Fri energi och biologisk termodynamik

Hur termodynamikens lagar tillämpas på levande materia – varför celler måste avleda fri energi för att upprätthålla ordning, och hur ogynnsamma reaktioner drivs genom koppling till gynnsamma.

Definition

Biologisk termodynamik är tillämpningen av begreppen fri energi och entropi på levande system, som beskriver vilka processer som kan ske och hur celler kopplar reaktioner för att driva ogynnsamma sådana samtidigt som ordning upprätthålls långt från jämvikt.

Scope

Detta ämne behandlar livets termodynamiska ramverk: fri energi och kemisk potential, kriterierna för spontanitet, energikoppling som driver uppförsreaktioner, och hur levande celler är öppna, icke-jämviktssystem som upprätthåller ordning genom att exportera entropi. Det tillhandahåller den redovisning som ligger till grund för bioenergetik, medan den specifika mekanismen för ATP-syntes behandlas i det angränsande ämnet.

Core questions

• Vad avgör om en biokemisk reaktion sker spontant?
• Hur driver koppling termodynamiskt ogynnsamma reaktioner?
• Hur kan levande system upprätthålla ordning utan att bryta mot den andra lagen?
• Vad är kemisk potential, och varför spelar koncentration roll för fri energi?

Key theories

Frie-energikriterium och koppling

En process är spontan när den sänker systemets fria energi, och celler driver uppförsreaktioner genom att koppla dem till en större nedförsprocess som ATP-hydrolys så att den kombinerade frienergiförändringen är gynnsam.

Ordning från frienergidissipation

Levande system upprätthåller sin lågentropiska organisation genom att kontinuerligt ta in fri energi och exportera entropi till omgivningen, så lokal ordning är förenlig med den andra lagen tillämpad på det öppna systemet plus dess miljö.

Mechanisms

Riktningen för en biokemisk process bestäms av dess frienergiförändring, som beror på inneboende reaktionsenergetik och på koncentrationerna av reaktanter och produkter genom deras kemiska potentialer, så en reaktion nära jämvikt kan förlöpa åt båda håll när koncentrationerna skiftar. Celler utnyttjar detta genom att koppla reaktioner: para ihop ett ogynnsamt steg med ett starkt gynnsamt, klassiskt ATP-hydrolys, så att den summerade frienergiförändringen blir negativ. Eftersom cellen är ett öppet system som importerar näringsämnen och exporterar värme och avfall, upprätthåller den sin inre ordning genom att avleda fri energi snarare än genom att trotsa termodynamiken.

Clinical relevance

Termodynamiska resonemang ligger till grund för metabolism, läkemedelsbindning och bioenergetiska sjukdomar, och ger en pedagogisk grund för dessa ämnen snarare än kliniska rekommendationer.

History

Gibbs frienergiformalism, Schrödingers inramning av livet som att det lever på negativ entropi, och Prigogines termodynamik för öppna system etablerade den moderna synen på celler som icke-jämviktssystem vars ordning upprätthålls av frienergiflöde.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Hur håller sig celler ordnade om entropin alltid ökar?

Celler är öppna system; de upprätthåller sin inre ordning genom att ta in fri energi och exportera entropi till omgivningen, så den totala entropin för cellen plus dess omgivning ökar fortfarande.

Varför används ATP-hydrolys för att driva andra reaktioner?

Dess hydrolys frigör en stor gynnsam fri energi under cellulära förhållanden, vilket, när det kopplas till en ogynnsam reaktion, gör den kombinerade processen spontan.