พลังงานอิสระและอุณหพลศาสตร์ทางชีวภาพ

กฎของอุณหพลศาสตร์นำมาประยุกต์ใช้กับสิ่งมีชีวิตได้อย่างไร — เหตุใดเซลล์จึงต้องสลายพลังงานอิสระเพื่อรักษาระเบียบ และปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวยถูกขับเคลื่อนได้อย่างไรโดยการเชื่อมโยงกับปฏิกิริยาที่เอื้ออำนวย

Definition

อุณหพลศาสตร์ทางชีวภาพคือการประยุกต์ใช้แนวคิดพลังงานอิสระและเอนโทรปีกับระบบสิ่งมีชีวิต โดยอธิบายว่ากระบวนการใดสามารถเกิดขึ้นได้ และเซลล์เชื่อมโยงปฏิกิริยาเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวยได้อย่างไรในขณะที่รักษาระเบียบที่ห่างไกลจากสมดุล

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกรอบอุณหพลศาสตร์ของสิ่งมีชีวิต: พลังงานอิสระและศักย์เคมี เกณฑ์สำหรับการเกิดเอง การเชื่อมโยงพลังงานที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ต้องใช้พลังงาน และความหมายที่เซลล์สิ่งมีชีวิตเป็นระบบเปิดที่ไม่อยู่ในสมดุลซึ่งรักษาระเบียบโดยการส่งออกเอนโทรปี โดยให้ข้อมูลพื้นฐานที่รองรับชีวพลังงาน ในขณะที่กลไกเฉพาะของการสังเคราะห์ ATP จะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้อง

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดว่าปฏิกิริยาชีวเคมีจะดำเนินไปเองหรือไม่?
• การเชื่อมโยงขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวยทางอุณหพลศาสตร์ได้อย่างไร?
• ระบบสิ่งมีชีวิตสามารถรักษาระเบียบได้อย่างไรโดยไม่ละเมิดกฎข้อที่สอง?
• ศักย์เคมีคืออะไร และเหตุใดความเข้มข้นจึงมีความสำคัญต่อพลังงานอิสระ?

Key theories

เกณฑ์พลังงานอิสระและการเชื่อมโยง

กระบวนการจะเกิดขึ้นเองเมื่อลดพลังงานอิสระของระบบ และเซลล์ขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่ต้องใช้พลังงานโดยการเชื่อมโยงกับกระบวนการที่ปล่อยพลังงานที่ใหญ่กว่า เช่น การไฮโดรไลซิส ATP เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระรวมเป็นบวก

ระเบียบจากการสลายพลังงานอิสระ

ระบบสิ่งมีชีวิตรักษาระเบียบที่มีเอนโทรปีต่ำโดยการรับพลังงานอิสระอย่างต่อเนื่องและส่งออกเอนโทรปีไปยังสิ่งแวดล้อม ดังนั้นระเบียบในท้องถิ่นจึงสอดคล้องกับกฎข้อที่สองที่นำมาใช้กับระบบเปิดบวกกับสิ่งแวดล้อม

Mechanisms

ทิศทางของกระบวนการทางชีวเคมีถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระ ซึ่งขึ้นอยู่กับพลังงานปฏิกิริยาภายในและบนความเข้มข้นของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ผ่านศักย์เคมีของพวกมัน ดังนั้นปฏิกิริยาที่ใกล้สมดุลสามารถดำเนินไปได้ทั้งสองทางเมื่อความเข้มข้นเปลี่ยนไป เซลล์ใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้โดยการเชื่อมโยงปฏิกิริยา: การจับคู่ขั้นตอนที่ไม่เอื้ออำนวยกับขั้นตอนที่เอื้ออำนวยอย่างมาก ซึ่งโดยทั่วไปคือการไฮโดรไลซิส ATP เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระรวมเป็นลบ เนื่องจากเซลล์เป็นระบบเปิดที่นำเข้าสารอาหารและส่งออกความร้อนและของเสีย จึงรักษาระเบียบภายในโดยการสลายพลังงานอิสระแทนที่จะท้าทายกฎอุณหพลศาสตร์

Clinical relevance

การให้เหตุผลทางอุณหพลศาสตร์เป็นพื้นฐานของการเผาผลาญ การจับของยา และโรคทางชีวพลังงาน ซึ่งให้ความรู้พื้นฐานสำหรับหัวข้อเหล่านั้นมากกว่าคำแนะนำทางคลินิก

History

หลักการพลังงานอิสระของกิบส์ (Gibbs's free-energy formalism) แนวคิดของชเรอดิงเงอร์ (Schrödinger) ที่มองว่าสิ่งมีชีวิตดำรงอยู่ได้ด้วยการกินเอนโทรปีเชิงลบ และอุณหพลศาสตร์ของระบบเปิดของพริโกจีน (Prigogine) ได้สร้างมุมมองสมัยใหม่ที่มองว่าเซลล์เป็นระบบที่ไม่อยู่ในสมดุลซึ่งรักษาระเบียบไว้ได้ด้วยการไหลของพลังงานอิสระ

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

เซลล์รักษาระเบียบได้อย่างไรหากเอนโทรปีเพิ่มขึ้นเสมอ?

เซลล์เป็นระบบเปิด พวกมันรักษาระเบียบภายในโดยการรับพลังงานอิสระและส่งออกเอนโทรปีไปยังสิ่งแวดล้อม ดังนั้นเอนโทรปีรวมของเซลล์บวกกับสิ่งแวดล้อมจึงยังคงเพิ่มขึ้น

เหตุใดการไฮโดรไลซิส ATP จึงถูกนำมาใช้เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาอื่น ๆ?

การไฮโดรไลซิสของมันจะปล่อยพลังงานอิสระจำนวนมากที่เอื้ออำนวยภายใต้สภาวะของเซลล์ ซึ่งเมื่อเชื่อมโยงกับปฏิกิริยาที่ไม่เอื้ออำนวย จะทำให้กระบวนการรวมเกิดขึ้นเองได้