Acestea sunt legile termodinamicii în sistemele biologice

Legile termodinamicii sunt un set de patru afirmații care descriu modul în care energia este transformată și cum este transmisă de la un sistem la altul sau între un sistem și mediul său. Aceste legi sunt de o importanță imensă pentru știință, deoarece ne ajută să înțelegem motivul pentru care apar multe dintre fenomenele pe care le vedem în fiecare zi.

În acest sens, niciun fenomen nu este mai special și mai impresionant decât viața însăși și nu scapă de legile termodinamicii. În continuare, vom explora modul în care aceste legi se aplică sistemelor biologice și cum ne-au ajutat să înțelegem totul, de la cele mai simple procese, cum ar fi difuzia pasivă printr-o membrană, până la mașinaria complexă care ne permite să ne transformăm hrana în energie pentru a menține viața. .viata.

Legile termodinamicii sunt patru:

• Legea zero.
• Prima lege a termodinamicii.
• A doua lege a termodinamicii.
• A treia lege a termodinamicii.

Cu toate acestea, dintre cele patru legi, legea zero este relativ banală, iar cea de-a treia lege are puține aplicații directe în biologie, așa că în acest articol acoperim doar superficial legea zero și legea a treia.

Sisteme termodinamice în biologie

Pentru a înțelege pe deplin termodinamica în general, trebuie să începem prin a înțelege ce este un sistem termodinamic. Aceasta se referă la porțiunea din univers pe care o studiem. Restul universului care nu face parte din sistem se numește mediu.

În funcție de caracteristicile pereților acestora sau de granița dintre sistem și mediu, sistemele pot fi izolate, închise sau deschise. Sistemele biologice sunt în general sisteme deschise care permit trecerea atât a energiei, cât și a materiei din mediu în sistem și invers.

legea zero

Legea zero are de-a face cu echilibrul termic, adică cu condiția în care două corpuri care sunt în contact termic nu fac schimb de căldură între ele. Această lege poate fi formulată astfel:

Două sisteme aflate în echilibru termic cu un al treilea sunt, de asemenea, în echilibru termic unul cu celălalt.

Acest lucru este ilustrat în figura următoare. Dacă sistemele A și B sunt în echilibru termic și sistemele B și C sunt de asemenea în echilibru termic, atunci sistemele A și C trebuie să fie în echilibru termic.

Aplicarea legii zero în sistemele biologice

După cum tocmai am observat, legea zero ne permite să stabilim când două sisteme sunt în echilibru termic. Aplicam aceasta lege fara sa ne dam seama de fiecare data cand facem o masuratoare de temperatura cu un termometru.

De exemplu, dacă lăsăm termometrul în contact cu interiorul gurii noastre (care este un sistem biologic), se va ajunge în cele din urmă la echilibrul termic între paharul termometrului și gură. Cu toate acestea, când citim temperatura datorită mercurului din interior, presupunem că mercurul va fi, de asemenea, în echilibru termic cu gura, în ciuda faptului că nu este în contact direct cu acesta.

Totuși, deoarece mercurul este în contact și este în echilibru termic cu sticla, iar sticla este în echilibru termic cu gura, atunci legea zero prevede că mercurul trebuie să fie și în echilibru termic cu gura.

Prima lege a termodinamicii

Prima lege este legea conservării energiei. Aceasta afirmă că energia din univers este constantă. Nu este nici creat, nici distrus, ci doar transformat . Aceasta înseamnă că niciun proces nu poate avea loc vreodată în cadrul niciunui sistem (fie biologic sau nu) în care sistemul câștigă un fel de energie fără ca mediul să o piardă.

Această lege are o formă matematică foarte simplă, care este:

unde U reprezintă energia internă a sistemului, q este cantitatea de căldură care intră în sistem și w este cantitatea de muncă pe care sistemul o transmite mediului înconjurător. În unele cazuri, lucrarea este scrisă cu semn pozitiv, dar este înlocuită cu munca pe care o face mediul asupra sistemului; în orice caz, sensul ambelor ecuații este exact același.

