Biochimie fizică - curs 1

Biochimia fizica foloseste conceptele, legile si aparatul matematic din chimia fizica pentru rezolvarea problemelor de biochimie. Se vor regasi astfel capitole de biotermodinamica si bioenergetica, biocinetica, biochimie cuantica etc.

ELEMENTE DE BIOTERMODINAMICA

Biotermodinamica se ocupa în special cu studiul transformarilor de energie în sisteme biologice. Si în acest caz se mentin conceptele fundamentale si principiile enuntate în termodinamica.

Astfel, notiunea de sistem, în acceptiunea cea mai larga, reprezinta un corp sau un ansamblu de corpuri ce pot interactiona. Pentru a se comporta ca entitate, interactiunea dintre partile componente ale sistemului trebuie sa fie mai puternica decât cu exteriorul.

Toate sistemele luate în considerare în termodinamica sunt macroscopice, adica alcatuite dintr-un numar foarte mare de atomi si molecule - conditie pe care o îndeplineste orice sistem biologic.

Din punct de vedere al interactiunilor cu mediul exterior sistemele pot fi deschise, închise si izolate. Sistemul izolat este însa doar o abstractizare, un caz limita, util numai pentru simplificarea unor rationamente, fara ca în natura sa existe vreun sistem perfect izolat.

În ceea ce priveste sistemele biologice, ele sunt în mod evident deschise, schimburile permanente cu exteriorul fiind indispensabile pentru desfasurarea ansamblului de procese care reprezinta viata.

PRINCIPIILE TERMODINAMICII - LEGI GENERALE ALE NATURII APLICABILE SI ÎN LUMEA VIE

Tratarea moderna a principiilor termodinamicii pe baza axiomaticii propuse de Truesdell, introduce conceptele primitive de caldura, lucru si energie interna ca functii de variabila timp: Aceasta permite o tratare termodinamica unitara atât a proceselor reversibile (termodinamica de echilibru) cât si a proceselor ireversibile (termodinamica proceselor ireversibile - TPI) în care se încadreaza si procesele din sistemele biologice.

Principiul I al termodinamicii, din care deriva toate ecuatiile ce descriu bilanturile energetice ale diferitelor sisteme, în particular, ale organismelor exprima de fapt legea conservarii energiei.

Pentru o transformare finita variatia energiei interne a unui sistem la trecerea

dintr-o stare în alta este egala cu suma dintre cantitatea de caldura si toate formele de lucru (mecanic, chimic, electric, osmotic) schimbate între sistem si mediu:

DU = Q + L1 + L2 + .... (1)

Organismele vii sunt sisteme a caror energie interna poate creste sau poate sa scada în functie de diferite conditii (vârsta, stare fiziologica etc). Pentru aplicarea corecta a principiului I al termodinamicii în cazul organismelor, trebuie sa se tina seama ca acestea sunt sisteme deschise, care iau si degaja în exterior energie, astfel încât problema conservarii energiei se pune pentru ansamblul sistem închis, format din organismul respectiv, împreuna cu mediul sau înconjurator.

Biliantul energetic al organismului poate fi formulat astfel:

Energie preluata din mediu = Lucru mecanic efectuat + Caldura degajata + Energia

depozitata în rezervele organismului

În timp ce animalele poichiloterme (cu sânge rece) pot primi din mediu energie si sub forma de cadura, în cazul homeotermelor toata energia preluata din mediu consta din energia chimica a alimentelor. Din aceasta energie o parte se pierde, fiind eliminata în "excreta". Aceasta relatie bilant de energie poate fi simplificata daca subiectul este în repaus, deci nu efectueaza lucru mecanic si nu a mâncat de cel putin 12 ore, adica nu preia energie din mediu. În aceste conditii:

Caldura degajata = Energia depozitata = Energia utilizata (2)

Determinarea producerii de caldura în organismul uman în aceste conditii limita constituie testul clinic al intensitatii metabolismului bazal, prin care se stabileste valoarea de referinta fata de care sa fie raportat efectul diferitilor factori ce influenteaza metabolismul energetic.