自由エネルギーと生体熱力学

熱力学の法則が生物にどのように適用されるか—細胞が秩序を維持するために自由エネルギーを散逸させなければならない理由、そして不利な反応が有利な反応との共役によってどのように駆動されるか。

Definition

生体熱力学は、自由エネルギーとエントロピーの概念を生命システムに適用し、どのようなプロセスが起こりうるか、そして細胞が非平衡状態から遠く離れて秩序を維持しながら、不利な反応を駆動するために反応をどのように共役させるかを記述します。

Scope

このトピックは、生命の熱力学的枠組みを扱います。自由エネルギーと化学ポテンシャル、自発性の基準、上り坂の反応を駆動するエネルギー共役、そして生細胞がエントロピーを排出することによって秩序を維持する開放系、非平衡系であるという感覚です。これは生体エネルギー論の基礎となる会計を提供し、ATP合成の具体的なメカニズムは隣接するトピックで扱われます。

Core questions

• 生化学反応が自発的に進行するかどうかは何によって決まりますか？
• 共役は熱力学的に不利な反応をどのように駆動しますか？
• 生命システムは第二法則に違反することなくどのように秩序を維持できますか？
• 化学ポテンシャルとは何ですか、そしてなぜ濃度が自由エネルギーにとって重要なのでしょうか？

Key theories

自由エネルギー基準と共役

プロセスは系の自由エネルギーを低下させるときに自発的であり、細胞はATP加水分解のようなより大きな下り坂のプロセスと共役させることによって上り坂の反応を駆動し、その結果、結合した自由エネルギー変化が有利になります。

自由エネルギー散逸による秩序

生命システムは、自由エネルギーを継続的に取り込み、エントロピーを周囲に排出することによって、その低エントロピー組織を維持しています。したがって、局所的な秩序は、開放系とその環境に適用される第二法則と矛盾しません。

Mechanisms

生化学的プロセスの方向は、その自由エネルギー変化によって決定されます。これは、固有の反応エネルギー論と、化学ポテンシャルを介した反応物および生成物の濃度に依存するため、平衡に近い反応は濃度が変化するとどちらの方向にも進行し得ます。細胞はこれを反応の共役によって利用します。不利な段階を、古典的にはATP加水分解のような非常に有利な段階と組み合わせることで、合計の自由エネルギー変化が負になるようにします。細胞は栄養素を取り込み、熱と老廃物を排出する開放系であるため、熱力学に逆らうのではなく、自由エネルギーを散逸させることによって内部の秩序を維持しています。

Clinical relevance

熱力学的推論は、代謝、薬物結合、および生体エネルギー疾患の根底にあり、これらのトピックに対する教育的基礎を提供しますが、臨床的推奨事項ではありません。

History

ギブスの自由エネルギー形式、シュレーディンガーによる生命を負のエントロピーを糧とするものとしての枠組み、そしてプリゴジンの開放系の熱力学は、細胞を自由エネルギーの流れによって秩序が維持される非平衡系とする現代的な見方を確立しました。

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

エントロピーが常に増加するならば、細胞はどのように秩序を保つのでしょうか？

細胞は開放系であり、自由エネルギーを取り込み、エントロピーを環境に排出することによって内部の秩序を保っています。したがって、細胞とその周囲の総エントロピーは依然として増加します。

なぜATP加水分解が他の反応を駆動するために使われるのですか？

細胞条件下でのその加水分解は、大きな有利な自由エネルギーを放出し、それが不利な反応と共役されると、結合したプロセスが自発的になります。