Queste sono le leggi della termodinamica nei sistemi biologici

Le leggi della termodinamica sono un insieme di quattro affermazioni che descrivono come l’energia si trasforma e come si trasmette da un sistema all’altro o tra un sistema e il suo ambiente. Queste leggi sono di immensa importanza per la scienza, poiché ci aiutano a capire il motivo per cui si verificano molti dei fenomeni che vediamo ogni giorno.

In questo senso, nessun fenomeno è più speciale e impressionante della vita stessa, e non sfugge alle leggi della termodinamica. Successivamente, esploreremo come queste leggi si applicano ai sistemi biologici e come ci hanno aiutato a capire tutto, dai processi più semplici, come la diffusione passiva attraverso una membrana, al complesso macchinario che ci consente di trasformare il nostro cibo in energia per mantenere la vita vita.

Le leggi della termodinamica sono quattro:

• Legge zero.
• La prima legge della termodinamica.
• La seconda legge della termodinamica.
• La terza legge della termodinamica.

Tuttavia, delle quattro leggi, la legge zero è relativamente banale e la terza legge ha poche applicazioni dirette in biologia, quindi in questo articolo trattiamo solo superficialmente la legge zero e la terza legge.

Sistemi termodinamici in biologia

Per comprendere appieno la termodinamica in generale, si deve iniziare a capire cos’è un sistema termodinamico. Questo si riferisce alla parte dell’universo che stiamo studiando. Il resto dell’universo che non fa parte del sistema è chiamato ambiente.

A seconda delle caratteristiche delle loro pareti o del confine tra il sistema e l’ambiente, i sistemi possono essere isolati, chiusi o aperti. I sistemi biologici sono generalmente sistemi aperti che consentono il passaggio sia di energia che di materia dall’ambiente al sistema e viceversa.

la legge zero

La legge zero ha a che fare con l’equilibrio termico, cioè la condizione in cui due corpi che sono in contatto termico non si scambiano calore tra loro. Questa legge può essere enunciata come segue:

Due sistemi in equilibrio termico con un terzo sono anche in equilibrio termico tra loro.

Ciò è illustrato nella figura seguente. Se i sistemi A e B sono in equilibrio termico e anche i sistemi B e C sono in equilibrio termico, allora i sistemi A e C devono essere in equilibrio termico.

Applicazione della legge zero nei sistemi biologici

Come abbiamo appena osservato, la legge zero permette di stabilire quando due sistemi sono in equilibrio termico. Applichiamo questa legge senza rendercene conto ogni volta che effettuiamo una misurazione della temperatura con un termometro.

Ad esempio, se lasciamo il termometro a contatto con l’interno della nostra bocca (che è un sistema biologico), alla fine verrà raggiunto l’equilibrio termico tra il vetro del termometro e la bocca. Tuttavia, leggendo la temperatura grazie al mercurio all’interno, assumiamo che il mercurio sarà in equilibrio termico anche con la bocca, pur non essendo a diretto contatto con essa.

Tuttavia, poiché il mercurio è a contatto ed è in equilibrio termico con il bicchiere, e il bicchiere è in equilibrio termico con la bocca, allora la legge zero stabilisce che anche il mercurio deve essere in equilibrio termico con la bocca.

La prima legge della termodinamica

La prima legge è la legge di conservazione dell’energia. Ciò afferma che l’energia nell’universo è costante. Non si crea né si distrugge, si trasforma soltanto . Ciò significa che nessun processo può mai verificarsi all’interno di un sistema (biologico o meno) in cui il sistema guadagna energia di qualche tipo senza che l’ambiente la perda.

Questa legge ha una forma matematica molto semplice che è:

dove U rappresenta l’energia interna del sistema, q è la quantità di calore che entra nel sistema e w è la quantità di lavoro che il sistema trasmette all’ambiente circostante. In alcuni casi il lavoro è scritto con segno positivo, ma è sostituito dal lavoro che l’ambiente svolge sul sistema; in ogni caso, il significato di entrambe le equazioni è esattamente lo stesso.

Applicazione della prima legge nei sistemi biologici

È molto facile comprendere l’applicazione della prima legge a sistemi biologici di qualsiasi dimensione, da un piccolo batterio, a un essere umano, a una sequoia gigante. È semplicemente un equilibrio di energia.

Esempio di applicazione della prima legge nei sistemi biologici

Possiamo vedere il nostro cibo come fonti di energia, le “calorie” che mangiamo. Il grasso corporeo, che è uno dei modi in cui il corpo immagazzina energia, rappresenta il livello di energia interna, mentre w, il lavoro svolto dal sistema, è l’esercizio. Vista così, la prima legge ci dà una spiegazione molto semplice per capire perché si ingrassa. Ogni volta che mangiamo cibo, cioè calorie, se non le bruciamo facendo esercizio per restituirle all’ambiente, allora queste verranno immagazzinate sotto forma di energia interna, cioè sotto forma di grasso corporeo.

Chiunque voglia perdere peso deve assicurarsi che q (ciò che mangia) sia inferiore a w (l’energia che spende per esercitare e sviluppare le proprie funzioni vitali).

Questa legge ci consente di stabilire chiaramente quali processi sono possibili e quali sono impossibili. Perdere peso mangiando più calorie di quelle che bruciamo è semplicemente impossibile, non importa quanto vogliano convincerci di questo.

La seconda legge della termodinamica

La seconda legge afferma che, in qualsiasi processo naturale o spontaneo, parte dell’energia interna si perde sempre sotto forma di calore. Questo spiega perché una palla che viene lanciata da una certa altezza e viene lasciata rimbalzare ogni volta che raggiunge un’altezza inferiore, fino a quando non si ferma a terra.

