Principi di bioenergetica e termodinamica

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle conversioni di energia che avvengono all’interno delle cellule, e della natura e della funzione dei processi chimici alla base di queste conversioni.
Le trasformazioni energetiche seguono le due leggi fondamentali della termodinamica ovvero il principio di conservazione dell’energia, secondo il quale: "in qualsiasi modificazione chimica o fisica la quantità totale di energia nell’universo resta costante, anche se le forme di energia possono cambiare"; ed il secondo principio, secondo cui, "in tutti i processi naturali l’entropia tende ad aumentare".

La quantità di energia in grado di produrre lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti è definita l’energia libera di Gibs (G).

Quando una reazione procede rilasciando energia libera nell'ambiente, la variazione energetica (∆G) ha segno negativo e, la reazione, è definita esoergonica. Per contro, quando la reazione procede facendo guadagnare energia libera al sistema,prelevandola dall'ambiente, ∆G avrà segno positivo e, la reazione, sarà di tipo endoergonico.

L’entalpia (H) è il contenuto termico di un sistema che sta reagendo ed è correlata al numero ed al tipo di legami chimici dei reagenti e dei prodotti.
Una reazione è definita esotermica se rilascia calore, ossia se il contenuto termico dei prodotti è minore rispetto al contenuto termico dei reagenti, quindi il ∆H sarà negativo.
∆G e ∆H sono espressi in joule/mole o calorie/mole.

L’entropia (S) viene espressa in joule/mole*Kelvin, ed è un’espressione della quantità e della casualità di disordine di un sistema. Se i prodotti di una reazione risultano essere meno complessi e più disordinati dei reagenti, allora la reazione stessa avrà un guadagno entropico.

Nelle normali condizioni dei sistemi biologici (a temperatura e pressioni costanti) le variazioni di energia libera, di entalpia ed entropia sono fra loro correlate secondo l’equazione:

Dove ∆G è la variazione di energia libera di Gibs del sistema che sta reagendo e ∆H (negativo quando il sistema rilascia calore nell’ambiente circostante) la variazione di entalpia, T la temperatura assoluta e ∆S (positivo quando l’entropia aumenta) la variazione di entropia del sistema.

I processi che reagiscono spontaneamente avranno ∆G sempre negativo.
Negli organismi viventi, l’ordine interno, è conservato mediante il prelievo di energia libera dall’ambiente circostante (attraverso i nutrienti nel caso di cellule eterotrofiche, o attraverso la radiazione della luce solare nel caso di cellule fotosintetiche), e restituendo all’ambiente energia ed entropia, in perfetto accordo con la seconda legge della termodinamica.
Le cellule possono e devono usare l’energia libera, in quanto sistemi isotermi ovvero funzionanti a temperatura e pressione costante. Questo consente di predire la direzione delle reazioni chimiche, le loro posizioni, e la quantità di lavoro teoricamente ottenibile a temperatura e pressioni costanti.
Entrambi i tipi di cellule sopra citati (eterotrofiche e fotosintetiche) convertono l’energia libera in ATP ed altri composti ricchi di energia, capaci di fornire l’energia necessaria per il lavoro biologico in situazioni isotermiche.