मुक्त ऊर्जा और जैविक ऊष्मागतिकी

ऊष्मागतिकी के नियम सजीव पदार्थ पर कैसे लागू होते हैं—कोशिकाओं को व्यवस्थित रहने के लिए मुक्त ऊर्जा का क्षय क्यों करना पड़ता है, और प्रतिकूल अभिक्रियाओं को अनुकूल अभिक्रियाओं के साथ युग्मन करके कैसे संचालित किया जाता है।

Definition

जैविक ऊष्मागतिकी मुक्त-ऊर्जा और एन्ट्रापी अवधारणाओं का सजीव प्रणालियों पर अनुप्रयोग है, जो यह वर्णन करती है कि कौन सी प्रक्रियाएँ हो सकती हैं और कैसे कोशिकाएँ प्रतिकूल प्रक्रियाओं को शक्ति देने के लिए अभिक्रियाओं को युग्मित करती हैं, जबकि संतुलन से दूर व्यवस्था बनाए रखती हैं।

Scope

यह विषय जीवन के ऊष्मागतिकीय ढाँचे को शामिल करता है: मुक्त ऊर्जा और रासायनिक विभव, स्वतःस्फूर्तता के मानदंड, ऊर्जा युग्मन जो प्रतिकूल अभिक्रियाओं को संचालित करता है, और वह अर्थ जिसमें जीवित कोशिकाएँ खुले, गैर-संतुलन तंत्र हैं जो एन्ट्रापी का निर्यात करके व्यवस्था बनाए रखते हैं। यह जैव-ऊर्जा विज्ञान के अंतर्निहित लेखांकन प्रदान करता है, जबकि एटीपी संश्लेषण की विशिष्ट मशीनरी को पड़ोसी विषय में वर्णित किया गया है।

Core questions

• क्या निर्धारित करता है कि एक जैव रासायनिक अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त रूप से आगे बढ़ती है?
• युग्मन ऊष्मागतिकीय रूप से प्रतिकूल अभिक्रियाओं को कैसे संचालित करता है?
• जीवित प्रणालियाँ दूसरे नियम का उल्लंघन किए बिना व्यवस्था कैसे बनाए रख सकती हैं?
• रासायनिक विभव क्या है, और मुक्त ऊर्जा के लिए सांद्रता क्यों मायने रखती है?

Key theories

मुक्त-ऊर्जा मानदंड और युग्मन

एक प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त होती है जब यह तंत्र की मुक्त ऊर्जा को कम करती है, और कोशिकाएँ प्रतिकूल अभिक्रियाओं को एक बड़ी अनुकूल प्रक्रिया जैसे एटीपी जल-अपघटन के साथ युग्मित करके संचालित करती हैं ताकि संयुक्त मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन अनुकूल हो।

मुक्त-ऊर्जा क्षय से व्यवस्था

जीवित प्रणालियाँ लगातार मुक्त ऊर्जा ग्रहण करके और परिवेश में एन्ट्रापी का निर्यात करके अपनी कम-एन्ट्रापी संगठन को बनाए रखती हैं, इसलिए स्थानीय व्यवस्था खुले तंत्र और उसके पर्यावरण पर लागू दूसरे नियम के अनुरूप है।

Mechanisms

एक जैव रासायनिक प्रक्रिया की दिशा उसके मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन द्वारा निर्धारित होती है, जो आंतरिक अभिक्रिया ऊर्जा विज्ञान और अभिकारकों और उत्पादों की सांद्रता पर उनके रासायनिक विभव के माध्यम से निर्भर करती है, इसलिए संतुलन के करीब की अभिक्रिया सांद्रता में बदलाव के साथ किसी भी तरह से चल सकती है। कोशिकाएँ अभिक्रियाओं को युग्मित करके इसका फायदा उठाती हैं: एक प्रतिकूल चरण को एक दृढ़ता से अनुकूल चरण के साथ जोड़ना, शास्त्रीय रूप से एटीपी जल-अपघटन, ताकि कुल मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन नकारात्मक हो। क्योंकि कोशिका एक खुला तंत्र है जो पोषक तत्वों का आयात करती है और गर्मी और अपशिष्ट का निर्यात करती है, यह ऊष्मागतिकी को धता बताने के बजाय मुक्त ऊर्जा का क्षय करके अपनी आंतरिक व्यवस्था को बनाए रखती है।

Clinical relevance

ऊष्मागतिकीय तर्क चयापचय, दवा बंधन और जैव-ऊर्जा संबंधी बीमारी को रेखांकित करता है, जो नैदानिक ​​सिफारिशों के बजाय उन विषयों के लिए शैक्षिक आधार प्रदान करता है।

History

गिब्स का मुक्त-ऊर्जा औपचारिकता, श्रोडिंगर का जीवन को नकारात्मक एन्ट्रापी पर भोजन के रूप में प्रस्तुत करना, और प्रिगोगिन का खुले तंत्रों का ऊष्मागतिकी ने कोशिकाओं के आधुनिक दृष्टिकोण को गैर-संतुलन तंत्रों के रूप में स्थापित किया जिनकी व्यवस्था मुक्त-ऊर्जा प्रवाह द्वारा बनाए रखी जाती है।

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

यदि एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है तो कोशिकाएँ व्यवस्थित कैसे रहती हैं?

कोशिकाएँ खुले तंत्र हैं; वे मुक्त ऊर्जा ग्रहण करके और पर्यावरण में एन्ट्रापी का निर्यात करके अपनी आंतरिक व्यवस्था बनाए रखती हैं, इसलिए कोशिका और उसके परिवेश की कुल एन्ट्रापी अभी भी बढ़ती है।

एटीपी जल-अपघटन का उपयोग अन्य अभिक्रियाओं को संचालित करने के लिए क्यों किया जाता है?

इसका जल-अपघटन कोशिकीय परिस्थितियों में एक बड़ी अनुकूल मुक्त ऊर्जा जारी करता है, जो एक प्रतिकूल अभिक्रिया के साथ युग्मित होने पर संयुक्त प्रक्रिया को स्वतःस्फूर्त बनाता है।