Ce sont les lois de la thermodynamique dans les systèmes biologiques

Les lois de la thermodynamique sont un ensemble de quatre énoncés qui décrivent comment l’énergie est transformée et comment elle est transmise d’un système à un autre ou entre un système et son environnement. Ces lois sont d’une immense importance pour la science, car elles nous aident à comprendre la raison pour laquelle de nombreux phénomènes que nous voyons tous les jours se produisent.

En ce sens, aucun phénomène n’est plus spécial et impressionnant que la vie elle-même, et elle n’échappe pas aux lois de la thermodynamique. Ensuite, nous explorerons comment ces lois s’appliquent aux systèmes biologiques et comment elles nous ont aidés à tout comprendre, des processus les plus simples, tels que la diffusion passive à travers une membrane, à la machinerie complexe qui nous permet de transformer notre nourriture en énergie pour maintenir la vie. .la vie.

Les lois de la thermodynamique sont au nombre de quatre :

• Loi zéro.
• La première loi de la thermodynamique.
• La deuxième loi de la thermodynamique.
• La troisième loi de la thermodynamique.

Cependant, parmi les quatre lois, la loi zéro est relativement triviale et la troisième loi a peu d’applications directes en biologie, donc dans cet article, nous ne couvrons que superficiellement la loi zéro et la troisième loi.

Systèmes thermodynamiques en biologie

Pour bien comprendre la thermodynamique en général, il faut commencer par comprendre ce qu’est un système thermodynamique. Cela fait référence à la partie de l’univers que nous étudions. Le reste de l’univers qui ne fait pas partie du système s’appelle l’environnement.

Selon les caractéristiques de leurs parois ou la frontière entre le système et l’environnement, les systèmes peuvent être isolés, fermés ou ouverts. Les systèmes biologiques sont généralement des systèmes ouverts qui permettent le passage de l’énergie et de la matière de l’environnement vers le système et vice versa.

la loi zéro

La loi zéro concerne l’équilibre thermique, c’est-à-dire la condition dans laquelle deux corps en contact thermique n’échangent pas de chaleur l’un avec l’autre. Cette loi peut s’énoncer comme suit :

Deux systèmes en équilibre thermique avec un troisième sont également en équilibre thermique entre eux.

Ceci est illustré dans la figure suivante. Si les systèmes A et B sont en équilibre thermique et que les systèmes B et C sont également en équilibre thermique, alors les systèmes A et C doivent être en équilibre thermique.

Application de la loi zéro dans les systèmes biologiques

Comme nous venons de l’observer, la loi zéro permet de déterminer quand deux systèmes sont en équilibre thermique. Nous appliquons cette loi sans nous en rendre compte à chaque fois que nous prenons une mesure de température avec un thermomètre.

Par exemple, si nous laissons le thermomètre en contact avec l’intérieur de notre bouche (qui est un système biologique), l’équilibre thermique finira par être atteint entre le verre du thermomètre et la bouche. Cependant, lors de la lecture de la température grâce au mercure à l’intérieur, nous supposons que le mercure sera également en équilibre thermique avec la bouche, même s’il n’est pas en contact direct avec celle-ci.

Cependant, puisque le mercure est en contact et en équilibre thermique avec le verre, et que le verre est en équilibre thermique avec la bouche, alors la loi zéro stipule que le mercure doit également être en équilibre thermique avec la bouche.

La première loi de la thermodynamique

La première loi est la loi de conservation de l’énergie. Cela indique que l’énergie dans l’univers est constante. Il n’est ni créé ni détruit, il est seulement transformé . Cela signifie qu’aucun processus ne peut jamais se produire dans un système (qu’il soit biologique ou non) dans lequel le système gagne de l’énergie sans que l’environnement en perde.

