Năng lượng tự do và Nhiệt động lực học sinh học

Các định luật nhiệt động lực học được áp dụng như thế nào cho vật chất sống—tại sao tế bào phải tiêu tán năng lượng tự do để duy trì trật tự, và làm thế nào các phản ứng không thuận lợi được thúc đẩy bằng cách ghép nối với các phản ứng thuận lợi.

Definition

Nhiệt động lực học sinh học là việc áp dụng các khái niệm năng lượng tự do và entropy vào các hệ thống sống, mô tả những quá trình nào có thể xảy ra và cách tế bào ghép nối các phản ứng để cung cấp năng lượng cho các phản ứng không thuận lợi trong khi duy trì trật tự cách xa trạng thái cân bằng.

Scope

Chủ đề này bao gồm khuôn khổ nhiệt động lực học của sự sống: năng lượng tự do và thế hóa học, các tiêu chí cho tính tự phát, ghép nối năng lượng thúc đẩy các phản ứng ngược chiều, và ý nghĩa mà các tế bào sống là các hệ thống mở, không cân bằng duy trì trật tự bằng cách xuất entropy. Nó cung cấp cơ sở tính toán cho sinh năng lượng học, trong khi cơ chế cụ thể của tổng hợp ATP được đề cập trong chủ đề liền kề.

Core questions

• Điều gì quyết định liệu một phản ứng sinh hóa có diễn ra tự phát hay không?
• Ghép nối thúc đẩy các phản ứng không thuận lợi về mặt nhiệt động lực học như thế nào?
• Làm thế nào các hệ thống sống có thể duy trì trật tự mà không vi phạm định luật thứ hai?
• Thế hóa học là gì, và tại sao nồng độ lại quan trọng đối với năng lượng tự do?

Key theories

Tiêu chí năng lượng tự do và ghép nối

Một quá trình là tự phát khi nó làm giảm năng lượng tự do của hệ thống, và các tế bào thúc đẩy các phản ứng ngược chiều bằng cách ghép nối chúng với một quá trình thuận chiều lớn hơn như thủy phân ATP để tổng thay đổi năng lượng tự do là thuận lợi.

Trật tự từ sự tiêu tán năng lượng tự do

Các hệ thống sống duy trì tổ chức entropy thấp của chúng bằng cách liên tục hấp thụ năng lượng tự do và xuất entropy ra môi trường xung quanh, do đó trật tự cục bộ phù hợp với định luật thứ hai áp dụng cho hệ thống mở cộng với môi trường của nó.

Mechanisms

Hướng của một quá trình sinh hóa được xác định bởi sự thay đổi năng lượng tự do của nó, phụ thuộc vào năng lượng phản ứng nội tại và nồng độ của các chất phản ứng và sản phẩm thông qua thế hóa học của chúng, do đó một phản ứng gần trạng thái cân bằng có thể diễn ra theo cả hai chiều khi nồng độ thay đổi. Các tế bào khai thác điều này bằng cách ghép nối các phản ứng: ghép một bước không thuận lợi với một bước thuận lợi mạnh mẽ, điển hình là thủy phân ATP, để tổng thay đổi năng lượng tự do là âm. Bởi vì tế bào là một hệ thống mở nhập chất dinh dưỡng và xuất nhiệt và chất thải, nó duy trì trật tự nội bộ bằng cách tiêu tán năng lượng tự do hơn là bằng cách thách thức các định luật nhiệt động lực học.

Clinical relevance

Lý luận nhiệt động lực học là nền tảng của quá trình trao đổi chất, liên kết thuốc và bệnh sinh năng lượng, cung cấp cơ sở giáo dục cho các chủ đề đó hơn là các khuyến nghị lâm sàng.

History

Công thức năng lượng tự do của Gibbs, cách Schrödinger hình dung sự sống như việc hấp thụ entropy âm, và nhiệt động lực học của hệ thống mở của Prigogine đã thiết lập quan điểm hiện đại về tế bào như các hệ thống không cân bằng mà trật tự của chúng được duy trì bởi dòng năng lượng tự do.

Key figures

• J. Willard Gibbs
• Erwin Schrödinger
• Ilya Prigogine

Seminal works

• nelson2014
• schrodinger1944

Frequently asked questions

Làm thế nào các tế bào duy trì trật tự nếu entropy luôn tăng?

Tế bào là hệ thống mở; chúng duy trì trật tự nội bộ bằng cách hấp thụ năng lượng tự do và xuất entropy ra môi trường, do đó tổng entropy của tế bào cộng với môi trường xung quanh vẫn tăng.

Tại sao thủy phân ATP được sử dụng để thúc đẩy các phản ứng khác?

Sự thủy phân của nó giải phóng một lượng lớn năng lượng tự do thuận lợi trong điều kiện tế bào, khi được ghép nối với một phản ứng không thuận lợi, làm cho quá trình kết hợp trở nên tự phát.