Energi Bebas dan Termodinamika Biologi

Bagaimana hukum termodinamika berlaku pada materi hidup—mengapa sel harus menghilangkan energi bebas untuk tetap teratur, dan bagaimana reaksi yang tidak menguntungkan didorong dengan menggabungkannya dengan reaksi yang menguntungkan.

Definition

Termodinamika biologi adalah penerapan konsep energi bebas dan entropi pada sistem hidup, menjelaskan proses mana yang dapat terjadi dan bagaimana sel menggabungkan reaksi untuk menggerakkan reaksi yang tidak menguntungkan sambil mempertahankan keteraturan jauh dari ekuilibrium.

Scope

Topik ini mencakup kerangka termodinamika kehidupan: energi bebas dan potensial kimia, kriteria spontanitas, penggandengan energi yang mendorong reaksi menanjak, dan pengertian di mana sel hidup adalah sistem terbuka, non-ekuilibrium yang mempertahankan keteraturan dengan mengekspor entropi. Ini menyediakan akuntansi yang mendasari bioenergetika, sedangkan mekanisme spesifik sintesis ATP dibahas dalam topik terkait.

Core questions

• Apa yang menentukan apakah suatu reaksi biokimia berlangsung secara spontan?
• Bagaimana penggandengan mendorong reaksi yang secara termodinamika tidak menguntungkan?
• Bagaimana sistem hidup dapat mempertahankan keteraturan tanpa melanggar hukum kedua?
• Apa itu potensial kimia, dan mengapa konsentrasi penting untuk energi bebas?

Key theories

Kriteria energi bebas dan penggandengan

Suatu proses bersifat spontan ketika menurunkan energi bebas sistem, dan sel mendorong reaksi menanjak dengan menggabungkannya dengan proses menurun yang lebih besar seperti hidrolisis ATP sehingga perubahan energi bebas gabungan menguntungkan.

Keteraturan dari disipasi energi bebas

Sistem hidup mempertahankan organisasi berentropi rendahnya dengan terus-menerus mengambil energi bebas dan mengekspor entropi ke lingkungan, sehingga keteraturan lokal konsisten dengan hukum kedua yang diterapkan pada sistem terbuka ditambah lingkungannya.

Mechanisms

Arah suatu proses biokimia ditentukan oleh perubahan energi bebasnya, yang bergantung pada energetika reaksi intrinsik dan pada konsentrasi reaktan dan produk melalui potensial kimianya, sehingga reaksi di dekat ekuilibrium dapat berjalan ke kedua arah seiring pergeseran konsentrasi. Sel memanfaatkan ini dengan menggabungkan reaksi: memasangkan langkah yang tidak menguntungkan dengan langkah yang sangat menguntungkan, secara klasik hidrolisis ATP, sehingga total perubahan energi bebas adalah negatif. Karena sel adalah sistem terbuka yang mengimpor nutrisi dan mengekspor panas serta limbah, sel mempertahankan keteraturan internalnya dengan menghilangkan energi bebas daripada menentang termodinamika.

Clinical relevance

Penalaran termodinamika mendasari metabolisme, pengikatan obat, dan penyakit bioenergetik, memberikan dasar pendidikan untuk topik-topik tersebut daripada rekomendasi klinis.

History

Formalisme energi bebas Gibbs, pembingkaian kehidupan oleh Schrödinger sebagai pemakan entropi negatif, dan termodinamika sistem terbuka Prigogine membentuk pandangan modern sel sebagai sistem non-ekuilibrium yang keteraturannya dipertahankan oleh aliran energi bebas.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Bagaimana sel tetap teratur jika entropi selalu meningkat?

Sel adalah sistem terbuka; sel menjaga keteraturan internalnya dengan mengambil energi bebas dan mengekspor entropi ke lingkungan, sehingga total entropi sel ditambah lingkungannya masih meningkat.

Mengapa hidrolisis ATP digunakan untuk menggerakkan reaksi lain?

Hidrolisisnya melepaskan energi bebas yang besar dan menguntungkan dalam kondisi seluler, yang, ketika digabungkan dengan reaksi yang tidak menguntungkan, membuat proses gabungan menjadi spontan.