Vapaa energia ja biologinen termodynamiikka

Miten termodynamiikan lait soveltuvat elävään aineeseen – miksi solujen on hajotettava vapaata energiaa pysyäkseen järjestyneinä, ja miten epäsuotuisia reaktioita ohjataan kytkemällä ne suotuisiin reaktioihin.

Definition

Biologinen termodynamiikka on vapaan energian ja entropian käsitteiden soveltamista eläviin järjestelmiin, kuvaten mitkä prosessit voivat tapahtua ja miten solut kytkevät reaktioita tehostaakseen epäsuotuisia reaktioita samalla kun ne ylläpitävät järjestystä kaukana tasapainosta.

Scope

Tämä aihe kattaa elämän termodynaamisen viitekehyksen: vapaan energian ja kemiallisen potentiaalin, spontaaniuden kriteerit, energian kytkennän, joka ohjaa ylämäkeen kulkevia reaktioita, ja sen, miten elävät solut ovat avoimia, epätasapainotilassa olevia järjestelmiä, jotka ylläpitävät järjestystä viemällä entropiaa ulos. Se tarjoaa bioenergetiikan taustalla olevan laskentakehikon, kun taas ATP-synteesin spesifistä koneistoa käsitellään viereisessä aiheessa.

Core questions

• Mikä määrää, eteneekö biokemiallinen reaktio spontaanisti?
• Miten kytkentä ohjaa termodynaamisesti epäsuotuisia reaktioita?
• Miten elävät järjestelmät voivat ylläpitää järjestystä rikkomatta toista lakia?
• Mikä on kemiallinen potentiaali, ja miksi konsentraatiolla on merkitystä vapaan energian kannalta?

Key theories

Vapaan energian kriteeri ja kytkentä

Prosessi on spontaani, kun se alentaa järjestelmän vapaata energiaa, ja solut ohjaavat ylämäkeen kulkevia reaktioita kytkemällä ne suurempaan alamäkeen kulkevaan prosessiin, kuten ATP-hydrolyysiin, niin että yhdistetty vapaan energian muutos on suotuisa.

Järjestys vapaan energian hajoamisesta

Elävät järjestelmät ylläpitävät matalaentropista organisaatiotaan ottamalla jatkuvasti vastaan vapaata energiaa ja viemällä entropiaa ympäristöön, joten paikallinen järjestys on yhdenmukainen toisen lain kanssa, kun sitä sovelletaan avoimeen järjestelmään ja sen ympäristöön.

Mechanisms

Biokemiallisen prosessin suunta määräytyy sen vapaan energian muutoksesta, joka riippuu intrinsisestä reaktioenergetiikasta ja reaktanttien ja tuotteiden konsentraatioista niiden kemiallisten potentiaalien kautta, joten tasapainon lähellä oleva reaktio voi kulkea kumpaan tahansa suuntaan konsentraatioiden muuttuessa. Solut hyödyntävät tätä kytkemällä reaktioita: yhdistämällä epäsuotuisan vaiheen voimakkaasti suotuisaan vaiheeseen, klassisesti ATP-hydrolyysiin, niin että summautunut vapaan energian muutos on negatiivinen. Koska solu on avoin järjestelmä, joka ottaa sisään ravinteita ja vie ulos lämpöä ja jätettä, se ylläpitää sisäistä järjestystään hajottamalla vapaata energiaa sen sijaan, että se uhmaisi termodynamiikkaa.

Clinical relevance

Termodynaaminen päättely on aineenvaihdunnan, lääkeaineiden sitoutumisen ja bioenergeettisten sairauksien perustana, tarjoten koulutuksellisen pohjan näille aiheille kliinisten suositusten sijaan.

History

Gibbsin vapaan energian formalismi, Schrödingerin näkemys elämästä negatiivisella entropialla elävänä ja Prigoginen avoimien järjestelmien termodynamiikka vakiinnuttivat modernin näkemyksen soluista epätasapainojärjestelminä, joiden järjestys ylläpidetään vapaan energian virtauksella.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Miten solut pysyvät järjestyneinä, jos entropia aina kasvaa?

Solut ovat avoimia järjestelmiä; ne ylläpitävät sisäistä järjestystään ottamalla sisään vapaata energiaa ja viemällä entropiaa ympäristöön, joten solun ja sen ympäristön kokonaisentropia kasvaa edelleen.

Miksi ATP-hydrolyysiä käytetään muiden reaktioiden ohjaamiseen?

Sen hydrolyysi vapauttaa suuren suotuisan vapaan energian soluolosuhteissa, mikä yhdistettynä epäsuotuisaan reaktioon tekee yhdistetystä prosessista spontaanin.