ชีวพลังงานและชีวฟิสิกส์เชิงระบบ
ระบบสิ่งมีชีวิตเก็บเกี่ยว กักเก็บ และใช้พลังงานอิสระอย่างไร และฟิสิกส์ของสัญญาณรบกวน การแพร่ และการป้อนกลับมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของเครือข่ายโมเลกุลอย่างไร
Definition
ชีวพลังงานและชีวฟิสิกส์เชิงระบบคือการศึกษาการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระในระบบสิ่งมีชีวิต และหลักการทางฟิสิกส์—อุณหพลศาสตร์, สโตแคสติก (stochasticity), การแพร่, และการป้อนกลับ—ที่ควบคุมพฤติกรรมโดยรวมของเครือข่ายชีวภาพ
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมฟิสิกส์ของสิ่งมีชีวิตในระดับพลังงานและระดับระบบ: การเปลี่ยนเกรเดียนต์เคมีออสโมติกไปเป็น ATP, การบัญชีทางเทอร์โมไดนามิกของพลังงานอิสระที่ขับเคลื่อนกระบวนการของเซลล์, ผลที่ตามมาของการสุ่มของโมเลกุลต่อการแสดงออกของยีน, และการก่อตัวของรูปแบบเชิงพื้นที่ที่เกิดขึ้นเองจากการเกิดปฏิกิริยาและการแพร่กระจาย โดยถือว่าเซลล์เป็นระบบทางกายภาพที่อยู่ห่างไกลจากสมดุล ในขณะที่วิถีเมแทบอลิซึมโดยละเอียดและชีววิทยาพัฒนาการเป็นของสาขาอื่น
Sub-topics
Core questions
- เซลล์เปลี่ยนเกรเดียนต์ไฟฟ้าเคมีให้เป็นพลังงานเคมีที่ใช้งานได้อย่างไร?
- การบัญชีพลังงานอิสระกำหนดได้อย่างไรว่ากระบวนการทางชีวภาพใดสามารถดำเนินต่อไปได้?
- การสุ่มของโมเลกุลส่งผลต่อการแสดงออกของยีนและพฤติกรรมของเซลล์อย่างไร?
- รูปแบบเชิงพื้นที่สามารถเกิดขึ้นเองจากการเกิดปฏิกิริยาและการแพร่ได้อย่างไร?
Key theories
- การเชื่อมโยงเคมีออสโมติก
- สมมติฐานของมิตเชลล์ที่ว่าเกรเดียนต์โปรตอนไฟฟ้าเคมีข้ามเยื่อหุ้มเซลล์เชื่อมโยงการขนส่งอิเล็กตรอนกับการสังเคราะห์ ATP ดังนั้นพลังงานจึงถูกเก็บไว้ในรูปของเกรเดียนต์ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ แทนที่จะเป็นสารเชื่อมโยงทางเคมี
- การก่อตัวของรูปแบบปฏิกิริยา-การแพร่
- ทัวริงแสดงให้เห็นว่าการเชื่อมโยงสปีชีส์ทางเคมีที่ทำปฏิกิริยาซึ่งมีอัตราการแพร่ต่างกัน สามารถทำให้สถานะที่สม่ำเสมอไม่เสถียรและสร้างรูปแบบเชิงพื้นที่ที่อยู่กับที่ได้ ซึ่งเป็นเส้นทางทางกายภาพไปสู่รูปแบบทางชีวภาพ
Mechanisms
เซลล์ทำงานห่างไกลจากสมดุล โดยมีการสลายพลังงานอิสระอย่างต่อเนื่อง การขนส่งอิเล็กตรอนจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ และเกรเดียนต์ไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP synthase ซึ่งเก็บพลังงานไว้ใน ATP ซึ่งพลังงานอิสระจากการไฮโดรไลซิสจะขับเคลื่อนกระบวนการอื่น ๆ—ซึ่งเป็นสมดุลที่ติดตามโดยการบัญชีทางเทอร์โมไดนามิก เนื่องจากโมเลกุลสำคัญมีอยู่ในปริมาณน้อย การแสดงออกของยีนจึงมีสัญญาณรบกวนโดยธรรมชาติ และการสุ่มของโมเลกุลแบบเดียวกันนี้ เมื่อรวมกับการแพร่และการป้อนกลับ จะทำให้เครือข่ายสามารถสลับ สั่น หรือทำลายสมมาตรเพื่อสร้างรูปแบบเชิงพื้นที่ เช่นเดียวกับในระบบปฏิกิริยา-การแพร่
Clinical relevance
การเปลี่ยนแปลงพลังงานและสัญญาณรบกวนในการแสดงออกของยีนเป็นพื้นฐานของการทำงานของไมโทคอนเดรีย การตัดสินใจของเซลล์ และความแข็งแกร่งของการพัฒนา ซึ่งให้บริบททางการศึกษาสำหรับชีววิทยาและการแพทย์นั้น มากกว่าคำแนะนำทางคลินิก
History
สมมติฐานเคมีออสโมติกของมิตเชลล์ในปี 1961 ได้พลิกโฉมการค้นหาสารเชื่อมโยงทางเคมี และปรับกรอบชีวพลังงานรอบเกรเดียนต์ของเยื่อหุ้มเซลล์ ในขณะที่ทฤษฎีปฏิกิริยา-การแพร่ของทัวริงในปี 1952 และการศึกษาเชิงปริมาณในภายหลังเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนในการแสดงออกของยีน ได้ก่อตั้งมุมมองเชิงระบบขององค์กรทางชีวภาพโดยอาศัยฟิสิกส์
Key figures
- Peter Mitchell
- Alan Turing
- Paul Nurse
- Michael Elowitz
Related topics
Seminal works
- mitchell1961
- turing1952
- nelson2014
Frequently asked questions
- การที่เซลล์อยู่ห่างไกลจากสมดุลหมายความว่าอย่างไร?
- เซลล์สิ่งมีชีวิตรับและสลายพลังงานอย่างต่อเนื่องเพื่อรักษาระเบียบของตนเอง หากอยู่ในสมดุลที่แท้จริง เซลล์ก็จะตาย ดังนั้นสถานะที่เป็นระเบียบและเปลี่ยนแปลงตลอดเวลาจึงคงอยู่ได้ด้วยการไหลของพลังงานอิสระอย่างต่อเนื่องเท่านั้น
- ทำไมสัญญาณรบกวนของโมเลกุลจึงมีความสำคัญในทางชีววิทยา?
- โมเลกุลควบคุมหลายชนิดมีอยู่ในปริมาณน้อย ดังนั้นความผันผวนแบบสุ่มจึงมีความสำคัญและสามารถทำให้เซลล์ที่มีพันธุกรรมเหมือนกันมีพฤติกรรมแตกต่างกัน ซึ่งฟิสิกส์ของระบบสโตแคสติกช่วยอธิบายได้