Vrije energie en biologische thermodynamica

Hoe de wetten van de thermodynamica van toepassing zijn op levende materie – waarom cellen vrije energie moeten dissiperen om geordend te blijven, en hoe ongunstige reacties worden aangedreven door koppeling aan gunstige reacties.

Definition

Biologische thermodynamica is de toepassing van vrije-energie- en entropieconcepten op levende systemen, en beschrijft welke processen kunnen plaatsvinden en hoe cellen reacties koppelen om ongunstige reacties aan te drijven terwijl ze orde handhaven ver van het evenwicht.

Scope

Dit onderwerp behandelt het thermodynamische raamwerk van het leven: vrije energie en chemische potentiaal, de criteria voor spontaniteit, energiekoppeling die endergonische reacties aandrijft, en de manier waarop levende cellen open, niet-evenwichtssystemen zijn die orde handhaven door entropie te exporteren. Het biedt de boekhouding die ten grondslag ligt aan de bio-energetica, terwijl de specifieke machinerie van ATP-synthese wordt behandeld in het aangrenzende onderwerp.

Core questions

• Wat bepaalt of een biochemische reactie spontaan verloopt?
• Hoe drijft koppeling thermodynamisch ongunstige reacties aan?
• Hoe kunnen levende systemen orde handhaven zonder de tweede wet te overtreden?
• Wat is de chemische potentiaal, en waarom is concentratie van belang voor vrije energie?

Key theories

Vrije-energiecriterium en koppeling

Een proces is spontaan wanneer het de vrije energie van het systeem verlaagt, en cellen drijven endergonische reacties aan door ze te koppelen aan een groter exergonisch proces zoals ATP-hydrolyse, zodat de gecombineerde vrije-energieverandering gunstig is.

Orde door dissipatie van vrije energie

Levende systemen handhaven hun lage-entropie-organisatie door continu vrije energie op te nemen en entropie naar de omgeving te exporteren, zodat lokale orde consistent is met de tweede wet toegepast op het open systeem plus zijn omgeving.

Mechanisms

De richting van een biochemisch proces wordt bepaald door de vrije-energieverandering, die afhangt van intrinsieke reactie-energetica en van de concentraties van reactanten en producten via hun chemische potentialen, zodat een reactie nabij evenwicht beide kanten op kan verlopen naarmate de concentraties verschuiven. Cellen benutten dit door reacties te koppelen: een ongunstige stap te paren met een sterk gunstige, klassiek ATP-hydrolyse, zodat de gesommeerde vrije-energieverandering negatief is. Omdat de cel een open systeem is dat voedingsstoffen importeert en warmte en afval exporteert, handhaaft het zijn interne orde door vrije energie te dissiperen in plaats van de thermodynamica te trotseren.

Clinical relevance

Thermodynamische redenering ligt ten grondslag aan metabolisme, medicijnbinding en bio-energetische ziekten, en biedt een educatieve basis voor die onderwerpen in plaats van klinische aanbevelingen.

History

Gibbs's vrije-energieformalisme, Schrödingers kenschetsing van het leven als voedend op negatieve entropie, en Prigogines thermodynamica van open systemen vestigden de moderne visie op cellen als niet-evenwichtssystemen waarvan de orde wordt gehandhaafd door vrije-energiestroom.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Hoe blijven cellen geordend als de entropie altijd toeneemt?

Cellen zijn open systemen; ze handhaven hun interne orde door vrije energie op te nemen en entropie naar de omgeving te exporteren, zodat de totale entropie van de cel plus haar omgeving nog steeds toeneemt.

Waarom wordt ATP-hydrolyse gebruikt om andere reacties aan te drijven?

De hydrolyse ervan geeft een grote gunstige vrije energie vrij onder cellulaire omstandigheden, wat, wanneer gekoppeld aan een ongunstige reactie, het gecombineerde proces spontaan maakt.