Cette loi a une forme mathématique très simple qui est :

où U représente l’énergie interne du système, q est la quantité de chaleur qui entre dans le système et w est la quantité de travail que le système transmet à l’environnement. Dans certains cas, le travail est écrit avec un signe positif, mais il est remplacé par le travail que l’environnement fait sur le système ; dans tous les cas, la signification des deux équations est exactement la même.

Application de la première loi dans les systèmes biologiques

Il est très facile de comprendre l’application de la première loi à des systèmes biologiques de toute taille, d’une petite bactérie, à un être humain, à un séquoia géant. C’est simplement un bilan énergétique.

Exemple d’application de la première loi dans les systèmes biologiques

Nous pouvons voir nos aliments comme des sources d’énergie, les « calories » que nous consommons. La graisse corporelle, qui est l’une des façons dont le corps stocke l’énergie, représente le niveau d’énergie interne, tandis que w, le travail effectué par le système, est l’exercice. Vue sous cet angle, la première loi nous donne une explication très simple pour comprendre pourquoi nous grossissons. Chaque fois que nous mangeons des aliments, c’est-à-dire des calories, si nous ne les brûlons pas en faisant de l’exercice pour les restituer à l’environnement, celles-ci vont être stockées sous forme d’énergie interne, c’est-à-dire sous forme de graisse corporelle.

Quiconque veut perdre du poids doit s’assurer que q (ce qu’il mange) est inférieur à w (l’énergie qu’il dépense pour faire de l’exercice et développer ses fonctions vitales).

Cette loi nous permet d’établir clairement quels processus sont possibles et lesquels sont impossibles. Perdre du poids en mangeant plus de calories que nous n’en brûlons est tout simplement impossible, peu importe à quel point ils veulent nous en convaincre.

La deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi stipule que, dans tout processus naturel ou spontané, une partie de l’énergie interne est toujours perdue sous forme de chaleur. Cela explique pourquoi une balle est lâchée à partir d’une certaine hauteur et est autorisée à rebondir chaque fois qu’elle atteint une hauteur inférieure, jusqu’à ce qu’elle finisse au repos sur le sol.

Si nous suivons la première loi, l’énergie potentielle qui était à l’origine stockée dans la balle devait être allée quelque part. La deuxième loi établit que cette énergie est dissipée sous forme de chaleur vers l’environnement.

Application de la deuxième loi dans les systèmes biologiques

La deuxième loi a de nombreuses implications pour la biologie et les systèmes biologiques. Cependant, pour comprendre comment cela s’applique à cette branche de la science, nous devons d’abord comprendre les concepts d’entropie et d’énergie libre de Gibbs, et comment ils se rapportent à la deuxième loi.

entropie

Chaque fois que vous parlez de la deuxième loi, vous parlez d’entropie, un concept physique représenté par la lettre S. L’entropie a été découverte à l’origine comme une fonction d’état dont le changement au cours d’un processus thermodynamique est une mesure de la quantité de chaleur dissipée au cours de ce processus. Cependant, un scientifique nommé Ludwig Boltzmann a découvert que l’entropie est en fait une mesure du désordre d’un système.

Grâce à diverses manipulations mathématiques, il a été conclu que la deuxième loi pouvait être énoncée en termes de changement d’entropie de l’univers (ΔS _U ) comme suit :

Tout processus naturel ou spontané implique nécessairement une augmentation de l’entropie de l’univers .

C’est-à-dire que l’entropie et la deuxième loi nous fournissent un outil pour prédire quand un processus sera spontané et quand il ne le sera pas. De plus, cela nous donne une explication sur la tendance de tous les processus dans l’univers depuis le Big Bang . On pourrait dire que tout ce qui se passe dans l’univers aujourd’hui vise à dissiper sous forme de chaleur toute l’énergie qui s’est dégagée lors de la formation de l’univers.

