Voľná energia a biologická termodynamika

Ako sa zákony termodynamiky uplatňujú na živú hmotu – prečo bunky musia rozptyľovať voľnú energiu, aby si udržali usporiadanosť, a ako sú nepriaznivé reakcie poháňané spriahnutím s priaznivými reakciami.

Definition

Biologická termodynamika je aplikácia konceptov voľnej energie a entropie na živé systémy, ktorá opisuje, ktoré procesy môžu nastať a ako bunky spriahajú reakcie na pohon nepriaznivých reakcií pri udržiavaní usporiadanosti ďaleko od rovnováhy.

Scope

Táto téma pokrýva termodynamický rámec života: voľnú energiu a chemický potenciál, kritériá spontánnosti, energetické spriahnutie, ktoré poháňa endergonické reakcie, a zmysel, v akom sú živé bunky otvorené, nerovnovážne systémy, ktoré udržiavajú usporiadanosť exportom entropie. Poskytuje účtovníctvo, ktoré je základom bioenergetiky, zatiaľ čo špecifický mechanizmus syntézy ATP je spracovaný v susednej téme.

Core questions

• Čo určuje, či biochemická reakcia prebieha spontánne?
• Ako spriahnutie poháňa termodynamicky nepriaznivé reakcie?
• Ako môžu živé systémy udržiavať usporiadanosť bez porušenia druhého zákona?
• Čo je chemický potenciál a prečo je koncentrácia dôležitá pre voľnú energiu?

Key theories

Kritérium voľnej energie a spriahnutie

Proces je spontánny, keď znižuje voľnú energiu systému, a bunky poháňajú endergonické reakcie spriahnutím s väčším exergonickým procesom, ako je hydrolýza ATP, takže kombinovaná zmena voľnej energie je priaznivá.

Usporiadanosť z rozptylu voľnej energie

Živé systémy si udržiavajú svoju nízkoentropickú organizáciu nepretržitým príjmom voľnej energie a exportom entropie do okolia, takže lokálna usporiadanosť je v súlade s druhým zákonom aplikovaným na otvorený systém plus jeho prostredie.

Mechanisms

Smer biochemického procesu je určený zmenou jeho voľnej energie, ktorá závisí od vnútornej energetiky reakcie a od koncentrácií reaktantov a produktov prostredníctvom ich chemických potenciálov, takže reakcia blízko rovnováhy môže prebiehať oboma smermi, keď sa koncentrácie menia. Bunky to využívajú spriahnutím reakcií: spojením nepriaznivého kroku so silne priaznivým, klasicky hydrolýzou ATP, takže súhrnná zmena voľnej energie je záporná. Pretože bunka je otvorený systém, ktorý prijíma živiny a exportuje teplo a odpad, udržiava si svoju vnútornú usporiadanosť rozptyľovaním voľnej energie, a nie vzdorovaním termodynamike.

Clinical relevance

Termodynamické uvažovanie je základom metabolizmu, väzby liečiv a bioenergetických ochorení, poskytujúc vzdelávací základ pre tieto témy, a nie klinické odporúčania.

History

Gibbsov formalizmus voľnej energie, Schrödingerovo chápanie života ako živého z negatívnej entropie a Prigogineho termodynamika otvorených systémov ustanovili moderný pohľad na bunky ako nerovnovážne systémy, ktorých usporiadanosť je udržiavaná tokom voľnej energie.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Ako si bunky udržiavajú usporiadanosť, ak entropia vždy narastá?

Bunky sú otvorené systémy; svoju vnútornú usporiadanosť si udržiavajú príjmom voľnej energie a exportom entropie do prostredia, takže celková entropia bunky plus jej okolia stále narastá.

Prečo sa hydrolýza ATP používa na pohon iných reakcií?

Jej hydrolýza uvoľňuje veľkú priaznivú voľnú energiu za bunkových podmienok, ktorá, keď je spriahnutá s nepriaznivou reakciou, robí kombinovaný proces spontánnym.