Вільна енергія та біологічна термодинаміка

Як закони термодинаміки застосовуються до живої матерії — чому клітини повинні розсіювати вільну енергію, щоб залишатися впорядкованими, і як несприятливі реакції рухаються шляхом сполучення зі сприятливими.

Definition

Біологічна термодинаміка — це застосування концепцій вільної енергії та ентропії до живих систем, що описує, які процеси можуть відбуватися і як клітини сполучають реакції для живлення несприятливих, підтримуючи порядок далеко від рівноваги.

Scope

Ця тема охоплює термодинамічні основи життя: вільну енергію та хімічний потенціал, критерії спонтанності, енергетичне сполучення, що рухає ендергонічні реакції, та те, в якому сенсі живі клітини є відкритими, нерівноважними системами, що підтримують порядок шляхом експорту ентропії. Вона забезпечує облік, що лежить в основі біоенергетики, тоді як специфічний механізм синтезу АТФ розглядається в сусідній темі.

Core questions

• Що визначає, чи відбувається біохімічна реакція спонтанно?
• Як сполучення рухає термодинамічно несприятливі реакції?
• Як живі системи можуть підтримувати порядок, не порушуючи другого закону?
• Що таке хімічний потенціал, і чому концентрація має значення для вільної енергії?

Key theories

Критерій вільної енергії та сполучення

Процес є спонтанним, коли він знижує вільну енергію системи, і клітини рухають ендергонічні реакції, сполучаючи їх з більшим екзергонічним процесом, таким як гідроліз АТФ, так що сумарна зміна вільної енергії є сприятливою.

Порядок від розсіювання вільної енергії

Живі системи підтримують свою низькоентропійну організацію, безперервно поглинаючи вільну енергію та експортуючи ентропію в навколишнє середовище, тому локальний порядок узгоджується з другим законом, застосованим до відкритої системи плюс її оточення.

Mechanisms

Напрямок біохімічного процесу визначається зміною його вільної енергії, яка залежить від внутрішньої енергетики реакції та від концентрацій реагентів і продуктів через їхні хімічні потенціали, тому реакція поблизу рівноваги може йти в будь-якому напрямку при зміні концентрацій. Клітини використовують це, сполучаючи реакції: поєднуючи несприятливий етап із сильно сприятливим, класично гідролізом АТФ, так що сумарна зміна вільної енергії є негативною. Оскільки клітина є відкритою системою, яка імпортує поживні речовини та експортує тепло і відходи, вона підтримує свій внутрішній порядок, розсіюючи вільну енергію, а не кидаючи виклик термодинаміці.

Clinical relevance

Термодинамічні міркування лежать в основі метаболізму, зв'язування ліків та біоенергетичних захворювань, забезпечуючи освітню основу для цих тем, а не клінічні рекомендації.

History

Формалізм вільної енергії Гіббса, трактування життя Шредінгером як живлення негативною ентропією та термодинаміка відкритих систем Пригожина встановили сучасний погляд на клітини як на нерівноважні системи, порядок яких підтримується потоком вільної енергії.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Як клітини залишаються впорядкованими, якщо ентропія завжди зростає?

Клітини є відкритими системами; вони підтримують свій внутрішній порядок, поглинаючи вільну енергію та експортуючи ентропію в навколишнє середовище, тому загальна ентропія клітини плюс її оточення все ще зростає.

Чому гідроліз АТФ використовується для керування іншими реакціями?

Його гідроліз вивільняє велику сприятливу вільну енергію за клітинних умов, що, будучи сполученим з несприятливою реакцією, робить комбінований процес спонтанним.