La bioénergétique est une branche de la biochimie qui analyse le flux d'énergie dans les systèmes vivants.
Vue d'ensemble de la bioénergétique
Est-ce que les lois de la thermodynamique sont applicables aux êtres vivants ?
La thermodynamique est une branche de la physique qui étudie le comportement thermique des corps, plus exactement les mouvements de chaleur, i.e. tous les phénomènes qui dépendent de la température et de ses changements.
1. Cette étude est difficile car les êtres vivants ne constituent pas des systèmes isolés.
Types de systèmes en thermodynamique
(Figure : vetopsy.fr)Ce sont des systèmes ouverts qui échangent constamment de l'énergie avec le milieu qui les entoure.
Dans les systèmes fermés, comme dans un tube à essai, la réaction chimique atteint un état d'équilibre qui ne peut plus évoluer.
2. Chez les êtres vivants, on assiste à une création et à une élimination permanente des produits des réactions chimiques, i.e. l'énergie et la matière doivent être continuellement injectées dans le système pour qu'il puisse fonctionner normalement.
Cet " équilibre de flux ", nommé aussi homéostasie, permet de maintenir des normes compatibles avec une vie normale.
Au début du XXème siècle, un physiologiste américain, Walter Cannon, parlait de la " sagesse du corps " et a créé le mot homéostasie pour décrire sa capacité de maintenir une stabilité relative du milieu interne malgré les changements constants de l'environnement.
Même si, étymologiquement, ce terme désigne un état statique, l'homéostasie est en réalité un état d'équilibre dynamique dans lequel les conditions internes peuvent varier, mais toujours à l'intérieur des limites relativement étroites où la vie cellulaire est possible.
Applications des lois de la thermodynamique
Premier principe de la thermodynamique
Vue d'ensemble
1. Selon le premier principe de la thermodynamique, lors de toute transformation (partant d'un état initial pour atteindre un état final), il y a conservation de l'énergie :
2. Dans un système isolé subissant une transformation cyclique (état final est identique à l'état initial), on retrouve le " principe d'équivalence " où $\Delta W+\Delta Q$=0$.
On peut aussi écrire que « l’énergie de l’univers est constante », ou « l’énergie se conserve toujours » : elle ne peut être ni créée ni détruite.
Autrement dit, lorsqu’un objet reçoit un joule d’énergie, il peut soit l’emmagasiner, soit le refournir à l’extérieur. En aucun cas, il ne peut le détruire.
Remarque : $\Delta W$ est la variation du travail des forces appliquées au système et $Delta Q$ est la variation de transfert thermique échangé (chaleur).
3. Si l'état final est différent de l'état initial, cette somme n'est pas nulle et prend une valeur qui exprimera la variation de l'énergie interne du système : $\Delta U=W+Q$.
Enthalpie
Cette formule peut être appliquée à des systèmes constitués par des fluides sans viscosité pour lesquels la valeur de $\Delta U$ ne dépend que de la température.
1. Si la transformation a lieu à pression constante (transformation isobare), le système passe d'un état A à un état B d'équilibre en échangeant de la chaleur $Q$ et du travail uniquement par l'intermédiaire des forces de pression $W$.
$$\Delta U=U_B-U_A=Q+W$$
À pression constante, le travail des forces de pression est égal à :
$W=-P\cdot \Delta V=-P\cdot (V_B-V_A)$, ce qui donne :
$U_B-U_A=Q-P\cdot (V_B-V_A)$ d'où
$Q= (U_B+-P\cdot V_B)-(U_A+-P\cdot V_A)$
Enthalpie et réactions chimiques
(Figure : vetopsy.fr)
2. On définit alors l'enthalpie, nouvelle fonction d'état $H(U, P, V)=U+PV$, d'où
$$Q=H_B-HA=\Delta H$$
a. Cette variation d'enthalpie ($\Delta H$) correspond donc au transfert d'énergie entre le système et le milieu extérieur et par abus de langage, on associe enthalpie et chaleur.
