Πώς σχετίζονται ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής με τον κυτταρικό μεταβολισμό;
Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής:Διατήρηση της ενέργειας
* Δήλωση: Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μετασχηματίστηκε μόνο από τη μία μορφή στην άλλη.
* Κυτταρικός μεταβολισμός: Αυτός ο νόμος υπαγορεύει ότι τα κύτταρα πρέπει να λαμβάνουν ενέργεια από το περιβάλλον τους για να εξοικονομήσουν τις μεταβολικές τους διαδικασίες. Αυτή η ενέργεια προέρχεται κυρίως από την κατανομή των μορίων τροφίμων όπως η γλυκόζη, η οποία απελευθερώνει χημική ενέργεια αποθηκευμένη στους δεσμούς τους. Αυτή η ενέργεια χρησιμοποιείται στη συνέχεια για την εκτέλεση βασικών κυτταρικών λειτουργιών όπως η οικοδόμηση νέων μορίων, οι κινούμενες ουσίες σε όλες οι μεμβράνες και η δημιουργία ηλεκτρικών παρορμήσεων.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής:εντροπία
* Δήλωση: Η συνολική εντροπία (διαταραχή ή τυχαία) ενός κλειστού συστήματος αυξάνεται πάντα με την πάροδο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι οι μετασχηματισμοί ενέργειας δεν είναι ποτέ 100% αποτελεσματικοί. Κάποια ενέργεια χάνεται ως θερμότητα, αυξάνοντας τη διαταραχή του περιβάλλοντος.
* Κυτταρικός μεταβολισμός: Τα κύτταρα δεν είναι κλειστά συστήματα, αλλά τα ανοιχτά συστήματα ανταλλάσσουν συνεχώς ενέργεια και έχουν σημασία με το περιβάλλον τους. Αυτή η ανταλλαγή επιτρέπει στα κύτταρα να διατηρούν ένα σχετικά χαμηλό επίπεδο εντροπίας μέσα τους. Ωστόσο, οι κυτταρικές διεργασίες εξακολουθούν να παράγουν θερμότητα ως υποπροϊόν, συμβάλλοντας στη συνολική αύξηση της εντροπίας του σύμπαντος.
Εδώ είναι μερικά συγκεκριμένα παραδείγματα για το πώς ισχύουν οι νόμοι της θερμοδυναμικής για τον κυτταρικό μεταβολισμό:
* φωτοσύνθεση: Τα φυτά καταγράφουν την ελαφριά ενέργεια από τον ήλιο και την μετατρέπουν σε χημική ενέργεια αποθηκευμένη σε μόρια γλυκόζης. Αυτή η διαδικασία δεν είναι 100% αποτελεσματική. Κάποια ενέργεια χάνεται ως θερμότητα, αλλά η συνολική ενέργεια που αποθηκεύεται στη γλυκόζη είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της.
* Κυτταρική αναπνοή: Η διάσπαση της γλυκόζης απελευθερώνει χημική ενέργεια σε κυτταρικές διεργασίες ισχύος. Αυτή η διαδικασία δεν είναι επίσης 100% αποτελεσματική, καθώς κάποια ενέργεια χάνεται ως θερμότητα. Ωστόσο, η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη γλυκόζη εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την εκτέλεση εργασίας μέσα στο κελί, αποδεικνύοντας τη διατήρηση της ενέργειας.
* εντροπία και αναδίπλωση πρωτεΐνης: Οι πρωτεΐνες διπλώνουν σε συγκεκριμένα τρισδιάστατα σχήματα για να εκτελέσουν τις λειτουργίες τους. Αυτή η διαδικασία αναδίπλωσης είναι αυθόρμητη, αλλά απαιτεί την εισροή ενέργειας για να ξεπεραστεί η εντροπική τάση προς μια πιο διαταραγμένη κατάσταση.
* Μεταβολικές οδούς: Οι σύνθετες μεταβολικές οδούς περιλαμβάνουν πολλές διασυνδεδεμένες αντιδράσεις. Κάθε αντίδραση μπορεί να έχει τις δικές της ενεργειακές απαιτήσεις, αλλά η συνολική οδός πρέπει να υπακούει στους νόμους της θερμοδυναμικής. Η συνολική διαδικασία πρέπει να οδηγήσει σε καθαρό ενεργειακό κέρδος ή απώλεια για να είναι ευνοϊκή.
Συνοπτικά
Ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν είναι περιορισμοί, αλλά οι θεμελιώδεις αρχές που καθοδηγούν τον σύνθετο χορό της ροής ενέργειας στον κυτταρικό μεταβολισμό. Παρέχουν ένα πλαίσιο για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα κύτταρα αποκτούν, μετασχηματίζουν και χρησιμοποιούν ενέργεια για να διατηρήσουν τη ζωή και να πραγματοποιήσουν ζωτικές διαδικασίες.
