Serbest Enerji ve Biyolojik Termodinamik
Termodinamik yasalarının canlı maddeye nasıl uygulandığı — hücrelerin düzenli kalmak için neden serbest enerjiyi dağıtması gerektiği ve elverişsiz reaksiyonların elverişli olanlarla eşleşerek nasıl ilerletildiği.
Tanım
Biyolojik termodinamik, serbest enerji ve entropi kavramlarının canlı sistemlere uygulanmasıdır; hangi süreçlerin gerçekleşebileceğini ve hücrelerin dengeden uzak bir şekilde düzeni korurken elverişsiz reaksiyonları ilerletmek için reaksiyonları nasıl eşleştirdiğini tanımlamaktadır.
Kapsam
Bu konu, yaşamın termodinamik çerçevesini kapsamaktadır: serbest enerji ve kimyasal potansiyel, kendiliğindenlik kriterleri, yokuş yukarı reaksiyonları ilerleten enerji eşleşmesi ve canlı hücrelerin entropi ihraç ederek düzeni sürdüren açık, denge dışı sistemler olma anlamı. Biyoenerjetiğin temelini oluşturan hesaplamayı sağlamakta olup, ATP sentezinin spesifik mekanizması komşu konuda ele alınmaktadır.
Temel sorular
- Bir biyokimyasal reaksiyonun kendiliğinden ilerleyip ilerlemediğini ne belirler?
- Eşleşme, termodinamik olarak elverişsiz reaksiyonları nasıl ilerletir?
- Canlı sistemler, ikinci yasayı ihlal etmeden düzeni nasıl koruyabilir?
- Kimyasal potansiyel nedir ve konsantrasyon serbest enerji için neden önemlidir?
Temel kuramlar
- Serbest enerji kriteri ve eşleşme
- Bir süreç, sistemin serbest enerjisini düşürdüğünde kendiliğinden gerçekleşmektedir ve hücreler, ATP hidrolizi gibi daha büyük bir yokuş aşağı süreçle eşleştirerek yokuş yukarı reaksiyonları ilerletmektedir, böylece birleşik serbest enerji değişimi elverişli olmaktadır.
- Serbest enerji dağılımından düzen
- Canlı sistemler, sürekli olarak serbest enerji alarak ve çevreye entropi ihraç ederek düşük entropili organizasyonlarını sürdürmektedirler, böylece yerel düzen, açık sistem artı çevresine uygulanan ikinci yasayla tutarlıdır.
Mekanizmalar
Bir biyokimyasal sürecin yönü, serbest enerji değişimi tarafından belirlenmektedir; bu değişim, içsel reaksiyon enerjisine ve reaktanların ve ürünlerin kimyasal potansiyelleri aracılığıyla konsantrasyonlarına bağlıdır, bu nedenle dengeye yakın bir reaksiyon, konsantrasyonlar değiştikçe her iki yöne de ilerleyebilmektedir. Hücreler bunu reaksiyonları eşleştirerek kullanmaktadır: elverişsiz bir adımı, klasik olarak ATP hidrolizi gibi güçlü bir elverişli adımla eşleştirerek, böylece toplam serbest enerji değişimi negatif olmaktadır. Hücre, besinleri alan ve ısı ile atıkları dışarı atan açık bir sistem olduğu için, termodinamiğe meydan okumak yerine serbest enerjiyi dağıtarak iç düzenini sürdürmektedir.
Klinik önem
Termodinamik akıl yürütme, metabolizma, ilaç bağlanması ve biyoenerjetik hastalıkların temelini oluşturmakta olup, klinik tavsiyelerden ziyade bu konular için eğitsel bir temel sağlamaktadır.
Tarihçe
Gibbs'in serbest enerji formalizmi, Schrödinger'in yaşamı negatif entropiyle beslenen bir olgu olarak çerçevelemesi ve Prigogine'in açık sistemler termodinamiği, hücrelerin, düzeni serbest enerji akışıyla sürdürülen denge dışı sistemler olduğu modern görüşünü oluşturmuştur.
Öne çıkan isimler
- J. Willard Gibbs
- Erwin Schrödinger
- Ilya Prigogine
İlgili konular
Temel eserler
- nelson2014
- schrodinger1944
Sıkça sorulan sorular
- Entropi her zaman artıyorsa hücreler nasıl düzenli kalır?
- Hücreler açık sistemlerdir; iç düzenlerini serbest enerji alarak ve çevreye entropi ihraç ederek korurlar, bu nedenle hücrenin ve çevresinin toplam entropisi hala artmaktadır.
- ATP hidrolizi neden diğer reaksiyonları ilerletmek için kullanılır?
- Hidrolizi, hücresel koşullar altında büyük bir elverişli serbest enerji açığa çıkarmaktadır; bu da elverişsiz bir reaksiyonla eşleştirildiğinde birleşik süreci kendiliğinden hale getirmektedir.