Nishati Huru na Termodinamiki ya Kibiolojia

Jinsi sheria za termodinamiki zinavyotumika kwa vitu vilivyo hai—kwa nini seli lazima zitawanye nishati huru ili kubaki zikiwa zimepangika, na jinsi miitikio isiyopendeza inavyoendeshwa kwa kuunganishwa na ile inayopendeza.

Definition

Termodinamiki ya kibiolojia ni matumizi ya dhana za nishati huru na entropia kwa mifumo hai, ikielezea ni michakato gani inaweza kutokea na jinsi seli zinavyounganisha miitikio ili kuendesha ile isiyopendeza huku zikidumisha mpangilio mbali na usawa.

Scope

Mada hii inahusu mfumo wa kitermodinamiki wa uhai: nishati huru na uwezo wa kikemikali, vigezo vya kujitokeza, uunganishaji wa nishati unaoendesha miitikio inayopanda, na jinsi seli zilizo hai zilivyo mifumo wazi, isiyo na usawa inayodumisha mpangilio kwa kusafirisha entropia. Inatoa uhasibu unaounda bioenergetiki, wakati mitambo maalum ya usanisi wa ATP inashughulikiwa katika mada jirani.

Core questions

• Ni nini huamua kama mmenyuko wa kibayokemikali utaendelea wenyewe?
• Uunganishaji huendesha vipi miitikio isiyopendeza kitermodinamiki?
• Mifumo hai inawezaje kudumisha mpangilio bila kukiuka sheria ya pili?
• Uwezo wa kikemikali ni nini, na kwa nini mkusanyiko ni muhimu kwa nishati huru?

Key theories

Kigezo cha nishati huru na uunganishaji

Mchakato hujitokeza wenyewe wakati unapunguza nishati huru ya mfumo, na seli huendesha miitikio inayopanda kwa kuiunganisha na mchakato mkubwa unaoshuka kama vile hidrolisisi ya ATP ili mabadiliko ya jumla ya nishati huru yawe ya kupendeza.

Mpangilio kutokana na utawanyaji wa nishati huru

Mifumo hai hudumisha mpangilio wake wa entropia ya chini kwa kuendelea kuchukua nishati huru na kusafirisha entropia kwenye mazingira, hivyo mpangilio wa ndani unalingana na sheria ya pili inayotumika kwa mfumo wazi pamoja na mazingira yake.

Mechanisms

Mwelekeo wa mchakato wa kibayokemikali huwekwa na mabadiliko yake ya nishati huru, ambayo hutegemea nishati ya ndani ya mmenyuko na viwango vya vitendanishi na bidhaa kupitia uwezo wao wa kikemikali, hivyo mmenyuko karibu na usawa unaweza kwenda pande zote mbili kadiri viwango vinavyobadilika. Seli hutumia hii kwa kuunganisha miitikio: kuoanisha hatua isiyopendeza na ile inayopendeza sana, kwa kawaida hidrolisisi ya ATP, ili mabadiliko ya jumla ya nishati huru yawe hasi. Kwa sababu seli ni mfumo wazi unaoingiza virutubisho na kusafirisha joto na taka, inadumisha mpangilio wake wa ndani kwa kutawanya nishati huru badala ya kukaidi termodinamiki.

Clinical relevance

Hoja za kitermodinamiki huunda msingi wa metaboli, ufungaji wa dawa, na magonjwa ya bioenergetiki, ikitoa msingi wa kielimu kwa mada hizo badala ya mapendekezo ya kimatibabu.

History

Mfumo wa nishati huru wa Gibbs, uundaji wa Schrödinger wa uhai kama unaojilisha kwa entropia hasi, na termodinamiki ya mifumo wazi ya Prigogine ilianzisha mtazamo wa kisasa wa seli kama mifumo isiyo na usawa ambayo mpangilio wake unadumishwa na mtiririko wa nishati huru.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Seli zinakaaje zikiwa zimepangika ikiwa entropia huongezeka kila wakati?

Seli ni mifumo wazi; zinadumisha mpangilio wao wa ndani kwa kuchukua nishati huru na kusafirisha entropia kwenye mazingira, hivyo jumla ya entropia ya seli pamoja na mazingira yake bado huongezeka.

Kwa nini hidrolisisi ya ATP hutumiwa kuendesha miitikio mingine?

Hidrolisisi yake hutoa nishati huru kubwa inayopendeza chini ya hali za seli, ambayo, inapounganishwa na mmenyuko usiopendeza, hufanya mchakato uliounganishwa ujitokeze wenyewe.