Molekylär demon
En molekylär demon eller biologisk molekylär maskin är en biologisk makromolekyl som liknar och verkar ha samma egenskaper som Maxwells demon . Dessa makromolekyler samlar information för att känna igen deras substrat eller ligand inom en myriad av andra molekyler som flyter i den intracellulära eller extracellulära plasman. Denna molekylära igenkänning representerar en informationsvinst som är ekvivalent med en energivinst eller minskning av entropi . När demonen återställs, dvs när liganden släpps, raderas informationen, energi försvinner och entropin ökar i enlighet med termodynamikens andra lag . Skillnaden mellan biologiska molekylära demoner och tankeexperimentet av Maxwells demon är den senares uppenbara brott mot den andra lagen.
Cykel
Den molekylära demonen växlar huvudsakligen mellan två konformationer . Det första, eller grundläggande tillståndet, genomgår vid igenkänning och bindning av liganden eller substratet efter en inducerad passning en förändring i konformation som leder till det andra kvasistabila tillståndet: protein -ligandkomplexet . För att återställa proteinet till sitt ursprungliga, grundläggande tillstånd behöver det ATP . När ATP konsumeras eller hydrolyseras frigörs liganden och demonen får åter information som återgår till sitt grundläggande tillstånd. Cykeln kan börja igen.
Ratchet
Termodynamikens andra lag är en statistisk lag. Därför kan det hända att enskilda molekyler ibland inte följer lagen. Alla molekyler är föremål för den molekylära stormen, dvs den slumpmässiga rörelsen av molekyler i cytoplasman och den extracellulära vätskan . Molekylära demoner eller molekylära maskiner, antingen biologiska eller artificiellt konstruerade, skjuts kontinuerligt runt av den slumpmässiga termiska rörelsen i en riktning som ibland bryter mot lagen. När detta händer och makromolekylens glidning tillbaka från rörelsen den hade gjort eller konformationsförändringen den genomgick till sitt ursprungliga tillstånd kan förhindras, vilket är fallet med molekylära demoner, fungerar molekylen som en spärr; det är möjligt att till exempel observera skapandet av en gradient av joner eller andra molekyler över cellmembranet , rörelsen av motorproteiner längs filamentproteiner eller även ackumuleringen av produkter som härrör från en enzymatisk reaktion. Även vissa artificiella molekylära maskiner och experiment kan bilda en spärr som uppenbarligen trotsar termodynamikens andra lag. Alla dessa molekylära demoner måste återställas till sitt ursprungliga tillstånd och förbrukar extern energi som sedan försvinner som värme. Detta sista steg där entropin ökar är därför irreversibelt. Om demonerna var reversibla skulle inget arbete utföras.
Artificiell
Ett exempel på konstgjorda spärrar är arbetet av Serreli et al. (2007). Serreli et al. konstruerade en nanomaskin , en rotaxan , som består av en ringformad molekyl, som rör sig längs en liten molekylaxel mellan två olika lika fack, A och B. Den normala, slumpmässiga rörelsen av molekyler skickar ringen fram och tillbaka. Eftersom ringarna rör sig fritt har hälften av rotaxanerna ringen på plats B och den andra hälften på plats A. Men systemet som används av Serreli et al. har en kemisk grind på rotaxanmolekylen och axeln innehåller två klibbiga delar, en på vardera sidan av grinden. Denna grind öppnas när ringen är i närheten. Den klibbiga delen i B är nära porten och ringarna passerar lättare till A än från A till B. De fick en avvikelse från jämvikt på 70:50 för A respektive B, lite som Maxwells demon. Men detta system fungerar bara när ljus lyser på det och behöver därför extern energi, precis som molekylära demoner.
Energi och information
Landauer uppgav att informationen är fysisk. Hans princip sätter grundläggande termodynamiska begränsningar för klassisk och kvantinformationsbehandling. Mycket arbete har ägnats åt att införliva information i termodynamiken och mäta de entropiska och energetiska kostnaderna för att manipulera information. Att få information minskar entropin vilket har en energikostnad. Denna energi måste samlas in från miljön. Landauer etablerade ekvivalens av en bit information med entropi som representeras av kT ln 2, där k är Boltzmann-konstanten och T är rumstemperatur. Denna gräns kallas Landauers gräns. Att radera energi ökar istället entropin. Toyabe et al. (2010) kunde experimentellt demonstrera att information kan omvandlas till fri energi. Det är ett ganska elegant experiment som består av en mikroskopisk partikel på en spiraltrappa-liknande potential. Steget har en höjd motsvarande k B T, där k B är Boltzmann-konstanten och T är temperaturen. Partikeln hoppar mellan stegen på grund av slumpmässiga termiska rörelser. Eftersom de nedåthopp som följer efter gradienten är vanligare än de uppåt, faller partikeln i genomsnitt nedför trappan. Men när ett hopp uppåt observeras placeras ett block bakom partikeln för att förhindra att den faller, precis som i en spärrhake. På så sätt ska den gå upp för trappan. Information får man genom att mäta partikelns placering, vilket motsvarar en energivinst, det vill säga en minskning av entropin. De använde en generaliserad ekvation för den andra lagen som innehåller en variabel för information:
⟨ΔF− W⟩≤ k B TI
ΔF är den fria energin mellan tillstånd , W är det arbete som utförs på systemet, k B är Boltzmann-konstanten , T är temperatur och I är det ömsesidiga informationsinnehållet som erhålls genom mätningar. Hakparenteserna indikerar att energin är ett medelvärde. De skulle kunna omvandla motsvarande en bit information till 0,28 kT ln2 energi eller med andra ord, de kunde utnyttja mer än en fjärdedel av informationens energiinnehåll.
Kognitiva demoner
I sin bok Chance and Necessity beskrev Jacques Monod funktionerna hos proteiner och andra molekyler som med "elektiv diskriminering" kan känna igen ett substrat eller ligand eller annan molekyl. När han beskrev dessa molekyler introducerade han termen "kognitiva" funktioner, samma kognitiva funktioner som Maxwell tillskrev sin demon. Werner Loewenstein går längre och kallar dessa molekyler " molekylär demon " eller "demon" kort och gott.
Att namnge de biologiska molekylära maskinerna på detta sätt gör det lättare att förstå likheterna mellan dessa molekyler och Maxwells demon.
På grund av denna verkliga diskriminerande om inte "kognitiva" egenskap, tillskrev Jacques Monod en teleonomisk funktion till dessa biologiska komplex. Teleonomi innebär idén om en orienterad, sammanhängande och konstruktiv verksamhet. Proteiner måste därför betraktas som väsentliga molekylära medel i alla levande varelsers teleonomiska prestanda.