Énergie libre et thermodynamique biologique

Comment les lois de la thermodynamique s'appliquent à la matière vivante : pourquoi les cellules doivent dissiper de l'énergie libre pour maintenir leur ordre, et comment les réactions défavorables sont entraînées par couplage avec des réactions favorables.

Definition

La thermodynamique biologique est l'application des concepts d'énergie libre et d'entropie aux systèmes vivants, décrivant quels processus peuvent se produire et comment les cellules couplent les réactions pour alimenter celles qui sont défavorables tout en maintenant l'ordre loin de l'équilibre.

Scope

Ce sujet aborde le cadre thermodynamique de la vie : l'énergie libre et le potentiel chimique, les critères de spontanéité, le couplage énergétique qui entraîne les réactions endergoniques, et la manière dont les cellules vivantes sont des systèmes ouverts, hors équilibre, qui maintiennent leur ordre en exportant de l'entropie. Il fournit les bases conceptuelles de la bioénergétique, tandis que les mécanismes spécifiques de la synthèse d'ATP sont traités dans le sujet connexe.

Core questions

• Qu'est-ce qui détermine si une réaction biochimique se déroule spontanément ?
• Comment le couplage entraîne-t-il les réactions thermodynamiquement défavorables ?
• Comment les systèmes vivants peuvent-ils maintenir l'ordre sans violer la deuxième loi ?
• Qu'est-ce que le potentiel chimique, et pourquoi la concentration est-elle importante pour l'énergie libre ?

Key theories

Critère d'énergie libre et couplage

Un processus est spontané lorsqu'il diminue l'énergie libre du système, et les cellules entraînent les réactions endergoniques en les couplant à un processus exergonique plus important, tel que l'hydrolyse de l'ATP, de sorte que la variation d'énergie libre combinée soit favorable.

Ordre issu de la dissipation d'énergie libre

Les systèmes vivants maintiennent leur organisation à faible entropie en absorbant continuellement de l'énergie libre et en exportant de l'entropie vers l'environnement, de sorte que l'ordre local est compatible avec la deuxième loi appliquée au système ouvert et à son environnement.

Mechanisms

La direction d'un processus biochimique est déterminée par sa variation d'énergie libre, laquelle dépend de l'énergétique intrinsèque de la réaction et des concentrations des réactifs et des produits via leurs potentiels chimiques. Ainsi, une réaction proche de l'équilibre peut se dérouler dans un sens ou dans l'autre selon les variations de concentrations. Les cellules exploitent ce principe en couplant les réactions : elles associent une étape défavorable à une étape fortement favorable, classiquement l'hydrolyse de l'ATP, de sorte que la variation d'énergie libre totale soit négative. Étant donné que la cellule est un système ouvert qui importe des nutriments et exporte de la chaleur et des déchets, elle maintient son ordre interne en dissipant de l'énergie libre plutôt qu'en défiant les lois de la thermodynamique.

Clinical relevance

Le raisonnement thermodynamique sous-tend le métabolisme, la liaison des médicaments et les maladies bioénergétiques, offrant une base éducative pour ces sujets plutôt que des recommandations cliniques.

History

Le formalisme de l'énergie libre de Gibbs, la conception de la vie par Schrödinger comme se nourrissant d'entropie négative, et la thermodynamique des systèmes ouverts de Prigogine ont établi la vision moderne des cellules comme des systèmes hors équilibre dont l'ordre est maintenu par un flux d'énergie libre.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Comment les cellules restent-elles ordonnées si l'entropie augmente toujours ?

Les cellules sont des systèmes ouverts ; elles maintiennent leur ordre interne en absorbant de l'énergie libre et en exportant de l'entropie vers l'environnement, de sorte que l'entropie totale de la cellule et de son environnement continue d'augmenter.

Pourquoi l'hydrolyse de l'ATP est-elle utilisée pour entraîner d'autres réactions ?

Son hydrolyse libère une grande quantité d'énergie libre favorable dans les conditions cellulaires, ce qui, lorsqu'elle est couplée à une réaction défavorable, rend le processus combiné spontané.