NOIUNI ELEMENTARE DE TERMODINAMIC- CONTINUARE -

SISTEME TERMODINAMICE = SISTEME STATISTICENUMR MARE DE COMPONENTE Molul conine: NA = 6.022 x 1023 particulePresiuneaViteza termic Energia cinetic medie Parcursul liber mediu = distana medie pe care o parcurge o molecul de aer pn ntlnete alt molecul: l= 3.34 x 10-9 m

SEMNIFICAIA STATISTIC A ENTROPIEIProbabilitatea termodinamic (P) = numrul de configuratii energetice distincte.

RELAIA LUI BOLTZMANN S = k log Pk = 1.3810-23 J/K.N numrul total de particule din sistemi nivel de energie; i = 1 Pni numrul de particule aflate pe nivelul i de energie dac N atunci: pi probabilitatea matematic de ocupare a nivelului i Dac aranjamentele pe nivele energetice sunt echiprobabile, , atunci:

SURSA DE ENTROPIESursa de entropie (s) = entropia produs n unitatea de timp i n unitatea de volum:

unde Xi reprezint fore termodinamice, cauza proceselor ireversibile (gradieni de temperatur, concentraie etc.), iar Ji sunt fluxuri termodinamice, efectele proceselor ireversibile.Viteza de variaie a entropiei totale ntr-un sistem reprezint:

s =

viteza schimbului de entropie cu mediul exterior + viteza producerii de entropie n interiorul sistemului (transformare ireversibil).

STAREA STAIONAR = STARE DE ECHILIBRU DINAMIC Cantitatea de entropie produs n unitatea de timp, s, scade, dar nu poate deveni egal cu zero, deoarece sistemul nu atinge starea de echilibru termodinamicfluxurile i forele termodinamice capt valori constante (parametrii intensivi sunt constani n timp, dar difer dintr-un loc n altul al sistemului)

este o stare de echilibru dinamic: sT = 0

FUNCIA DE DISIPARE (F) = viteza de scdere a energiei libere a sistemului (F), prin consumarea ei n cursul proceselor ireversibile:

Calculul fiecreia din contribuiile XiJi la F permite s se precizeze modul n care evolueaz n timp sistemul n starea staionar:toate procesele pentru care XJ > 0 pentru procese (antientropice) XJ < 0

TERMODINAMICA PROCESELOR IREVERSIBILE Termodinamica clasic:sisteme n stare de echilibru termodinamictransformri reversibileFormularea local a principiului II = desfurarea unui proces ireversibil ntr-un loc dat al sistemului este legat totdeauna de producerea de entropie n acel loc. Proces ireversibil:productor de entropie = proces cuplant (DS > 0)consumator de entropie = proces cuplat (DS < 0)Pentru mai multe procese care se desfoar simultan n acelai loc:

TERMODINAMICA SISTEMELOR BIOLOGICERspunde la urmtoarele ntrebri:cum se desfoar conversiile de energie din materia vie?n ce fel energia obinut din exterior permite structurarea intern proprie sistemelor vii?Conversia de energie la nivelul sistemelor biologice se realizeaz pe seama reaciilor biochimice: TDS = GR GPDac GR > GP, atunci DS > 0 = reacie exergonic

Dac GR < GP, atunci DS < 0 = reacie endergonic

Procesele metabolice implic desfurarea de reacii chimice care genereaz energie (reacii exergonice) cuplate cu reacii care consum energie (reacii endergonice).

RANDAMENTUL PROCESELOR METABOLICE CICLICEIn general, raportul dintre lucrul efectuat i energia consumat pentru realizarea acelui lucru (travaliu):h = Lutil / Qconsumatrandamentul biochimic unui sistem metabolic este:h = Gstocat / Gconsumatunde Gstocat reprezint entalpia liber a compuilor macroergici sintetizai (rezervorul energetic al proceselor biologice), iar Gconsumat reprezint entalpia liber a reactanilor implicai n sinteza compuilor macroergiciRandamentul proceselor biochimice metabolice cunoscute este n medie de aprox. 20 %, ceea ce arat nivelul ridicat al proceselor disipative din sistemele vii.

ETAPELE TRANSFORMRII DE ENERGIE N BIOSFERI. Fotosinteza: captarea energiei radiante solare i stocarea ei sub form de energie chimic. Se desfoar n cloroplaste (plante)II. Fosforilarea oxidativ: metabolismul energetic al organismului animal, eliberarea energiei chimice din alimente (compui cu grad mare de ordine, entropie scazut) i nmagazinarea ei tot ca energie chimic direct utilizabil = legturile chimice macroergice din compui de tipul adenozin-trifosfatului (ATP).III. Hidroliza compuilor macroergici: hidroliza ATP degajare de energie efectuarea diferitelor forme de travaliu. Celula funcioneaz ca traductor de energie.

