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GENERALITÀ
La cellula vivente è un sistema dinamico dove ogni attività richiede energia. L'energia è la capacità di compiere lavoro, cioè mutare o muovere la materia. L'energia è prelevata dall'ambiente ed efficacemente utilizzata. Le piante trasformano l'energia del Sole in molecole altamente energetiche che gli animali utilizzano come fonte di nutrimento. La bioenergetica deriva dalle leggi fisiche della termodinamica ed è alla base delle trasformazioni dell'energia negli esseri viventi o biosistemi. Questi rappresentano una parte dell'Universo, che può comprendere un batterio o un tessuto pluricellulare e quindi anche organismi animali e vegetali. Dal punto di vista fisico, un sistema si definisce "isolato" quando non ha scambi con l'ambiente esterno, "aperto’’ quando scambia energia e materia con l'ambiente esterno. Ogni sistema contiene una definita quantità di energia, racchiusa nelle diverse strutture che lo compongono. Infatti, i legami chimici fra le molecole che compongono il biosistema sono ricchi di energia. L'energia interna di un sistema è una funzione dello stato termodinamico del sistema stesso, che è definito da tre parametri, che sono la temperatura (T), la pressione (P) e il volume (V) del sistema. Tali parametri sono in relazione con la quantità di materia che compone il sistema. L'energia interna di un sistema "aperto" non è costante, poiché è presente uno scambio continuo fra l’interno e l'esterno del sistema stesso. Tale scambio può manifestarsi in due modi: scambio di calore (c) dal sistema all'esterno e viceversa oppure attraverso il lavoro (L) effettuato sull'ambiente o dall'ambiente. Il lavoro può assumere diversi aspetti, come il trasporto di ioni e molecole dall'interno all'esterno della cellula e viceversa, l'estensione di pseudopodi per il movimento cellulare, la divisione cellulare ecc. La termodinamica è quella branca della fisica e della chimica-fisica che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di massa ed energia. Siccome l’energia interna di un sistema varia solamente per scambi di calore e lavoro la variazione di energia interna è dalla differenza tra calore e lavoro. Questa equazione rappresenta il primo principio della termodinamica ed esprime il concetto di conservazione dell’energia che afferma che sebbene l’energia possa essere trasformata e convertita da una forma all’altra, la sua quantità totale nell’universo non varia nel tempo.
Nella cellula le trasformazioni energetiche sono svariate: ad esempio, l'energia dell'ATP si trasforma in energia meccanica quando una struttura cellulare si muove (ciglia, proteine motrici, contrazione musco- lare, ecc.), in energia elettrica quando gli ioni si muovono attraverso la membrana cellulare e in energia termica quando si libera calore nella contrazione muscolare. La conoscenza dei principi della termodinamica permette quindi di chiarire svariati processi cellulari come il cambiamento conformazionale delle proteine, il movimento di molecole e ioni attraverso le membrane, la sintesi di macromolecole e il movimento di alcune strutture cellulari. Le trasformazioni dell'energia di un sistema, quindi si manifestano secondo due direzioni: variazione del contenuto di calore e svolgimento di un lavoro. II sistema può perdere o acquisire energia, ma, secondo il primo principio della termodinamica, la perdita o l'acquisizione devono essere compensati dall'acquisizione o dalla perdita di energia dall'ambiente circostante. In tale modo, l'energia totale dell'Universo rimane costante. Il secondo principio della termodinamica definisce il concetto che gli eventi che si svolgono nell'Universo procedono spontaneamente da uno stato a energia piú alta verso uno stato a energia più bassa. Tali eventi si definiscono spontanei poiché possono verificarsi senza l'apporto di energia esterna. Il flusso spontaneo di molecole e ioni attraverso la membrana plasmatica dal versante a concentrazione più elevata al versante a concentrazione bassa rappresenta un evento spontaneo che non richiede energia. Tutti gli animali vivono a spese dell'energia racchiusa nei legami chimici delle molecole organiche prodotte da altri organismi, di cui si cibano. Le molecole alimentari forniscono agli animali anche gli atomi che servono a costruire nuova materia vivente. Alcuni animali si nutrono mangiando altri animali (carnivori), altri animali mangiano piante o altri organismi fotosintetici i quali sono gli unici capaci di catturare energia dalla luce solare. Quindi, l’energia della quale gli animali hanno bisogno proviene dal sole. Gli organismi utilizzano l'energia generata dal catabolismo delle molecole assunte con la nutrizione per demolire e / o modificare molecole organiche. Queste sono utilizzate per costruire un'ampia gamma di macromolecole, come le proteine e gli acidi nucleici. Tutte le reazioni chimiche che portano a questo risultato hanno come fine il raggiungimento e il mantenimento di un ordine necessario alla sopravvivenza dell'organismo stesso. Molte di queste reazioni chimiche necessitano di temperature incompatibili con la vita. Le reazioni chimiche necessarie sono rese possibili da una serie particolare di