Se seguiamo la prima legge, l’energia potenziale originariamente immagazzinata nella palla doveva essere andata da qualche parte. La seconda legge stabilisce che questa energia viene dissipata sotto forma di calore verso l’ambiente circostante.

Applicazione della seconda legge nei sistemi biologici

La seconda legge ha molte implicazioni per la biologia ei sistemi biologici. Tuttavia, per capire come si applica a questo ramo della scienza, dobbiamo prima capire i concetti di entropia ed energia libera di Gibbs, e come si relazionano alla seconda legge.

entropia

Ogni volta che parli della Seconda Legge, parli di entropia, un concetto fisico rappresentato dalla lettera S. L’entropia fu originariamente scoperta come una funzione di stato il cui cambiamento durante un processo termodinamico è una misura della quantità di calore dissipata durante questo processo. Tuttavia, uno scienziato di nome Ludwig Boltzmann ha scoperto che l’entropia è in realtà una misura del disordine di un sistema.

Attraverso varie manipolazioni matematiche, si è concluso che la seconda legge potrebbe essere enunciata in termini di cambiamento di entropia dell’universo (ΔS _U ) come segue:

Ogni processo naturale o spontaneo implica necessariamente un aumento dell’entropia dell’universo .

Vale a dire che l’entropia e la Seconda Legge ci forniscono uno strumento per prevedere quando un processo sarà spontaneo e quando no. Inoltre, ci dà una spiegazione sull’andamento di tutti i processi nell’universo dal Big Bang . Potremmo dire che tutto ciò che accade oggi nell’universo ha lo scopo di dissipare sotto forma di calore tutta l’energia che si è sprigionata durante la formazione dell’universo.

Energia libera di Gibbs

A livello pratico, la seconda legge viene applicata ai sistemi biologici per mezzo di un’altra funzione di stato chiamata energia libera di Gibbs, rappresentata dalla lettera G. Come indica il nome, questa consiste nella quantità massima di energia che un sistema è libero. da usare per fare un lavoro diverso dall’espansione. Ciò è particolarmente rilevante in biologia e biochimica, poiché include il lavoro su processi come la diffusione attraverso le membrane (attiva o passiva), tutte le reazioni catalizzate da enzimi, i processi elettrochimici (compresi i potenziali d’azione nei neuroni e nelle cellule muscolari), ecc.

L’importanza dell’energia di Gibbs è che, nelle condizioni normali in cui si verificano la vita e i processi biologici, la variazione dell’energia libera di Gibbs, cioè ΔG, è direttamente correlata alla variazione dell’entropia dell’universo (ΔS _U ), in modo tale che se conosciamo il segno di ΔG, allora possiamo inferire il segno di ΔS _U , quindi possiamo usarlo come criterio di spontaneità per reazioni chimiche e altri processi che avvengono all’interno delle cellule del nostro corpo.

I criteri di spontaneità sono riassunti nella seguente tabella:

L’accoppiamento di reazioni biochimiche

I processi che hanno una variazione di energia libera negativa e sono quindi spontanei rilasciano energia e sono quindi chiamati processi esergonici o esotermici. Quelli con ΔG negativo invece non sono spontanei, assorbono energia e sono detti endergonici o endotermici.

In poche parole, i processi spontanei rilasciano energia in modo naturale, mentre i processi non spontanei non possono verificarsi spontaneamente a meno che non venga fornita l’energia libera necessaria affinché si verifichino. Ciò significa che una reazione spontanea può essere utilizzata per fornire l’energia necessaria affinché si verifichi una reazione non spontanea.

Per capirlo meglio, immaginiamo un’auto che si trova alla base di una montagna. Sarebbe molto raro vederlo scalare spontaneamente la montagna a motore spento e senza alcun aiuto. Tuttavia, quando si avvia il motore, la combustione della benzina o il flusso di elettricità rilasciano spontaneamente grandi quantità di energia, energia che viene utilizzata per far girare le ruote e far salire l’auto. In questo modo, un processo spontaneo è stato accoppiato con uno non spontaneo.

Esempio di applicazione della seconda legge nei sistemi biologici

L’esempio più importante dell’applicazione di questa legge ai sistemi biologici è l’uso dell’ATP come fonte di energia per guidare la maggior parte delle reazioni biochimiche che fanno andare avanti la vita.

L’idrolisi dell’ATP è un processo fortemente esotermico (così come la combustione della benzina nell’esempio precedente). Gli enzimi all’interno delle cellule utilizzano questa e altre reazioni spontanee di idrolisi per rilasciare l’energia di cui hanno bisogno per guidare altre reazioni biochimiche essenziali per la vita, come la biosintesi delle proteine ​​e degli acidi nucleici.

La terza legge della termodinamica

La terza legge (o terzo principio) afferma che qualsiasi sistema tende a perdere entropia al diminuire della temperatura e che raggiunge quel minimo allo zero assoluto. Per il caso di solidi cristallini monoatomici perfetti, l’entropia allo zero assoluto è zero.

Questa legge ci consente di comprendere l’entropia come una scala assoluta e ci consente anche di determinare il valore dell’entropia assoluta di qualsiasi sostanza in qualsiasi insieme di condizioni di temperatura e pressione.

Applicazione della terza legge nei sistemi biologici

L’utilità di questa legge è che ci permette di avere una misura diretta del vero livello di disordine di diverse sostanze chimiche in condizioni diverse, e facilita notevolmente il calcolo teorico delle variazioni di entropia (e per estensione, energia libera). de Gibbs) per qualsiasi reazione chimica, comprese le reazioni biochimiche che si verificano nei sistemi biologici.

Riferimenti

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