Tout composé chimique possède une énergie interne qu'on peut déterminer (sous forme de chaleur) par combustion totale dans un calorimètre : à pression constante, cette énergie est appelée enthalpie.
b. Lors de transformation réversible à pression constante, la variation d'enthalpie ($H$) possède deux composantes :
une composante non utilisable pour fournir du travail,
une composante utilisable représentée qu'on appelle la " variation d'enthalpie libre " du système : $\Delta H=\Delta Q+\Delta G$
2. Si la transformation a lieu à volume constant ($\Delta V=0$), on trouve $\Delta U= \Delta H$
Or, $\Delta H=\Delta E$, et donc $\Delta E=\Delta Q+\Delta G$.
$Delta G$ est la composante utilisable de la variation de l'énergie interne du système qui prend le nom de " variation d'énergie libre " du système.
3. Ce qui précède est applicable aux réactions biochimiques en milieu aqueux : la variation d'enthalpie représente la chaleur de réaction.
Une réaction est dite " exothermique " lorsqu'elle libère de la chaleur, i.e. si $\Delta H<0$, le système perd de l'enthalpie.
Une réaction est dite " endothermique " lorsqu'elle absorbe de la chaleur, i.e. si $\Delta H>0$, le système gagne de l'enthalpie.
Second principe de la thermodynamique
Vue d'ensemble
Le second principe de la thermodynamique (principe de Carnot) établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques.
C'est un principe d'évolution.
Machine thermique
(Figure : vetopsy.fr d'après Emoscope) En effet, dans le premier principe, principe de conservation, rien n'impose le sens de la transformation.
1. Il est toujours possible d'obtenir une transformation intégrale d'une certaine quantité d'énergie mécanique en chaleur, mais l'inverse n'est possible qu'à l'aide d'une machine thermique dont le rendement est donné par la relation de Carnot :
$W=(T2 - T1)/T2$, où $T1$ et $T2$ sont respectivement les températures absolues de la source froide et de la source chaude entre lesquelles se font les échanges de chaleur.
La chaleur ne peut pas être transformée intégralement en énergie mécanique, sauf si la source froide est au zéro absolu, ce qui est pratiquement irréalisable.
2. Les cellules vivantes étant isothermes, il s'ensuit qu'elles ne peuvent pas fonctionner comme une machine thermique.
Transformation irréversible/réversible
1. Les transformations ne se font pas dans tous les sens avec la même facilité.
a. Une transformation est dite irréversible lorsqu'elle ne peut être reproduite en sens inverse.
c'est le cas de toutes les transformations avec des frottements ou avec perte de chaleur.
b. Une transformation est dite réversible dans le cas contraire, ce qui suppose l'absence totale de frottement.
Cette notion de réversibilité est donc toute théorique et pratiquement irréalisable, mais on s'en approche en considérant des transformations isothermes très lentes.
D'une manière générale, les systèmes physiques subissent des transformations irréversibles, ce qui signifie qu'au cours de leur évolution, ils peuvent fournir de moins en moins de travail dans des conditions isothermes.
2. Leur énergie interne a une fraction dite " énergie utilisable " de plus en plus faible, i.e. ce qui se traduit par " dégradation de l'énergie " qui est l'objet du deuxième principe.
a. La diminution de l'énergie utilisable d'un système au cours d'une transformation irréversible est traduite par l'accroissement de l'entropie ($S$), i.e. mesure du degré de désordre d'un système :
Tous les systèmes physiques évoluent dans le sens d'un plus grand désordre, c'est à dire d'une plus grande uniformité.
Si on met en communication deux récipients renfermant un gaz à des pressions différentes, la pression s'équilibre Le système évolue spontanément de l'état le moins probable vers l'état le plus probable qui correspond à un désordre plus grand, i.e. à une entropie pslus élevée.