Énergie libre de Gibbs

Sur le plan pratique, la deuxième loi est appliquée aux systèmes biologiques au moyen d’une autre fonction d’état appelée l’énergie libre de Gibbs, représentée par la lettre G. Comme son nom l’indique, il s’agit de la quantité maximale d’énergie qu’un système est libre. à utiliser pour faire un travail autre que l’expansion. Ceci est particulièrement pertinent en biologie et en biochimie, car cela inclut des travaux sur des processus tels que la diffusion à travers les membranes (qu’elle soit active ou passive), toutes les réactions catalysées par des enzymes, les processus électrochimiques (y compris les potentiels d’action dans les neurones et les cellules musculaires), etc.

L’importance de l’énergie de Gibbs est que, dans les conditions normales dans lesquelles se produisent la vie et les processus biologiques, la variation de l’énergie libre de Gibbs, c’est-à-dire ΔG, est directement liée à la variation de l’entropie de l’univers. (ΔS _U ), de telle sorte que si nous connaissons le signe de ΔG, nous pouvons déduire le signe de ΔS _U , de sorte que nous pouvons l’utiliser comme critère de spontanéité pour les réactions chimiques et autres processus qui se produisent dans les cellules de notre corps.

Les critères de spontanéité sont résumés dans le tableau suivant :

Le couplage des réactions biochimiques

Les processus qui ont un changement d’énergie libre négatif et sont donc de l’énergie de libération spontanée et sont donc appelés processus exergoniques ou exothermiques. Par contre, ceux qui ont un ΔG négatif ne sont pas spontanés, ils absorbent de l’énergie et sont dits endergoniques ou endothermiques.

En termes simples, les processus spontanés libèrent de l’énergie naturellement, tandis que les processus non spontanés ne peuvent se produire spontanément que si l’énergie gratuite nécessaire à leur apparition est fournie. Cela signifie qu’une réaction spontanée peut être utilisée pour fournir l’énergie nécessaire pour qu’une réaction non spontanée se produise.

Pour mieux comprendre cela, imaginons une voiture qui se trouve au pied d’une montagne. Il serait très rare de le voir gravir spontanément la montagne avec le moteur éteint et sans aucune aide. Cependant, lorsque vous démarrez le moteur, la combustion de l’essence ou le flux d’électricité libèrent spontanément de grandes quantités d’énergie, énergie qui sert à faire tourner les roues et à propulser la voiture vers le haut. De cette façon, un processus spontané a été couplé à un non-spontané.

Exemple d’application de la deuxième loi dans les systèmes biologiques

L’exemple le plus important de l’application de cette loi aux systèmes biologiques est l’utilisation de l’ATP comme source d’énergie pour conduire la plupart des réactions biochimiques qui maintiennent la vie.

L’hydrolyse de l’ATP est un processus hautement exothermique (comme l’est la combustion de l’essence dans l’exemple précédent). Les enzymes à l’intérieur des cellules utilisent cette réaction et d’autres réactions d’hydrolyse spontanées pour libérer l’énergie dont elles ont besoin pour entraîner d’autres réactions biochimiques essentielles à la vie, telles que la biosynthèse des protéines et des acides nucléiques.

La troisième loi de la thermodynamique

La troisième loi (ou troisième principe) stipule que tout système a tendance à perdre de l’entropie à mesure que la température diminue, et qu’il atteint ce minimum au zéro absolu. Pour le cas de solides cristallins monoatomiques parfaits, l’entropie au zéro absolu est nulle.

Cette loi nous permet de comprendre l’entropie comme une échelle absolue, et nous permet également de déterminer la valeur de l’entropie absolue de toute substance dans n’importe quel ensemble de conditions de température et de pression.

Application de la troisième loi dans les systèmes biologiques

L’utilité de cette loi est qu’elle nous permet d’avoir une mesure directe du véritable niveau de désordre de différentes substances chimiques dans différentes conditions, et facilite grandement le calcul théorique des variations d’entropie (et par extension, de l’énergie libre de Gibbs) pour toute réaction chimique, y compris les réactions biochimiques qui se produisent dans les systèmes biologiques.

Les références

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