکنند تا الگوهای فضایی را مانند سیستمهای واکنش-انتشار تشکیل دهند.
Clinical relevance
تبدیل انرژی و نویز بیان ژن زیربنای عملکرد میتوکندری، تصمیمگیری سلولی و پایداری تکوینی هستند و زمینهای آموزشی برای آن زیستشناسی و پزشکی فراهم میکنند تا راهنمایی بالینی.
History
فرضیه شیمیاسمتیک میچل در سال ۱۹۶۱ جستجو برای یک واسطه جفتکننده شیمیایی را دگرگون کرد و بیوانرژتیک را حول گرادیانهای غشایی بازتعریف نمود، در حالی که نظریه واکنش-انتشار تورینگ در سال ۱۹۵۲ و مطالعه کمی بعدی نویز بیان ژن، دیدگاه سیستمی مبتنی بر فیزیک را در سازماندهی بیولوژیکی بنیان نهادند.
Key figures
- Peter Mitchell
- Alan Turing
- Paul Nurse
- Michael Elowitz
Related topics
Seminal works
- mitchell1961
- turing1952
- nelson2014
Frequently asked questions
- اینکه سلولها دور از تعادل هستند به چه معناست؟
- سلولهای زنده به طور مداوم انرژی را دریافت و تلف میکنند تا سازماندهی خود را حفظ کنند؛ در تعادل واقعی آنها مرده خواهند بود، بنابراین وضعیت منظم و پویا آنها تنها با جریان مداوم انرژی آزاد حفظ میشود.
- چرا نویز مولکولی در زیستشناسی اهمیت دارد؟
- بسیاری از مولکولهای تنظیمی به تعداد کم حضور دارند، بنابراین نوسانات تصادفی قابل توجه هستند و میتوانند باعث شوند سلولهای ژنتیکی یکسان به طور متفاوتی رفتار کنند، که فیزیک سیستمهای تصادفی به توضیح آن کمک میکند.