Bioenergetica, enzimi

Bioenergetica e biologia animale

La bioenergetica studia come, a partire da energia che deriva principalmente dal sole e da alcuni composti organici, la cellula possa ricavare l’energia necessaria per compiere i processi metabolici. L'energia può dunque essere definita come la capacità di compiere lavoro oppure come la capacità di causare specifici cambiamenti fisici o chimici. Alla base del lavoro vi è il concetto di spostamento, che comprende sia uno spostamento macroscopico, come può essere il lavoro compiuto dai muscoli, sia uno spostamento microscopico, come ad esempio lo spostamento di piccole molecole. È importante sottolineare che la cellula non utilizza energia per riscaldarsi in quanto è un sistema isotermico.

Tipi di lavoro cellulare

All'interno della cellula possono essere compiuti diversi tipi di lavoro:

• Lavoro di sintesi: cambiamenti nei legami chimici (es. fotosintesi clorofilliana).
• Lavoro meccanico: cambiamenti nella localizzazione o nell’orientamento di una cellula o di una struttura subcellulare (es. lavoro muscolare).
• Lavoro di concentrazione: movimento di molecole attraverso la membrana contro il gradiente di concentrazione (es. accumulo di molecole in una cellula).
• Lavoro elettrico: movimento di ioni attraverso la membrana contro gradiente elettrochimico (es. gradiente elettrochimico di membrana nel mitocondrio).
• Produzione di calore: un aumento della temperatura che è utile per gli animali omeotermi.
• Bioluminescenza: la produzione di luce (es. corteggiamento delle lucciole).

Lavoro ed energia libera

Flusso di energia nel pianeta

La fonte primaria di energia è il sole, che permette agli organismi fototrofi di produrre composti organici, fonte di energia per i fototrofi stessi ma anche per altri organismi viventi, detti chemiotrofi, che sfruttano l’energia contenuta nei legami chimici dei composti organici prodotti dalle piante. Gli organismi chemiotrofi, però, necessitano anche di ossigeno per estrarre l’energia immagazzinata nei legami chimici e, di conseguenza, potersi nutrire. Questo ossigeno viene prodotto direttamente dai fototrofi attraverso la fotosintesi clorofilliana. Il prodotto di scarto dei chemiotrofi, nella demolizione dei composti organici durante la respirazione cellulare, è l’anidride carbonica, nutrimento dei fototrofi, che danno così inizio a un nuovo ciclo. Dal metabolismo dei chemiotrofi si producono anche altri composti inorganici come acqua e nitrato.

All’interno di questo sistema, l’aumento del disordine (entropia) diminuisce nel momento in cui vengono sintetizzati i composti organici. Per diminuire l’entropia è necessaria energia, che viene presa direttamente dal sole. Dunque, nella fase crescente del ciclo si costruisce, si diminuisce l’entropia delle sostanze inorganiche per sintetizzare molecole organiche. Al contrario, quando i composti organici vengono demoliti dai chemiotrofi, si ha un aumento dell’entropia.

Concetti termodinamici

Un altro concetto termodinamico correlato alla bioenergetica è l’energia libera. I composti organici, infatti, sono composti che, potenzialmente, possono mettere a disposizione energia per i chemiotrofi, quindi l’energia libera aumenta durante la sintesi di questi composti organici e diminuisce nella demolizione di essi. Entropia ed energia libera sono due concetti che procedono in senso opposto.

N.B.: L’universo, nello sfruttamento dell’energia disponibile, procede spontaneamente e inesorabilmente verso l’aumento del disordine (entropia). Così facendo, l’energia disponibile diventa inutilizzabile, infatti la fonte di energia solare, se paragonata ai tempi di vita umana, è inesauribile, ma, se paragonata a tempi cosmici, è destinata ad estinguersi. Nella trasformazione di energia in lavoro, parte dell’energia stessa viene dissipata sia a livello dei fototrofi che a livello dei chemiotrofi e non può più essere utilizzata per produrre lavoro.

Termodinamica: studio della trasformazione dell'energia

Attenzione alle seguenti definizioni:

• Sistema: parte ristretta di universo che si vuole studiare in un momento, tutto il resto dell’universo è determinato l’ambiente circostante.
• Sistema aperto (organismi): scambio di energia (energia solare e calore) e materia (H₂O, CO₂, O₂). Assorbe energia luminosa (dal sole) e chimica (dai composti organici) e, successivamente, libera nell’ambiente calore e prodotti metabolici di rifiuto.
• Sistema chiuso: non c’è né scambio di energia, né di materia. Esso è incompatibile con la vita, gli organismi viventi, infatti, sono sistemi aperti.
• Stato: condizione in cui il sistema si trova. Esso comprende alcune variabili, come temperatura, volume e pressione, che, per definire un certo stato, devono essere mantenute costanti.
• Calore: forma di energia che viene trasferita tra due corpi che hanno temperatura diversa. In un processo spontaneo, il corpo più caldo riscalda quello più freddo finché non si raggiunge l’equilibrio termico.