Aplicarea primei legi în sistemele biologice

Este foarte ușor de înțeles aplicarea primei legi la sistemele biologice de orice dimensiune, de la o bacterie mică, la o ființă umană, la un sequoia gigant. Este pur și simplu un echilibru de energie.

Exemplu de aplicare a primei legi în sistemele biologice

Ne putem vedea alimentele ca surse de energie, „caloriile” pe care le consumăm. Grăsimea corporală, care este una dintre modalitățile prin care organismul stochează energia, reprezintă nivelul de energie intern, în timp ce w, munca pe care o face sistemul, este exercițiul fizic. Privită astfel, prima lege ne oferă o explicație foarte simplă pentru a înțelege de ce ne îngrășăm. Ori de câte ori mâncăm alimente, adică calorii, dacă nu le ardem făcând exerciții pentru a le readuce în mediu, atunci acestea vor fi stocate sub formă de energie internă, adică sub formă de grăsime corporală.

Oricine vrea să slăbească trebuie să se asigure că q (ce mănâncă) este mai mic decât w (energia pe care o cheltuiește exercitându-și și dezvoltării funcțiilor vitale).

Această lege ne permite să stabilim clar care procese sunt posibile și care sunt imposibile. Slăbirea mâncând mai multe calorii decât ardem este pur și simplu imposibil, oricât de mult vor ei să ne convingă de asta.

A doua lege a termodinamicii

A doua lege prevede că, în orice proces natural sau spontan, o parte din energia internă se pierde întotdeauna sub formă de căldură. Așa se explică de ce o minge care este eliberată de la o anumită înălțime și este lăsată să sară de fiecare dată când ajunge la o înălțime mai mică, până când ajunge în repaus pe sol.

Dacă mergem după prima lege, energia potențială care a fost stocată inițial în minge trebuia să se fi dus undeva. A doua lege stabilește că această energie este disipată sub formă de căldură către mediul înconjurător.

Aplicarea celei de-a doua legi în sistemele biologice

A doua lege are multe implicații pentru biologie și sistemele biologice. Cu toate acestea, pentru a înțelege cum se aplică acestei ramuri a științei, trebuie să înțelegem mai întâi conceptele de entropie și energia liberă Gibbs și modul în care acestea se raportează la a doua lege.

entropie

Ori de câte ori vorbești despre a doua lege, vorbești despre entropie, un concept fizic reprezentat de litera S. Entropia a fost descoperită inițial ca o funcție de stare a cărei modificare în timpul unui proces termodinamic este o măsură a cantității de căldură disipată în timpul acestui proces. Cu toate acestea, un om de știință pe nume Ludwig Boltzmann a descoperit că entropia este de fapt o măsură a dezordinei unui sistem.

Prin diferite manipulări matematice, s-a ajuns la concluzia că a doua lege ar putea fi enunțată în termeni de schimbare a entropiei universului (ΔS _U ) după cum urmează:

Fiecare proces natural sau spontan implică în mod necesar o creștere a entropiei universului .

Adică, că entropia și a doua lege ne oferă un instrument pentru a prezice când un proces va fi spontan și când nu. În plus, ne oferă o explicație despre tendința tuturor proceselor din univers de la Big Bang . Am putea spune că tot ceea ce se întâmplă astăzi în univers are ca scop disiparea sub formă de căldură a întregii energie care a fost eliberată în timpul formării universului.

Energie liberă Gibbs

La nivel practic, a doua lege este aplicată sistemelor biologice prin intermediul unei alte funcții de stare numită energia liberă Gibbs, reprezentată de litera G. După cum indică numele, aceasta constă în cantitatea maximă de energie pe care un sistem este liber. de folosit pentru a face o altă treabă decât extinderea. Acest lucru este deosebit de relevant în biologie și biochimie, deoarece include lucrări pe procese precum difuzia prin membrane (fie că sunt active sau pasive), toate reacțiile catalizate de enzime, procesele electrochimice (inclusiv potențialele de acțiune în neuroni și celulele musculare) etc.

Importanța energiei Gibbs este că, în condițiile normale în care au loc viața și procesele biologice, modificarea energiei libere Gibbs, adică ΔG, este direct legată de schimbarea entropiei universului (ΔS U) _. ), în așa fel încât dacă cunoaștem semnul ΔG, atunci putem deduce semnul ΔS _U , astfel încât să-l putem folosi ca criteriu de spontaneitate pentru reacțiile chimice și alte procese care au loc în celulele corpului nostru.

