"La Bioenergetica"

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

In breve, per la comprensione di tutti i processi fondamentali che definiscono la biochimica. Noi siamo particolarmente interessati agli usi bioenergetici per descrivere le condizione in cui i processi avvengono spontaneamente.
Sebbene noi possiamo usare la bioenergetica per determinare se un processo accadrà spontaneamente, questa non ci dà informazioni sulla velocità delle reazioni.

ENERGIA LIBERA

La funzione termodinamica che è molto usata nella biochimica è l'Energia Libera di GIBBS G=H-T*S che mette insieme:

Per ogni processo:

Per ogni processo, la variazione di energia libera è data da DG=DH-T*DS

Consideriamo la fusione del ghiaccio e i valori di DG, DH, DS al variare della temperatura. Per la fusione del ghiaccio il DH è positivo (sfavorita) perché si devono rompere i legami a idrogeno . Il DS è positivo (favorita) perché le molecole dell'acqua nel liquido sono più disordinate di quelle del ghiaccio. Si veda l'esempio numerico descritto qui di seguito

Il valore e il segno del DG dipendono dall'azione reciproca di entropia ed entalpia. Il solo fato che il DH è negativo non vuol dire affatto che il DG sarà negativo e appunto se il DS è positivo non significa affatto che il DG sarà negativo. Nelle tabelle sotto ci sono esempi che illustrano come DH e DS interagiscono per dare un DG favorevole

Anche la temperatura gioca un ruolo importante per la determinazione del segno del DG (DG=DH-TDS). In generale si può dire:

DH	DS	Bassa Temperatura	Alta Temperatura
+	+	DG +; non favorita	DG -; favorita
+	-	DG +; no favorita	DG +; non favorita
-	+	DG -; favorita	DG -; favorita
-	-	DG -; favorita	DG +; non favorita

ENERGIA LIBERA E REAZIONI CHIMICHE

Se l'Energia Libera fosse tutta qui sarebbe ben poco utile. possiamo usare un altro modo per definire l'energia libera che è particolarmente utile per lo studio delle reazioni chimiche.

• Per un composto A in soluzione si definisce il Potenziale Chimico come dove rappresenta l'energia libera di A nel suo stato fondamentale (standard).Una simile equazione può essere scritta per ogni componente della soluzione.
• Per la reazione l'energia libera completa è data da
• Dopo aver applicato l'equazione per il potenziale chimico di ogni componente, otterremo:
• 
• DG° è l' energia della reazione quando ogni componente è nel suo stato standard
• Alternativamente determinare DG°notando che all'equilibrio DG°=RTln Keq
  

COSTANTI DI EQUILIBRIO E VARAIZIONE DI ENERGIA LIBERA

Una delle importanti reazioni nelle biochimica è l'idrolisi dell' ATP

ATP^-4 + H₂O Û ADP^-3 + HPO₄^-2 + H⁺

Come possiamo calcolare l'energia libera di questa reazione ? L'energia libera di questa reazione è data da:

In biochimica, si fanno due premesse quando si affrontano questi problemi:

Sotto queste condizioni [H2O] e la [H+] sono incluse nel DG a dare un nuovo standard di energia libera:DG0'

Usando queste premesse e per semplificare scriveremo:

L'equazione diventa

ALCUNE CONSIDERAZIONI PRATICHE

Come noi otteniamo i valori di DH, DG, e DS? Una via è studiare la temperatura dipendente dalla costante di equilibrio della reazione.

Usiamo l'equazione di van't hoff

Quindi mettendo in grafico con RlnKeq su1/T si otterrebbe una linea con pendenza uguale a -DH. Questi dati mostrano la dipendenza dalla temperatura del processo di denaturazione di una proteina, che può essere descritto con una conversione da uno stato naturale N allo stato denaturato D.

Da questo grafico si ha una retta che ha un pendenza -586=-DH, quindi

• DH=586KJ/mol.
• A 54,5°, la Keq è uguale a 0,27.
• quindi DG=3,56KJ/mol sfavorita a questa temperatura
• Ricordando che DG=DH-TDS, DS^o = (DH^o - DG^o)/T = 1,620 J/mol*K.

Quindi DH sfavorisce il processo mentre DS lo favorisce.

REAZIONI ACCOPPIATE

La maggior parte delle reazioni che caratterizzano la nostra vita hanno bisogno di energia quindi sono endoergoniche.

• Una reazione endoergonica quella sfavorita con DG positivo. Una reazione esoergonica è quella favorita con un DG negativo
• Comunque una reazione endoergonica può essere condotta in una direzione desiderata se accoppiata ad una reazione esoergonica

Per esempio la fosforilazione del glucosio produce 6-fosfato:essa è una reazione molto importante per le cellule