Szabadenergia és biológiai termodinamika

Hogyan alkalmazhatók a termodinamika törvényei az élő anyagra – miért kell a sejteknek szabadenergiát disszipálniuk a rendezettség fenntartásához, és hogyan hajthatók végre kedvezőtlen reakciók kedvezőekkel való kapcsolás révén.

Definition

A biológiai termodinamika a szabadenergia- és entrópiafogalmak élő rendszerekre való alkalmazása, amely leírja, hogy mely folyamatok mehetnek végbe, és hogyan kapcsolják össze a sejtek a reakciókat a kedvezőtlenek meghajtására, miközben fenntartják a rendezettséget messze az egyensúlytól.

Scope

Ez a téma az élet termodinamikai keretrendszerét tárgyalja: a szabadenergiát és a kémiai potenciált, a spontaneitás kritériumait, az „emelkedő” (endergonikus) reakciókat hajtó energiakapcsolást, valamint azt, hogy az élő sejtek milyen értelemben nyílt, nemegyensúlyi rendszerek, amelyek az entrópia exportálásával tartják fenn a rendezettséget. Ez biztosítja a bioenergetika alapjául szolgáló elszámolást, míg az ATP-szintézis specifikus mechanizmusát a szomszédos téma tárgyalja.

Core questions

• Mi határozza meg, hogy egy biokémiai reakció spontán módon megy-e végbe?
• Hogyan hajtja a kapcsolás a termodinamikailag kedvezőtlen reakciókat?
• Hogyan tarthatják fenn az élő rendszerek a rendezettséget anélkül, hogy megsértenék a második főtételt?
• Mi a kémiai potenciál, és miért számít a koncentráció a szabadenergia szempontjából?

Key theories

Szabadenergia-kritérium és kapcsolás

Egy folyamat akkor spontán, ha csökkenti a rendszer szabadenergiáját, és a sejtek az „emelkedő” reakciókat egy nagyobb „lejtős” (exergonikus) folyamathoz, például ATP-hidrolízishez kapcsolva hajtják végre, így az együttes szabadenergia-változás kedvező.

Rendezett állapot a szabadenergia disszipációjából

Az élő rendszerek alacsony entrópiájú szerveződésüket folyamatos szabadenergia-felvétellel és entrópia-kibocsátással tartják fenn a környezetbe, így a lokális rendezettség összhangban van a nyílt rendszerre és környezetére alkalmazott második főtétellel.

Mechanisms

Egy biokémiai folyamat irányát a szabadenergia-változása határozza meg, amely az intrinzik reakcióenergetikától, valamint a reaktánsok és termékek koncentrációjától függ a kémiai potenciáljukon keresztül, így egy egyensúlyhoz közeli reakció mindkét irányba futhat a koncentrációk eltolódásával. A sejtek ezt reakciók kapcsolásával használják ki: egy kedvezőtlen lépést egy erősen kedvezővel párosítanak, klasszikusan az ATP-hidrolízissel, így az összegzett szabadenergia-változás negatív. Mivel a sejt egy nyílt rendszer, amely tápanyagokat importál, hőt és hulladékot exportál, belső rendezettségét szabadenergia disszipációjával tartja fenn, nem pedig a termodinamika megszegésével.

Clinical relevance

A termodinamikai érvelés képezi az anyagcsere, a gyógyszerkötés és a bioenergetikai betegségek alapját, oktatási alapot biztosítva ezekhez a témákhoz, nem pedig klinikai ajánlásokat.

History

Gibbs szabadenergia-formalizmusa, Schrödingernek az életről mint negatív entrópiából táplálkozó rendszerről alkotott elképzelése, valamint Prigogine nyílt rendszerek termodinamikája megalapozta a sejtek modern nézetét mint nemegyensúlyi rendszerekét, amelyek rendezettségét a szabadenergia-áramlás tartja fenn.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Hogyan maradnak rendezettek a sejtek, ha az entrópia mindig növekszik?

A sejtek nyílt rendszerek; belső rendezettségüket szabadenergia felvételével és entrópia kibocsátásával tartják fenn a környezetbe, így a sejt és környezetének teljes entrópiája továbbra is növekszik.

Miért használják az ATP-hidrolízist más reakciók meghajtására?

Hidrolízise nagy, kedvező szabadenergiát szabadít fel sejten belüli körülmények között, ami egy kedvezőtlen reakcióhoz kapcsolva spontánná teszi az összekapcsolt folyamatot.