Principi di bioenergetica

Principi di bioenergetica

Introduzione alla bioenergetica

La bioenergetica è lo studio quantitativo di come i sistemi biologici producono ed usano l'energia. La bioenergetica è una branca della termodinamica ed è essenziale per:

• Comprendere come si produce energia a partire dai processi metabolici;
• Comprendere la struttura delle macromolecole;
• Comprendere come avviene il trasporto nelle membrane.

In breve, per la comprensione di tutti i processi fondamentali che definiscono la biochimica.

I sistemi biologici e i principi della termodinamica

La prima considerazione da fare quando si parla dell'energia di un sistema biologico è che le cellule non possono sottrarsi alle leggi della chimica e della fisica. Le leggi che governano la conversione dell'energia da una forma in un'altra valgono per una cellula come per una macchina a vapore. Tuttavia, mentre i processi che vediamo nel mondo macroscopico che ci circonda sono apparentemente irreversibili e portano in definitiva ad un aumento del disordine (pensiamo ad una foresta che brucia, a un palazzo che crolla, a un vegetale che si degrada in putrefazione) sembra invece che gli organismi viventi possano creare ordine dal disordine.

Per comprendere come questo sia possibile occorre studiare da dove viene e come si organizza l'energia necessaria per i processi vitali e come questa energia viene presa dall'ambiente e trasformata durante l'esistenza degli organismi viventi. La bioenergetica è proprio lo studio quantitativo delle conversioni di energia che avvengono nelle cellule e della natura e delle funzioni dei processi chimici che sono alla base di esse.

Per interpretare e comprendere bene il meccanismo che regola le reazioni chimiche e le trasformazioni energetiche nell'organismo vivente, bisogna avere presenti i concetti fondamentali della termodinamica, cioè dell'insieme di leggi e principi che governano il flusso e lo scambio di energia, calore e materia nei sistemi da studiare. I principi della termodinamica possono essere espressi nel modo seguente:

• Principio zero della termodinamica: "Se due corpi, A e B, sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo, C, essi sono in equilibrio termico anche fra loro."
• I Principio della Termodinamica: "L'energia dell'universo è costante." È una delle possibili formulazioni del primo principio della termodinamica. Non è altro che l'espressione del concetto di conservazione dell'energia. Si introduce con esso la funzione energia interna U di un sistema. Consente altresì di stabilire quali trasformazioni siano possibili.
• II Principio della termodinamica: "È impossibile invertire completamente un qualsiasi processo naturale." Questa è una delle possibili formulazioni del secondo principio. Esso pone delle limitazioni alle trasformazioni di calore in lavoro e introduce la funzione entropia. Consente di stabilire quali delle trasformazioni possibili siano spontanee.

Si ricordi che con il termine di sistema termodinamico s'intende una determinata porzione di spazio delimitata da una superficie, reale o apparente, che racchiude una o più sostanze chimicamente definite che possono costituire l'insieme dei reagenti, dei prodotti, del solvente e dell'atmosfera vicina, tutto ciò in definitiva, che può essere confinato in uno spazio. Il resto della materia che non si identifica con il sistema si chiama ambiente. L'unione di ambiente e sistema viene chiamato universo.

Un sistema che non ha alcuna comunicazione con l'esterno, che non scambia con l'ambiente né energia, né materia, né informazione, viene detto "sistema isolato". Un sistema isolato è dunque del tutto tagliato fuori dall'ambiente, non ha né ingressi né uscite. Al contrario un sistema "aperto" è in relazione con il resto dell'universo e scambia calore e materia con l'esterno. Un sistema "chiuso" infine può scambiare energia, ma non materia, con l'ambiente. Le cellule e gli organismi viventi sono tipici sistemi aperti, cioè scambiano energia (ad esempio tramite il metabolismo) e materia (nutrienti e materiale di scarto) con il loro ambiente esterno.

Il I Principio della termodinamica definito come il principio di conservazione dell'energia è un assunto fondamentale da cui si diparte gran parte della teoria della termodinamica. Esso afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma può solo essere convertita da una forma all'altra. Gli studiosi di termodinamica hanno formulato una funzione matematica per indicare i trasferimenti e la dissipazione di energia per compiere un lavoro chiamandola energia interna, comunemente indicata con la lettera E o U. L'energia interna dipende solo dallo stato presente di un sistema ed è quindi una funzione di stato, ed è indipendente dal particolare percorso seguito dalla reazione. Quindi, l'energia interna U di un sistema chiuso può cambiare solo se l'energia entra o esce dal sistema sotto forma di calore Q o di lavoro L.

Per una trasformazione che porta il sistema da uno stato 1 in un altro stato 2, la variazione di energia interna è data da:

In cui U è l'energia del sistema all'inizio del processo.