انرژی آزاد و ترمودینامیک زیستی

چگونگی اعمال قوانین ترمودینامیک بر ماده زنده—چرا سلول‌ها برای حفظ نظم باید انرژی آزاد را تلف کنند، و چگونه واکنش‌های نامطلوب با جفت شدن با واکنش‌های مطلوب به پیش رانده می‌شوند.

Definition

ترمودینامیک زیستی کاربرد مفاهیم انرژی آزاد و آنتروپی در سیستم‌های زنده است که توصیف می‌کند کدام فرآیندها می‌توانند رخ دهند و چگونه سلول‌ها واکنش‌ها را برای تأمین انرژی واکنش‌های نامطلوب جفت می‌کنند در حالی که نظم را دور از تعادل حفظ می‌کنند.

Scope

این موضوع چارچوب ترمودینامیکی حیات را پوشش می‌دهد: انرژی آزاد و پتانسیل شیمیایی، معیارهای خودبه‌خودی بودن، جفت‌شدن انرژی که واکنش‌های بالادستی را به پیش می‌راند، و این مفهوم که سلول‌های زنده سیستم‌های باز و غیرتعادلی هستند که نظم را با صادرات آنتروپی حفظ می‌کنند. این موضوع مبنای محاسباتی بیوانرژتیک را فراهم می‌کند، در حالی که مکانیسم‌های خاص سنتز ATP در موضوع مجاور مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Core questions

• چه چیزی تعیین می‌کند که یک واکنش بیوشیمیایی به صورت خودبه‌خودی پیش برود؟
• چگونه جفت‌شدن واکنش‌های نامطلوب ترمودینامیکی را به پیش می‌راند؟
• چگونه سیستم‌های زنده می‌توانند نظم را بدون نقض قانون دوم حفظ کنند؟
• پتانسیل شیمیایی چیست و چرا غلظت برای انرژی آزاد اهمیت دارد؟

Key theories

معیار انرژی آزاد و جفت‌شدن

یک فرآیند زمانی خودبه‌خودی است که انرژی آزاد سیستم را کاهش دهد، و سلول‌ها واکنش‌های بالادستی را با جفت کردن آن‌ها با یک فرآیند بزرگتر پایین‌دستی مانند هیدرولیز ATP به پیش می‌رانند تا تغییر انرژی آزاد ترکیبی مطلوب باشد.

نظم از طریق اتلاف انرژی آزاد

سیستم‌های زنده سازماندهی کم‌آنتروپی خود را با جذب مداوم انرژی آزاد و صادرات آنتروپی به محیط اطراف حفظ می‌کنند، بنابراین نظم محلی با قانون دوم اعمال شده بر سیستم باز به علاوه محیط آن سازگار است.

Mechanisms

جهت یک فرآیند بیوشیمیایی توسط تغییر انرژی آزاد آن تعیین می‌شود، که به انرژی ذاتی واکنش و غلظت واکنش‌دهنده‌ها و محصولات از طریق پتانسیل‌های شیمیایی آن‌ها بستگی دارد، بنابراین یک واکنش نزدیک به تعادل می‌تواند با تغییر غلظت‌ها به هر دو جهت پیش برود. سلول‌ها از این طریق با جفت کردن واکنش‌ها بهره‌برداری می‌کنند: جفت کردن یک مرحله نامطلوب با یک مرحله بسیار مطلوب، به طور کلاسیک هیدرولیز ATP، به طوری که تغییر انرژی آزاد کلی منفی باشد. از آنجا که سلول یک سیستم باز است که مواد مغذی را وارد و گرما و مواد زائد را صادر می‌کند، نظم داخلی خود را با تلف کردن انرژی آزاد به جای سرپیچی از ترمودینامیک حفظ می‌کند.

Clinical relevance

استدلال ترمودینامیکی زیربنای متابولیسم، اتصال داروها و بیماری‌های بیوانرژتیک است و مبنای آموزشی برای این موضوعات را فراهم می‌کند تا توصیه‌های بالینی.

History

فرمالیسم انرژی آزاد گیبس، چارچوب‌بندی شرودینگر از حیات به عنوان تغذیه از آنتروپی منفی، و ترمودینامیک سیستم‌های باز پریگوژین، دیدگاه مدرن سلول‌ها را به عنوان سیستم‌های غیرتعادلی که نظم آن‌ها توسط جریان انرژی آزاد حفظ می‌شود، تثبیت کردند.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

چگونه سلول‌ها منظم می‌مانند اگر آنتروپی همیشه افزایش می‌یابد؟

سلول‌ها سیستم‌های باز هستند؛ آن‌ها نظم داخلی خود را با جذب انرژی آزاد و صادرات آنتروپی به محیط حفظ می‌کنند، بنابراین آنتروپی کل سلول به علاوه محیط آن همچنان افزایش می‌یابد.

چرا هیدرولیز ATP برای به پیش راندن واکنش‌های دیگر استفاده می‌شود؟

هیدرولیز آن تحت شرایط سلولی انرژی آزاد مطلوب زیادی را آزاد می‌کند، که وقتی با یک واکنش نامطلوب جفت شود، فرآیند ترکیبی را خودبه‌خودی می‌کند.