Sistemi biologici e termodinamica: spontaneità, energia libera

Reazioni spontanee e energia libera nei sistemi biologici

I sistemi biologici sono caratterizzati da una complessità strutturale e funzionale dovuta a varie reazioni chimiche che regolano i processi vitali. Le biomolecole come proteine, polisaccaridi, disaccaridi, ormoni e vitamine svolgono un ruolo chiave, trasformandosi grazie all’azione degli enzimi.

Importanza dell’energia libera nelle reazioni biologiche

Per valutare la spontaneità delle reazioni nei sistemi biologici, si fa riferimento alla variazione di energia libera. Questa rappresenta l’energia disponibile per compiere lavoro a pressione e volume costanti. Nelle reazioni, la variazione di energia libera standard ΔG° è correlata alla costante di equilibrio K_eq attraverso l’equazione ΔG° = – RT ln K_eq.

Equilibrio e direzionalità delle reazioni

Quando una reazione raggiunge l’equilibrio, ΔG si annulla, indicando l’importanza di ΔG° = – RT ln K_eq. Il segno di ΔG determina la direzione in cui procede la reazione: se ΔG Molecole energetiche: l'esempio dell'ATP Alcune molecole, come l'ATP, sono ricche di energia e vengono utilizzate per far avvenire reazioni non spontanee in cui ΔG > 0. L’idrolisi dell’ATP rilascia energia che alimenta tali processi.

Esercizio pratico

# Calcolo della costante di equilibrio e ΔG° in una reazione enzimatica

Nell’esempio della reazione di idrolisi enzimatica del fruttosio 1-fosfato a 25°C, con i valori di concentrazione iniziale e di equilibrio forniti, è possibile determinare la costante di equilibrio K_eq e la variazione di energia libera standard ΔG° per la reazione. Applicando le formule appropriate e considerando la temperatura, si ottiene un valore specifico per ΔG°.

In conclusione, comprendere il ruolo dell’energia libera nelle reazioni biologiche è cruciale per analizzare la direzionalità e la spontaneità dei processi che avvengono all’interno degli organismi viventi.

Calcolo della costante di equilibrio per una reazione di idrolisi

La costante di equilibrio (Keq) per la reazione di creatina fosfato + H2O ⇄ creatina + Pi a 25 °C, con ΔG° pari a -43.3 kJ/mol, può essere determinata utilizzando l’equazione ΔG° = – RT ln Keq. Risolvendo l’equazione, otteniamo Keq = 3.83 ∙ 10^7.

Calcolo dell’energia libera per l’idrolisi dell’ATP a 20°C

Per calcolare l’energia libera relativa all’idrolisi dell’ATP a 20°C, considerando le concentrazioni di ATP, ADP e Pi all’equilibrio, possiamo sfruttare l’equazione ΔG = ΔG° + RT ln Keq. Applicando i valori noti, otteniamo un ΔG di -45.9 kJ/mol.

Determinazione della costante relativa per il processo A ⇄ C e variazione di energia libera

Per determinare la costante relativa per il processo A ⇄ C, dati i valori di Keq(AB) = 0.02 e Keq(BC) = 1000 a 37°C, possiamo calcolare la costante Keq(AC) che risulta essere 20. La variazione di energia libera standard per i tre processi è rispettivamente di 10.1 kJ/mol per A ⇄ B, -17.8 kJ/mol per B ⇄ C, e -7.72 kJ/mol per A ⇄ C. Si nota che il valore di ΔG° per il terzo processo è la somma algebrica delle variazioni di energia libera dei primi due processi.

Queste considerazioni mostrano come sia possibile calcolare le costanti di equilibrio e le variazioni di energia libera per le reazioni chimiche, evidenziando l’importanza di tali parametri nello studio della termodinamica dei processi biochimici.