Brīvā enerģija un bioloģiskā termodinamika

Kā termodinamikas likumi attiecas uz dzīvo matēriju — kāpēc šūnām ir jātērē brīvā enerģija, lai saglabātu kārtību, un kā nelabvēlīgas reakcijas tiek virzītas, savienojot tās ar labvēlīgām reakcijām.

Definition

Bioloģiskā termodinamika ir brīvās enerģijas un entropijas jēdzienu pielietojums dzīvajās sistēmās, aprakstot, kuri procesi var notikt un kā šūnas savieno reakcijas, lai virzītu nelabvēlīgas reakcijas, vienlaikus saglabājot kārtību tālu no līdzsvara.

Scope

Šī tēma aptver dzīvības termodinamisko ietvaru: brīvo enerģiju un ķīmisko potenciālu, spontanitātes kritērijus, enerģijas saistīšanu, kas virza augšupējas reakcijas, un to, kādā veidā dzīvās šūnas ir atvērtas, nelīdzsvarotas sistēmas, kas uztur kārtību, eksportējot entropiju. Tā nodrošina aprēķinus, kas ir pamatā bioenerģētikai, savukārt specifiskā ATP sintēzes mašinērija tiek aplūkota blakus tēmā.

Core questions

• Kas nosaka, vai bioķīmiskā reakcija norit spontāni?
• Kā saistīšana virza termodinamiski nelabvēlīgas reakcijas?
• Kā dzīvās sistēmas var uzturēt kārtību, nepārkāpjot otro likumu?
• Kas ir ķīmiskais potenciāls un kāpēc koncentrācijai ir nozīme brīvās enerģijas kontekstā?

Key theories

Brīvās enerģijas kritērijs un saistīšana

Process ir spontāns, ja tas samazina sistēmas brīvo enerģiju, un šūnas virza augšupējas reakcijas, saistot tās ar lielāku lejupēju procesu, piemēram, ATP hidrolīzi, lai kopējā brīvās enerģijas izmaiņa būtu labvēlīga.

Kārtība no brīvās enerģijas izkliedes

Dzīvās sistēmas uztur savu zemas entropijas organizāciju, nepārtraukti uzņemot brīvo enerģiju un eksportējot entropiju uz apkārtējo vidi, tāpēc lokālā kārtība atbilst otrajam likumam, kas piemērots atvērtai sistēmai plus tās videi.

Mechanisms

Bioķīmiskā procesa virzienu nosaka tā brīvās enerģijas izmaiņas, kas atkarīgas no iekšējās reakcijas enerģētikas un reaģentu un produktu koncentrācijas caur to ķīmiskajiem potenciāliem, tāpēc reakcija tuvu līdzsvaram var noritēt abos virzienos, mainoties koncentrācijām. Šūnas to izmanto, savienojot reakcijas: savienojot nelabvēlīgu posmu ar spēcīgi labvēlīgu, klasiski ATP hidrolīzi, lai summētā brīvās enerģijas izmaiņa būtu negatīva. Tā kā šūna ir atvērta sistēma, kas importē barības vielas un eksportē siltumu un atkritumus, tā uztur savu iekšējo kārtību, izkliedējot brīvo enerģiju, nevis pārkāpjot termodinamiku.

Clinical relevance

Termodinamiskā argumentācija ir pamatā vielmaiņai, zāļu saistīšanai un bioenerģētiskām slimībām, nodrošinot izglītojošu pamatu šīm tēmām, nevis klīniskus ieteikumus.

History

Gibbsa brīvās enerģijas formālisms, Šrēdingera dzīvības kā barošanās ar negatīvu entropiju ietvars un Prigožina atvērto sistēmu termodinamika izveidoja mūsdienu skatījumu uz šūnām kā nelīdzsvarotām sistēmām, kuru kārtību uztur brīvās enerģijas plūsma.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Kā šūnas saglabā kārtību, ja entropija vienmēr palielinās?

Šūnas ir atvērtas sistēmas; tās uztur savu iekšējo kārtību, uzņemot brīvo enerģiju un eksportējot entropiju uz vidi, tāpēc kopējā šūnas un tās apkārtnes entropija joprojām palielinās.

Kāpēc ATP hidrolīze tiek izmantota citu reakciju virzīšanai?

Tās hidrolīze atbrīvo lielu labvēlīgu brīvo enerģiju šūnu apstākļos, kas, savienojot ar nelabvēlīgu reakciju, padara kombinēto procesu spontānu.