Energia liberă și termodinamica biologică

Cum se aplică legile termodinamicii materiei vii – de ce celulele trebuie să disipeze energia liberă pentru a-și menține ordinea și cum reacțiile nefavorabile sunt determinate de cuplarea cu cele favorabile.

Definition

Termodinamica biologică este aplicarea conceptelor de energie liberă și entropie la sistemele vii, descriind ce procese pot avea loc și cum celulele cuplează reacțiile pentru a le susține pe cele nefavorabile, menținând în același timp ordinea departe de echilibru.

Scope

Acest subiect acoperă cadrul termodinamic al vieții: energia liberă și potențialul chimic, criteriile de spontaneitate, cuplarea energetică ce determină reacțiile endergonice și sensul în care celulele vii sunt sisteme deschise, de neechilibru, care mențin ordinea prin exportul de entropie. Oferă baza de calcul care stă la baza bioenergeticii, în timp ce mecanismul specific al sintezei ATP este tratat în subiectul învecinat.

Core questions

• Ce determină dacă o reacție biochimică decurge spontan?
• Cum determină cuplarea reacțiile termodinamic nefavorabile?
• Cum pot sistemele vii să mențină ordinea fără a încălca a doua lege?
• Ce este potențialul chimic și de ce concentrația este importantă pentru energia liberă?

Key theories

Criteriul energiei libere și cuplarea

Un proces este spontan atunci când scade energia liberă a sistemului, iar celulele determină reacțiile endergonice prin cuplarea lor cu un proces exergonic mai amplu, cum ar fi hidroliza ATP, astfel încât schimbarea combinată a energiei libere să fie favorabilă.

Ordine din disiparea energiei libere

Sistemele vii își mențin organizarea cu entropie scăzută prin preluarea continuă de energie liberă și exportul de entropie în mediul înconjurător, astfel încât ordinea locală este în concordanță cu a doua lege aplicată sistemului deschis plus mediul său.

Mechanisms

Direcția unui proces biochimic este stabilită de modificarea energiei sale libere, care depinde de energetica intrinsecă a reacției și de concentrațiile reactanților și produșilor prin potențialele lor chimice, astfel încât o reacție aproape de echilibru poate decurge în ambele sensuri pe măsură ce concentrațiile se modifică. Celulele exploatează acest lucru prin cuplarea reacțiilor: asocierea unui pas nefavorabil cu unul puternic favorabil, clasic hidroliza ATP, astfel încât modificarea sumată a energiei libere să fie negativă. Deoarece celula este un sistem deschis care importă nutrienți și exportă căldură și deșeuri, își menține ordinea internă prin disiparea energiei libere, mai degrabă decât prin sfidarea termodinamicii.

Clinical relevance

Raționamentul termodinamic stă la baza metabolismului, a legării medicamentelor și a bolilor bioenergetice, oferind o bază educațională pentru aceste subiecte, mai degrabă decât recomandări clinice.

History

Formalismul energiei libere al lui Gibbs, încadrarea vieții de către Schrödinger ca hrănindu-se cu entropie negativă și termodinamica sistemelor deschise a lui Prigogine au stabilit viziunea modernă a celulelor ca sisteme de neechilibru a căror ordine este menținută de fluxul de energie liberă.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Cum își mențin celulele ordinea dacă entropia crește întotdeauna?

Celulele sunt sisteme deschise; își mențin ordinea internă prin preluarea de energie liberă și exportul de entropie în mediu, astfel încât entropia totală a celulei plus a mediului său înconjurător continuă să crească.

De ce este folosită hidroliza ATP pentru a determina alte reacții?

Hidroliza sa eliberează o energie liberă favorabilă mare în condiții celulare, care, atunci când este cuplată cu o reacție nefavorabilă, face ca procesul combinat să fie spontan.