Energia libera e termodinamica biologica

Come le leggi della termodinamica si applicano alla materia vivente: perché le cellule devono dissipare energia libera per mantenere l'ordine, e come le reazioni sfavorevoli sono guidate dall'accoppiamento a quelle favorevoli.

Definition

La termodinamica biologica è l'applicazione dei concetti di energia libera e di entropia ai sistemi viventi, descrivendo quali processi possono avvenire e come le cellule accoppiano le reazioni per alimentare quelle sfavorevoli mantenendo l'ordine lontano dall'equilibrio.

Scope

Questo argomento copre il quadro termodinamico della vita: energia libera e potenziale chimico, i criteri di spontaneità, l'accoppiamento energetico che guida le reazioni endoergoniche, e il senso in cui le cellule viventi sono sistemi aperti, fuori equilibrio, che mantengono l'ordine esportando entropia. Fornisce la contabilità che sottende la bioenergetica, mentre il macchinario specifico della sintesi di ATP è trattato nell'argomento adiacente.

Core questions

• Cosa determina se una reazione biochimica procede spontaneamente?
• In che modo l'accoppiamento guida le reazioni termodinamicamente sfavorevoli?
• Come possono i sistemi viventi mantenere l'ordine senza violare la seconda legge?
• Cos'è il potenziale chimico e perché la concentrazione è importante per l'energia libera?

Key theories

Criterio dell'energia libera e accoppiamento

Un processo è spontaneo quando abbassa l'energia libera del sistema, e le cellule guidano le reazioni endoergoniche accoppiandole a un processo esoergonico più grande come l'idrolisi dell'ATP, in modo che il cambiamento complessivo di energia libera sia favorevole.

Ordine dalla dissipazione di energia libera

I sistemi viventi mantengono la loro organizzazione a bassa entropia assumendo continuamente energia libera ed esportando entropia nell'ambiente circostante, così l'ordine locale è coerente con la seconda legge applicata al sistema aperto più il suo ambiente.

Mechanisms

La direzione di un processo biochimico è determinata dalla sua variazione di energia libera, che dipende dall'energetica intrinseca della reazione e dalle concentrazioni dei reagenti e dei prodotti attraverso i loro potenziali chimici, così una reazione vicina all'equilibrio può procedere in entrambe le direzioni al variare delle concentrazioni. Le cellule sfruttano questo accoppiando le reazioni: abbinando una fase sfavorevole a una fortemente favorevole, classicamente l'idrolisi dell'ATP, in modo che la variazione di energia libera totale sia negativa. Poiché la cellula è un sistema aperto che importa nutrienti ed esporta calore e rifiuti, essa sostiene il suo ordine interno dissipando energia libera piuttosto che sfidando la termodinamica.

Clinical relevance

Il ragionamento termodinamico è alla base del metabolismo, del legame dei farmaci e delle malattie bioenergetiche, fornendo una base educativa per questi argomenti piuttosto che raccomandazioni cliniche.

History

Il formalismo dell'energia libera di Gibbs, l'inquadramento della vita da parte di Schrödinger come alimentazione di entropia negativa, e la termodinamica dei sistemi aperti di Prigogine hanno stabilito la visione moderna delle cellule come sistemi fuori equilibrio il cui ordine è mantenuto dal flusso di energia libera.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Come fanno le cellule a rimanere ordinate se l'entropia aumenta sempre?

Le cellule sono sistemi aperti; mantengono il loro ordine interno assumendo energia libera ed esportando entropia nell'ambiente, così l'entropia totale della cellula più il suo ambiente continua ad aumentare.

Perché l'idrolisi dell'ATP è usata per guidare altre reazioni?

La sua idrolisi rilascia una grande energia libera favorevole in condizioni cellulari, che, quando accoppiata a una reazione sfavorevole, rende spontaneo il processo combinato.