אנרגיה חופשית ותרמודינמיקה ביולוגית

כיצד חוקי התרמודינמיקה חלים על חומר חי – מדוע תאים חייבים לפזר אנרגיה חופשית כדי לשמור על סדר, וכיצד תגובות בלתי רצויות מונעות על ידי צימוד לתגובות רצויות.

Definition

תרמודינמיקה ביולוגית היא יישום מושגי אנרגיה חופשית ואנטרופיה למערכות חיות, המתארת אילו תהליכים יכולים להתרחש וכיצד תאים מצמדים תגובות כדי להניע תגובות בלתי רצויות תוך שמירה על סדר הרחק משיווי משקל.

Scope

נושא זה מכסה את המסגרת התרמודינמית של החיים: אנרגיה חופשית ופוטנציאל כימי, הקריטריונים לספונטניות, צימוד אנרגיה המניע תגובות עליה, והאופן שבו תאים חיים הם מערכות פתוחות ולא-שיווי משקל השומרות על סדר על ידי ייצוא אנטרופיה. הוא מספק את החשבונאות העומדת בבסיס הביו-אנרגטיקה, בעוד שהמנגנון הספציפי של סינתזת ATP מטופל בנושא הסמוך.

Core questions

• מה קובע אם תגובה ביוכימית מתרחשת באופן ספונטני?
• כיצד צימוד מניע תגובות בלתי רצויות מבחינה תרמודינמית?
• כיצד מערכות חיות יכולות לשמור על סדר מבלי להפר את החוק השני?
• מהו הפוטנציאל הכימי, ומדוע ריכוז חשוב לאנרגיה חופשית?

Key theories

קריטריון אנרגיה חופשית וצימוד

תהליך הוא ספונטני כאשר הוא מוריד את האנרגיה החופשית של המערכת, ותאים מניעים תגובות עליה על ידי צימודן לתהליך ירידה גדול יותר כגון הידרוליזת ATP, כך ששינוי האנרגיה החופשית המשולב יהיה רצוי.

סדר מפיזור אנרגיה חופשית

מערכות חיות שומרות על הארגון בעל האנטרופיה הנמוכה שלהן על ידי קליטה מתמדת של אנרגיה חופשית וייצוא אנטרופיה לסביבה, כך שסדר מקומי עולה בקנה אחד עם החוק השני המיושם על המערכת הפתוחה בתוספת סביבתה.

Mechanisms

כיוונו של תהליך ביוכימי נקבע על ידי שינוי האנרגיה החופשית שלו, התלוי באנרגטיקת התגובה הפנימית וברכוז המגיבים והתוצרים באמצעות הפוטנציאלים הכימיים שלהם, כך שתגובה קרובה לשיווי משקל יכולה להתנהל לשני הכיוונים ככל שהריכוזים משתנים. תאים מנצלים זאת על ידי צימוד תגובות: זיווג של שלב בלתי רצוי עם שלב רצוי מאוד, באופן קלאסי הידרוליזת ATP, כך ששינוי האנרגיה החופשית המסוכם יהיה שלילי. מכיוון שהתא הוא מערכת פתוחה המייבאת חומרים מזינים ומייצאת חום ופסולת, הוא מקיים את סדרו הפנימי על ידי פיזור אנרגיה חופשית ולא על ידי התרסה נגד התרמודינמיקה.

Clinical relevance

ההיגיון התרמודינמי עומד בבסיס המטבוליזם, קישור תרופות ומחלות ביו-אנרגטיות, ומספק בסיס חינוכי לנושאים אלה ולא המלצות קליניות.

History

הפורמליזם של אנרגיה חופשית של גיבס, ניסוחו של שרדינגר את החיים כהזנה מאנטרופיה שלילית, והתרמודינמיקה של מערכות פתוחות של פריגוז'ין, ביססו את התפיסה המודרנית של תאים כמערכות לא-שיווי משקל שסדרן נשמר על ידי זרימת אנרגיה חופשית.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

כיצד תאים נשארים מסודרים אם האנטרופיה תמיד עולה?

תאים הם מערכות פתוחות; הם שומרים על סדרם הפנימי על ידי קליטת אנרגיה חופשית וייצוא אנטרופיה לסביבה, כך שהאנטרופיה הכוללת של התא בתוספת סביבתו עדיין עולה.

מדוע הידרוליזת ATP משמשת להנעת תגובות אחרות?

הידרוליזה שלה משחררת אנרגיה חופשית רצויה גדולה בתנאים תאיים, אשר, כאשר היא מצומדת לתגובה בלתי רצויה, הופכת את התהליך המשולב לספונטני.