Energia swobodna i termodynamika biologiczna

Jak prawa termodynamiki stosują się do żywej materii — dlaczego komórki muszą rozpraszać energię swobodną, aby utrzymać uporządkowanie, i jak niekorzystne reakcje są napędzane przez sprzęganie z reakcjami korzystnymi.

Definition

Termodynamika biologiczna to zastosowanie koncepcji energii swobodnej i entropii do układów żywych, opisujące, które procesy mogą zachodzić i jak komórki sprzęgają reakcje, aby napędzać te niekorzystne, jednocześnie utrzymując porządek daleko od równowagi.

Scope

Ten temat obejmuje ramy termodynamiczne życia: energię swobodną i potencjał chemiczny, kryteria spontaniczności, sprzęganie energii napędzające reakcje endoergiczne oraz sens, w jakim żywe komórki są otwartymi, nierównowagowymi systemami, które utrzymują porządek poprzez eksport entropii. Dostarcza on podstaw rachunkowych bioenergetyki, podczas gdy specyficzny mechanizm syntezy ATP jest omawiany w sąsiednim temacie.

Core questions

• Co decyduje o tym, czy reakcja biochemiczna zachodzi spontanicznie?
• Jak sprzęganie napędza termodynamicznie niekorzystne reakcje?
• Jak układy żywe mogą utrzymywać porządek bez naruszania drugiej zasady termodynamiki?
• Czym jest potencjał chemiczny i dlaczego stężenie ma znaczenie dla energii swobodnej?

Key theories

Kryterium energii swobodnej i sprzęganie

Proces jest spontaniczny, gdy obniża energię swobodną układu, a komórki napędzają reakcje endoergiczne, sprzęgając je z większym procesem egzoergicznym, takim jak hydroliza ATP, tak aby całkowita zmiana energii swobodnej była korzystna.

Porządek z rozpraszania energii swobodnej

Układy żywe utrzymują swoją niskoentropową organizację, nieustannie pobierając energię swobodną i eksportując entropię do otoczenia, więc lokalny porządek jest zgodny z drugą zasadą termodynamiki zastosowaną do układu otwartego wraz z jego środowiskiem.

Mechanisms

Kierunek procesu biochemicznego jest określony przez zmianę jego energii swobodnej, która zależy od wewnętrznej energetyki reakcji oraz od stężeń reagentów i produktów poprzez ich potencjały chemiczne, tak więc reakcja bliska równowagi może zachodzić w obu kierunkach w miarę zmian stężeń. Komórki wykorzystują to, sprzęgając reakcje: łącząc niekorzystny etap z silnie korzystnym, klasycznie hydrolizą ATP, tak aby sumaryczna zmiana energii swobodnej była ujemna. Ponieważ komórka jest układem otwartym, który importuje składniki odżywcze i eksportuje ciepło oraz odpady, utrzymuje swój wewnętrzny porządek poprzez rozpraszanie energii swobodnej, a nie poprzez przeciwstawianie się termodynamice.

Clinical relevance

Rozumowanie termodynamiczne leży u podstaw metabolizmu, wiązania leków i chorób bioenergetycznych, stanowiąc podstawę edukacyjną dla tych tematów, a nie rekomendacje kliniczne.

History

Formalizm energii swobodnej Gibbsa, ujęcie życia przez Schrödingera jako odżywiającego się ujemną entropią oraz termodynamika układów otwartych Prigogine'a ugruntowały współczesny pogląd na komórki jako układy nierównowagowe, których porządek jest utrzymywany przez przepływ energii swobodnej.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Jak komórki pozostają uporządkowane, jeśli entropia zawsze wzrasta?

Komórki są układami otwartymi; utrzymują swój wewnętrzny porządek, pobierając energię swobodną i eksportując entropię do środowiska, tak więc całkowita entropia komórki wraz z jej otoczeniem nadal wzrasta.

Dlaczego hydroliza ATP jest wykorzystywana do napędzania innych reakcji?

Jej hydroliza uwalnia dużą, korzystną energię swobodną w warunkach komórkowych, co, po sprzężeniu z niekorzystną reakcją, sprawia, że połączony proces jest spontaniczny.