Criteriile de spontaneitate sunt rezumate în următorul tabel:

Cuplarea reacțiilor biochimice

Procesele care au o energie liberă negativă se modifică și, prin urmare, sunt energie de eliberare spontană și de aceea sunt numite procese exergonice sau exoterme. Pe de altă parte, cei cu ΔG negativ nu sunt spontani, absorb energie și se numesc endergonici sau endotermici.

Mai simplu spus, procesele spontane eliberează energie în mod natural, în timp ce procesele nespontane nu pot avea loc spontan decât dacă este furnizată energia liberă necesară pentru ca acestea să aibă loc. Aceasta înseamnă că o reacție spontană poate fi folosită pentru a furniza energia necesară pentru a avea loc o reacție nespontană.

Pentru a înțelege mai bine acest lucru, să ne imaginăm o mașină care se află la baza unui munte. Ar fi foarte rar să-l vezi urcând spontan muntele cu motorul oprit și fără niciun ajutor. Cu toate acestea, atunci când porniți motorul, arderea benzinei sau fluxul de electricitate eliberează spontan cantități mari de energie, energie care este folosită pentru a întoarce roțile și a propulsa mașina în sus. În acest fel, un proces spontan a fost cuplat cu unul nespontan.

Exemplu de aplicare a celei de-a doua legi în sistemele biologice

Cel mai important exemplu de aplicare a acestei legi la sistemele biologice este utilizarea ATP ca sursă de energie pentru a conduce majoritatea reacțiilor biochimice care mențin viața.

Hidroliza ATP este un proces extrem de exotermic (cum este arderea benzinei în exemplul anterior). Enzimele din interiorul celulelor folosesc aceasta și alte reacții spontane de hidroliză pentru a elibera energia de care au nevoie pentru a conduce alte reacții biochimice esențiale vieții, cum ar fi biosinteza proteinelor și a acidului nucleic.

A treia lege a termodinamicii

A treia lege (sau al treilea principiu) afirmă că orice sistem tinde să-și piardă entropia pe măsură ce temperatura scade și că atinge acel minim la zero absolut. Pentru cazul solidelor cristaline monoatomice perfecte, entropia la zero absolut este zero.

Această lege ne permite să înțelegem entropia ca o scară absolută și, de asemenea, ne permite să determinăm valoarea entropiei absolute a oricărei substanțe în orice set de condiții de temperatură și presiune.

Aplicarea celei de-a treia legi în sistemele biologice

Utilitatea acestei legi este că ne permite să avem o măsură directă a adevăratului nivel de dezordine a diferitelor substanțe chimice în diferite condiții și facilitează foarte mult calculul teoretic al variațiilor de entropie (și prin extensie, energie liberă). de Gibbs) pentru orice reacție chimică, inclusiv reacții biochimice care apar în sistemele biologice.

Referințe

Atkins, P. și dePaula, J. (2014). Chimia fizică a lui Atkins (ed. rev.). Oxford, Regatul Unit: Oxford University Press.

Chang, R. (2008). Chimie fizică (ed. a III-a). New York City, New York: McGraw Hill.

Clark, MA, Douglas, M. și Choi, J. (28 martie 2018). 6.3 Legile termodinamicii – Biologie 2e | OpenStax. Preluat de la https://openstax.org/books/biology-2e/pages/6-3-the-laws-of-thermodynamics

Academia Khan. (2017). Legile termodinamicii (articol). Preluat de la https://es.khanacademy.org/science/ap-biology/cellular-energetics/cellular-energy/a/the-laws-of-thermodynamics

Máxima U., J. Pentru: Features.co. (26 mai 2021). Legile termodinamicii. Preluat de pe https://www.caracteristicas.co/leyes-de-la-termodinamica/

Nelson, DL, Cox, MM și Foix, CCM (2018). Principiile Lehninger de biochimie ( ^ed . I). Barcelona, ​​​​Spania: OMEGA EDITIONS, SA