Quando non è presente energia disponibile per svolgere questo lavoro, le differenze fra l'interno e l'esterno della cellula scompaiono e la cellula muore (aumento del disordine e dell’entropia). L’energia libera di un sistema è la misura dell’energia disponibile in una reazione chimica. Ogni reazione chimica è caratterizzata da una variazione di energia libera data dalla differenza tra energia finale ed energia iniziale. Le reazioni tendono a svolgersi spontaneamente da un livello più alto di energia libera a uno più basso. Una reazione spontanea, definita esoergonica , è caratterizzata da una energia libera finale minore di quella iniziale, quindi il AG è negativo. Al contrario, una reazione si definisce endoergonica quando avviene con aumento di energia libera (AG positivo) e non è spontanea, poiché per avvenire richiede energia dall'esterno. Nello stato di transizione di una reazione chimica l'energia libera deve essere elevata e solo le molecole che possiedono energia sufficiente per superare l'energia di attivazione saranno in grado di reagire. Come già accennato, gli enzimi catalizzano la reazione, pur non partecipando a essa, permettendo ai reagenti di raggiungere l'energia di attivazione. L’entalpia è una funzione di stato di un sistema ed esprime la quantità di energia che esso può scambiare con l’ambiente. Ad esempio, in una reazione chimica, l'entalpia scambiata dal sistema consiste nel calore assorbito o rilasciato nel corso della reazione. In un passaggio di stato come la trasformazione di una sostanza dalla sua forma liquida a quella gassosa, l'entalpia del sistema è il calore latente di evaporazione. In un semplice processo di variazione della temperatura, l'entalpia scambiata dal sistema per variazioni unitarie di temperatura è data dalla capacità termica a pressione costante. L'entalpia è legata all'energia interna U del sistema dalla relazione: H = U+ PV dove P è la pressione e V il Volume. Nelle trasformazioni che avvengono a pressione costante, la variazione di entalpia (AH) rappresenta la quantità di calore scambiato dal sistema con l'ambiente esterno. Ai diversi processi chimici è associata una variazione di entalpia, detta di combustione, di transizione di fase, di formazione e così via. Ad esempio, l'entalpia di formazione è la variazione di entalpia, alla pressione di riferimento di 1 atm, associata alla formazione di un composto a partire dai suoi elementi. Secondo una comune convenzione, se il suo valore è negativo la reazione rilascia energia, se invece è positivo occorre fornire energia al sistema per consentire alla reazione di procedere. Secondo la legge di Hess, tale variazione di entalpia è proporzionale alla quantità di sostanza che partecipa alla reazione ed è la stessa sia che la reazione avvenga in un unico stadio
sia che avvenga in più stadi. In altre parole, la variazione di entalpia di una reazione che può essere scomposta in più reazioni parziali è pari alla somma algebrica delle variazioni di entalpia dei singoli stadi. Il primo livello di studio della materia che ci circonda comporta l'inquadramento e la descrizione delle sue proprietà misurabili, o grandezze, quali la massa, il volume, la densità, l'energia e la temperatura. Queste nozioni fanno da presupposto per la comprensione della struttura microscopica della materia, che si presenta discontinua, poiché è costituita da minuscole particelle, gli atomi. I corpi materiali possono essere distinti e classificati in rapporto ai diversi stati fisici, o stati di aggregazione, in cui si manifestano e in rapporto alla composizione omogenea o eterogenea in cui si presentano. Osservando, inoltre, le trasformazioni tra gli stati di aggregazione, definiti passaggi di stato, e il ruolo che in esse svolge l'energia, si delinea la stretta relazione che esiste tra i cambiamenti della materia e le variazioni di energia a essi associate. Per materia s'intende tutto ciò che occupa uno spazio. La massa di un corpo, come di una qualunque porzione limitata di materia, ne rappresenta la quantità di materia o, in termini più rigorosi, ne esprime l'inerzia, cioè la resistenza che oppone a variazioni del suo stato di quiete o di moto. La massa di un corpo è la stessa in ogni punto dell'Universo, mentre varia il suo peso, che rappresenta la forza con cui una massa è attratta in un campo gravitazionale, quale quello prodotto dalla massa terrestre. Volume, massa e peso sono alcune delle qualità o proprietà della materia sulla cui osservazione si basa il suo studio scientifico, Altre proprietà della materia sono, ad esempio, la densità, il rapporto mas- sa/volume, la durezza, il colore, l'odore, la tempera-tura, la conducibilità elettrica e lo stato fisico. Sono dette proprietà estensive quelle che dipendono dall'estensione del campione di materia considerato, come il volume, la massa, il peso, l'energia. Sono dette proprietà intensive quelle che non dipendono dall'estensione del campione, come la densità, il colore, la temperatura, la conducibilità elettrica. Le proprietà intensive sono quelle più significative per identificare i vari tipi di materia, le sostanze, di cui sono formati i corpi. Definiamo sostanza un particolare tipo di materia che possiede proprietà specifiche che la distinguono da tutti gli altri tipi di materia. La grande varietà dei corpi è dovuta alla grande varietà di sostanze componenti, ciascuna delle quali è formata da un differente tipo o da differenti combinazioni di tipi di particelle discrete, gli atomi. La definizione di "corpi animati" permette di distinguere le cellule e gli organismi dai "corpi inanimati", che comprendono tutta la materia
