Principi di bioenergetica e termodinamica

Di Pierluigi De Pascalis

Definizione di bioenergetica. La termodinamica: le leggi fondamentali. Il principio di conservazione. Il principio per cui l'entropia tende ad aumentare. Entalpia ed entropia. Equazione di correlazione tra entalpia ed entropia

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle conversioni di energia che avvengono all'interno delle cellule, e della natura e della funzione dei processi chimici alla base di queste conversioni.

Le trasformazioni energetiche seguono le due leggi fondamentali della termodinamica ovvero il principio di conservazione dell'energia, secondo il quale:

in qualsiasi modificazione chimica o fisica la quantità totale di energia nell'universo resta costante, anche se le forme di energia possono cambiare

ed il secondo principio, secondo cui

in tutti i processi naturali l'entropia tende ad aumentare

La quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti è definita l'energia libera di Gibs (G).

Quando una reazione procede rilasciando energia libera nell'ambiente, la variazione energetica (∆G) ha segno negativo e, la reazione, è definita esoergonica. Per contro, quando la reazione procede facendo guadagnare energia libera al sistema, prelevandola dall'ambiente, ∆G avrà segno positivo e, la reazione, sarà di tipo endoergonico.

L'entalpia (H) è il contenuto termico di un sistema che sta reagendo ed è correlata al numero ed al tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti.

Una reazione è definita esotermica se rilascia calore, ossia se il contenuto termico dei prodotti è minore rispetto al contenuto termico dei reagenti, quindi il ∆H sarà negativo.

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∆G e ∆H sono espressi in joule/mole o calorie/mole.

L'entropia (S) viene espressa in joule/mole*Kelvin, ed è un'espressione della quantità e della casualità di disordine di un sistema. Se i prodotti di una reazione risultano essere meno complessi e più disordinati dei reagenti, allora la reazione stessa avrà un guadagno entropico.

Nelle normali condizioni dei sistemi biologici (a temperatura e pressioni costanti) le variazioni di energia libera, di entalpia ed entropia sono fra loro correlate secondo l'equazione:

∆G=∆H-T∆S

Dove ∆G è la variazione di energia libera di Gibs del sistema che sta reagendo e ∆H (negativo quando il sistema rilascia calore nell'ambiente circostante) la variazione di entalpia, T la temperatura assoluta e ∆S (positivo quando l'entropia aumenta) la variazione di entropia del sistema.

I processi che reagiscono spontaneamente avranno ∆G sempre negativo.

Negli organismi viventi, l'ordine interno, è conservato mediante il prelievo di energia libera dall'ambiente circostante (attraverso i nutrienti nel caso di cellule eterotrofiche, o attraverso la radiazione della luce solare nel caso di cellule fotosintetiche), e restituendo all'ambiente energia ed entropia, in perfetto accordo con la seconda legge della termodinamica.

Le cellule possono e devono usare l'energia libera, in quanto sistemi isotermi ovvero funzionanti a temperatura e pressione costante. Questo consente di predire la direzione delle reazioni chimiche, le loro posizioni, e la quantità di lavoro teoricamente ottenibile a temperatura e pressioni costanti.

Entrambi i tipi di cellule sopra citati (eterotrofiche e fotosintetiche) convertono l'energia libera in ATP ed altri composti ricchi di energia, capaci di fornire l'energia necessaria per il lavoro biologico in situazioni isotermiche.

Bibliografia

  1. Principi di biochimica
    David L. Nelson, Michael M. Cox
  2. Biochimica
    Berg Jeremy M.; Tymoczko John L.; Stryer Lubert
  3. Fondamenti di biochimica
    Donald Voet, Judith G. Voet, Charlotte W. Pratt

Voci glossario

ATP