Energia Livre e Termodinâmica Biológica

Como as leis da termodinâmica se aplicam à matéria viva — por que as células devem dissipar energia livre para se manterem ordenadas, e como reações desfavoráveis são impulsionadas pelo acoplamento a reações favoráveis.

Definition

A termodinâmica biológica é a aplicação de conceitos de energia livre e entropia a sistemas vivos, descrevendo quais processos podem ocorrer e como as células acoplam reações para impulsionar as desfavoráveis, mantendo a ordem longe do equilíbrio.

Scope

Este tópico abrange a estrutura termodinâmica da vida: energia livre e potencial químico, os critérios para espontaneidade, o acoplamento de energia que impulsiona reações endergônicas, e o sentido em que as células vivas são sistemas abertos e fora do equilíbrio que mantêm a ordem exportando entropia. Ele fornece a contabilidade que fundamenta a bioenergética, enquanto a maquinaria específica da síntese de ATP é tratada no tópico vizinho.

Core questions

• O que determina se uma reação bioquímica ocorre espontaneamente?
• Como o acoplamento impulsiona reações termodinamicamente desfavoráveis?
• Como os sistemas vivos podem manter a ordem sem violar a segunda lei?
• O que é o potencial químico e por que a concentração é importante para a energia livre?

Key theories

Critério de energia livre e acoplamento

Um processo é espontâneo quando diminui a energia livre do sistema, e as células impulsionam reações endergônicas acoplando-as a um processo exergônico maior, como a hidrólise de ATP, de modo que a mudança combinada de energia livre seja favorável.

Ordem a partir da dissipação de energia livre

Os sistemas vivos mantêm sua organização de baixa entropia absorvendo continuamente energia livre e exportando entropia para o ambiente, de modo que a ordem local é consistente com a segunda lei aplicada ao sistema aberto mais seu ambiente.

Mechanisms

A direção de um processo bioquímico é definida pela sua mudança de energia livre, que depende da energética intrínseca da reação e das concentrações de reagentes e produtos através dos seus potenciais químicos, de modo que uma reação próxima do equilíbrio pode ocorrer em qualquer direção à medida que as concentrações mudam. As células exploram isso acoplando reações: emparelhando uma etapa desfavorável com uma fortemente favorável, classicamente a hidrólise de ATP, de modo que a mudança total de energia livre seja negativa. Como a célula é um sistema aberto que importa nutrientes e exporta calor e resíduos, ela sustenta sua ordem interna dissipando energia livre em vez de desafiar a termodinâmica.

Clinical relevance

O raciocínio termodinâmico fundamenta o metabolismo, a ligação de fármacos e as doenças bioenergéticas, fornecendo uma base educacional para esses tópicos, em vez de recomendações clínicas.

History

O formalismo da energia livre de Gibbs, a concepção de Schrödinger da vida como se alimentando de entropia negativa, e a termodinâmica de sistemas abertos de Prigogine estabeleceram a visão moderna das células como sistemas fora do equilíbrio cuja ordem é mantida pelo fluxo de energia livre.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Como as células se mantêm ordenadas se a entropia sempre aumenta?

As células são sistemas abertos; elas mantêm sua ordem interna absorvendo energia livre e exportando entropia para o ambiente, de modo que a entropia total da célula mais seu entorno ainda aumenta.

Por que a hidrólise de ATP é usada para impulsionar outras reações?

Sua hidrólise libera uma grande energia livre favorável em condições celulares, o que, quando acoplada a uma reação desfavorável, torna o processo combinado espontâneo.