Fri energi og biologisk termodynamikk

Hvordan termodynamikkens lover gjelder for levende materie – hvorfor celler må avgi fri energi for å opprettholde orden, og hvordan ugunstige reaksjoner drives ved kobling til gunstige reaksjoner.

Definition

Biologisk termodynamikk er anvendelsen av fri energi- og entropikonsepter på levende systemer, som beskriver hvilke prosesser som kan forekomme og hvordan celler kobler reaksjoner for å drive ugunstige reaksjoner samtidig som de opprettholder orden langt fra likevekt.

Scope

Dette emnet dekker livets termodynamiske rammeverk: fri energi og kjemisk potensial, kriteriene for spontanitet, energikobling som driver oppoverbakke-reaksjoner, og hvordan levende celler er åpne, ikke-likevektssystemer som opprettholder orden ved å eksportere entropi. Det gir grunnlaget for bioenergetikk, mens den spesifikke mekanismen for ATP-syntese behandles i det tilstøtende emnet.

Core questions

• Hva bestemmer om en biokjemisk reaksjon forløper spontant?
• Hvordan driver kobling termodynamisk ugunstige reaksjoner?
• Hvordan kan levende systemer opprettholde orden uten å bryte den andre loven?
• Hva er det kjemiske potensialet, og hvorfor er konsentrasjon viktig for fri energi?

Key theories

Fri energikriterium og kobling

En prosess er spontan når den senker systemets frie energi, og celler driver oppoverbakke-reaksjoner ved å koble dem til en større nedoverbakke-prosess som ATP-hydrolyse, slik at den kombinerte fri energi-endringen er gunstig.

Orden fra fri energi-dissipasjon

Levende systemer opprettholder sin lav-entropi-organisering ved kontinuerlig å ta inn fri energi og eksportere entropi til omgivelsene, slik at lokal orden er i samsvar med den andre loven anvendt på det åpne systemet pluss dets miljø.

Mechanisms

Retningen til en biokjemisk prosess bestemmes av dens fri energi-endring, som avhenger av intrinsisk reaksjonsenergetikk og av konsentrasjonene av reaktanter og produkter gjennom deres kjemiske potensialer, slik at en reaksjon nær likevekt kan gå begge veier når konsentrasjonene endres. Celler utnytter dette ved å koble reaksjoner: parre et ugunstig trinn med et sterkt gunstig ett, klassisk ATP-hydrolyse, slik at den summerte fri energi-endringen er negativ. Fordi cellen er et åpent system som importerer næringsstoffer og eksporterer varme og avfall, opprettholder den sin indre orden ved å dissipere fri energi snarere enn ved å trosse termodynamikken.

Clinical relevance

Termodynamisk resonnement ligger til grunn for metabolisme, legemiddelbinding og bioenergetisk sykdom, og gir et pedagogisk grunnlag for disse emnene snarere enn kliniske anbefalinger.

History

Gibbs' formalisme for fri energi, Schrödingers beskrivelse av livet som å ernære seg på negativ entropi, og Prigogines termodynamikk for åpne systemer etablerte det moderne synet på celler som ikke-likevektssystemer hvis orden opprettholdes av fri energi-flyt.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Hvordan holder celler seg ordnede hvis entropien alltid øker?

Celler er åpne systemer; de opprettholder sin indre orden ved å ta inn fri energi og eksportere entropi til miljøet, slik at den totale entropien til cellen pluss dens omgivelser fortsatt øker.

Hvorfor brukes ATP-hydrolyse til å drive andre reaksjoner?

Dens hydrolyse frigjør en stor gunstig fri energi under cellulære forhold, som, når den kobles til en ugunstig reaksjon, gjør den kombinerte prosessen spontan.