Bioenergetica e Termodinamica

Le cellule e gli organismi viventi devono produrre lavoro per vivere, crescere, riprodursi, sono in grado di trasdurre l’energia attraverso diverse forme convertendola nella forma più adatta alle esigenze momentanee.

Possono convertire l’energia chimica di diversi tipi di sostanze in gradienti di concentrazione, gradienti elettrici, movimento e calore, in alcuni casi in luce.

Le trasduzioni biologiche di energia obbediscono agli stessi principi e leggi fisiche che governano tutti i processi naturali.

Bioenergetica e Termodinamica

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni energetiche, ovvero dei cambiamenti dell’energia da una forma ad un’altra che avvengono nelle cellule.

Le trasformazioni biologiche dell’energia seguono le leggi della termodinamica:

il principio di conservazione dell’energia

secondo principio, in tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare

Il sistema che stà reagendo e l’ambiente che lo circonda costituiscono l’universo. Le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti, cioè esse scambiano energia e materia con il loro ambiente esterno per questo pur creando ordine al loro interno non violano il secondo principio in quanto all’esterno l’entropia aumenta.

3 entità termodinamiche descrivono le variazioni di energia in una reazione chimica:

• l’Energia libera di Gibbs, G, esprime la quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti. Quando la reazione procede con il rilascio di energia libera cioè quando il sistema si modifica verso uno stato che possiede meno energia libera, la variazione di energia ha un valore negativo e la reazione viene detta esoergonica. Se la variazione di energia libera è positiva allora è il sistema a guadagnare energia e la reazione è detta endoergonica.
• L’Entalpia, H, è il contenuto termico del sistema che stà reagendo, riflette il numero e il tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti. Quando una reazione rilascia calore viene detta esotermica e ha variazione di entalpia negativa, quando un sistema assume calore è detto endotermico e ha una variazione di entalpia positiva.
• L’Entropia, S, è un’espressione quantitativa della casualità e del disordine di un sistema. Le tre variabili sono regolate dall’equazione ∆G=∆- T∆S

Il valore ∆G di un sistema che reagisce spontaneamente è sempre negativo e non è necessario che l’aumento di entropia abbia luogo nel sistema che stà reagendo.

Le cellule hanno bisogno di fonti di energia libera, questa viene trasformata in ATP e altri composti ricchi di energia, che poi saranno in grado di fornirla per il lavoro biologico a temperatura costante.

La variazione di energia libera standard è direttamente correlata alla costante d’equilibrio. Quando un sistema non è all’equilibrio, la tendenza a spostarsi verso l’equilibrio diventa una forza trainante la cui intensità è espressa dalla variazione di energia libera ∆G della reazione.

In condizioni standard la forza che spinge la reazione verso l’equilibrio è la ∆G°, però nei sistemi biologici la concentrazione degli ioni H+ non è 1 M quindi i biochimici hanno definito lo stato standard in modo diverso: si considera lo stato standard con [H+]= 10^-7, [H2O]= 55.5 M e per le reazioni che convolgono lo ione magnesio Mg2+( la maggior parte delle reazioni che usano ATP come substrato) con concentrazione 1mM.

Le costanti cosi definite vengono dette costanti standard trasformate e si indicano come ∆G’° e K’eq

∆G’°= -RTln(K’eq) la variazione di energia libera standard è semplicemente un modo alternativo per esprimere la costante di equilibrio.

Se K’eq=1 allora ∆G’°=0

Se K’eq>1 allora ∆G’°<0

Se K’eq<1 allora ∆G’°>0

Il valore di ∆G’° corrisponde alla differenza tra il contenuto di energia libera dei prodotti e quello dei reagenti.