NIVELE TROFICE LA NIVELUL BIOSFEREI

FOTOSINTEZAcaptarea energiei radiante solare i stocarea ei sub form de energie chimic. Are loc n cloroplaste la nivelul pigmenilor clorofilieni.Procesul cuplant (crete S) = absorbia energiei radiante i degradarea unei pri a ei n cldur. Procesul cuplat (scade S) = asamblarea compuilor micromoleculari pentru a forma biomasa vegetal.Fotosinteza are ca reacie fundamental:

Prin sinteza glucozei din CO2 i H2O, energia liber a sistemului crete cu DG=686Kcal/mol de glucoz sintetizat, iar entropia scade cuDS=43,6 cal/molK

FAZELE FOTOSINTEZEII. Faza fotolitic:Fotosistemul I captarea energiei radiante pe dou ci: 1. transport neciclic de electroni: 2 Clorofila A + 2 hn (700 nm) 2 Clorofila A + NADPH + ATP + H2O 2. transport ciclic de electroni:2 Clorofila A + 2 hn (700 nm) 2 Clorofila A + ATP + H2OFotosistemul II fotoliza apei:H2O + 2 hn (680 nm) + 2 Clorofila B 2 Clorofila B + O2 + 2 H+II. Faza de sintez (Ciclul Calvin):6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP + 12 H2O C6H12O6BILANUL GENERAL:6 CO2 + 24 H2O + 60 hn C6H12O6 + 6 O2 + 18 H2O

FOSFORILAREA OXIDATIV(respiraie celular)respiraie celular const din arderea glucozei pn la formarea de ap i CO2. Energia liber creat n cursul fotosintezei de glucoz este astfel convertit n energie metabolic biologic:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2ODG = - 686 kcal/molprintr-o succesiune de etape intermediare, energia este stocat n legturile chimice tip fosfat (macroergice) ale compuilor de tipul adenozin-trifosfatului (ATP)

ETAPELE RESPIRAIEI CELULAREGlicolizaaerob: C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP 2 piruvat +2 NADH + 2 ATPSinteza AcetilCoA: piruvat + NAD+ AcetilCoA + NADH + CO2Ciclul acizilor tricarboxilici (ciclul Krebs): AcetilCoA 3 NADH + FADH2 + ATP + 2CO2Lanul respirator (transportul de electroni):NADH + H+ + O2 NAD+ + 3 ATPFADH2 + O2 FAD + 3 H2O + 2 ATPPompa de protoni integrat pe calea lanului respirator:Este utilizat pentru a crete concentraia de protoni din mitocondrie. Gradientul de protoni reprezint sursa de energie pentru sinteza ATPBilanul general al procesului de respiraie celular este:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 36 ATP DG = - 423.2 kcal/mol ; DS = 1.36 kcal/molK ; h = 38 %

MITOCONDRIA centrala energetic a celulei

Gradientul de protoni este realizat prin oxidarea NADH ceea ce introduce electroni n lanul respirator

DIAGRAMA SINTEZEI DE ATP

HIDROLIZA COMPUILOR MACROERGICI procesul care duce la degajarea de energie utilizabil pentru efectuarea diferitelor forme de travaliu (chimic, electric, osmotic, mecnic)celula funcioneaz ca traductor de energie.surse de energie metabolic (reacii exergonice = procese cuplante):ATP + H2O ADP + Pi DG = -7.3 kcal/mol NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O DG = -52.4 kcal/mol (nicotinamid adenin dinucleotid)Reacia de reducere a NAD+ nseamn ctig de electroni; se produce creterea energiei interne a moleculei: NAD+ + H2 NADH + H+ Reacia de oxidare a NADH nseamn pierdere de electroni; se elibereaz energia acumulat prin reacia de reducere. NADH + H+ + O2 NAD+ + H2O

NUTRIIAasigurarea energiei necesare vieii;asigurarea creterii i rennoirii esuturilor;asigurarea substanelor necesare reglrii proceselor vitalease categorii de substane nutritive:1. Glucidele,2. Lipidele 3. ProtideleCatabolismul = arderea izobar a diferitelor substane biochimice. glicocol DH = 3,12 Kcal/g, glucoz DH = 3,74 Kcal/g, tripalmitin DH = 9,3 Kcal/g.Valoarea caloric este cantitatea de energie care se degaj la metabolizarea unui gram de substan. Bilanul energetic al organismuluiVariaia rezervelor = Energia chimic - Cldura - Lucrul mecanicorganismului din alimente degajat efectuat4. Vitaminele5. Srurile minerale. 6. Apa

METABOLISMUL BAZALMetabolismul bazal reprezint travaliul energetic realizat la nivel celular pentru meninerea funciilor metabolice n condiii de repaus. 2/3 sunt utilizate pentru pomparea ionilor mpotriva gradienilor ionici transmembranari.Exist o relaie logaritmic ntre rata metabolismul bazal, M, i greutatea corporal, G, a organismului respectiv:log M = a log G + bunde a i b sunt mrimi constante caracteristice.unicelularepoikilotermehomeoterme

METABOLISMUL BAZAL

IN LOC DE FINAL ...Evoluia organismului viu contravine principiului II al termodinamicii?Organismele vii evit creterea entropiei prelund din mediul extern entropie negativ (negentropie) (E. Schrodinger).Organismele vii heterotrofe iau din mediul extern substane organice cu entropie sczut i elimin substane cu entropie ridicat. Prin respiraia celular, o parte din energia produs, este degradat (disipat) ireversibil n cldur.Metabolismul se desfoar mai intens n perioada de cretere, cnd predomin procesele anabolice, structuranten perioada de maturitate a organismului, procesele anabolice compenseaz producerea de entropie = stare de stabilitate entropic. mbtrnirea presupune consumarea treptat a mecanismelor de cuplaj antientropic la nivel celular, nu se mai poate asigura stabilitatea entropic. Moartea biologic, degradarea structurilor organismului reprezint tocmai restabilirea echilibrului entropic ntre organism i mediu.

Viaa reprezint tocmai proprietatea sistemelor materiale de a putea cupla procese catabolice, ca procese cuplante, cu procese anabolice ca proces cuplate, astfel nct s se mpiedice degradarea entropic.