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CM BIOCHIMIE LBG. L’ENERGETIQUE BIOLOGIQUE. I) INTRODUCTION. Energie, travail, énergétique. L’énergie est une propriété de la matière qui permet à celle-ci de se transformer en travail, ou à l’inverse de se former comme résultat d’un travail.
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CM BIOCHIMIE LBG L’ENERGETIQUE BIOLOGIQUE
Energie, travail, énergétique • L’énergie est une propriété de la matière qui permet à celle-ci de se transformer en travail, ou à l’inverse de se former comme résultat d’un travail. • Le terme d’énergie provient des mots grecs en (dans) et ergw (j’accomplis) et signifie propriété d’agir contenue dans un corps.
L’Energétique est la science qui étudie les échanges d’énergie et son application aux êtres vivants est l’énergétique biologique
Thermodynamique • Le terme de thermodynamique provient de qermos (chaleur) et de dunamai (pouvoir faire). Son sens initial était donc : travail obtenu à l’aide de la chaleur. La thermody-namique a d’abord concerné l’étude des machines à vapeur et serait la discipline qui étudie les échanges entre travail et chaleur; mais on utilise actuellement ce mot dans un sens plus large équivalent à celui d’énergétique
LA CHALEUR • On la définit de façon assez abstraite comme la forme d’énergie qui passe d’un corps à un autre sous l’influence d’une différence de température • C’est une énergie en transit
F A a l A F B a W = F.l.cosa
L’ENERGIE CHIMIQUE • Elle est due à la structure même des molécules. Chaque fois qu’une molécule se transforme ou réagit avec une autre , il se produit des échanges énergétiques et une réaction ne peut avoir lieu que si les échanges d’énergie qui l’accompagnent se font dans un sens qui la favorise : les produits finaux détiennent moins d’énergie que les produits initiaux.
Les types trophiques • Aliments • Minéraux Organiques • Autotrophes Hétérotrophes • L PHOTOTROPHES • Photolithotrophes Photoorganotrophes • Végétaux et bactéries à chlorophylle Quelques bactéries à chlorophylle C CHIMIOTROPHES • Chimiolithotrophes Chimioorganotrophes • Bactéries des chimiosynthèses Animaux, nombreux champignons et • nombreuses bactéries
1ER PRINCIPE • Il repose sur la conservation de l’énergie : lors de toute modification physique ou chimique, la quantité totale d’énergie dans l’univers demeure constante, même si la forme de l’énergie peut être modifiée
ENERGIE INTERNE • L’énergie contenue dans un système constitué de molécules est la somme des énergies de translation, vibration, rotation (énergies cinéti-ques provoquées par des déplacements) ou de répulsion et attraction des atomes ou des molé-cules (énergies potentielles dépendant des char-ges).L’ensemble de ces énergies, toutes difficiles à mesurer, est appelé énergie interne du système noté E. On ne sait mesurer que ses variations DE
Supposons qu’onfournissede la chaleur à un système et que cela lui fasse produire un travail (cas du chauffage d’un gaz dont les molécules vont circuler plus vite et frapper plus souvent les parois du récipient, augmentant ainsi la pression). Alors DE = Q – W Q est positif car la chaleur est fournie, W est négatif car le travail est fourni par le système. Dans un système isolé, pour passer de l’état initial A à l’état final B, DE est toujours la même quelle que soit la voie suivie entre A et B .
ENTHALPIE Si une réaction chimique se produit à la fois à pression et volume constants, les particules du système ne changent ni de vitesse ni de parcours entre l’état initial et l’état final. Il n’y a donc pas de travail mis en jeu et on peut écrire que la variation d’énergie interne est égale à la variation de chaleur. Par définition, la variation de chaleur d’une réaction à pression et volume constants est appelée variation d’enthalpie et notée H
Enthalpie vient du grec en (dans) et qalpos (cha-leur) et est donc la chaleur présente dans la molécule. Dans le cas des réactions qui mettent en jeu des liquides et des solides, la variation de volume est très faible. C’est le cas en particulier chez les êtres vivants : on peut considérer que les réac-tions se produisent à pression et volume constants et de ce fait on peut confondre les valeurs de l’enthalpie et de l’énergie interne : DE = DH = Q
ENTHALPIE DE FORMATION • Pour pouvoir mesurer DH, on a défini par convention un niveau de base de l’enthalpie de toute molécule en lui assignant la valeur 0 : l’état standard. • Une molécule ou un élément est à l’état standard quand il est sous sa forme physique la plus stable et par convention une molécule dans son état standard a une enthalpie nulle à 25°C. • A partir de l’état standard on peut calculer la valeur de l’enthalpie de chaque élément à une température autre que 25°C. On peut également grâce à l’additivité des enthalpies en calculer les variations au cours d’une réaction à partir des enthalpies des atomes ou des molécules qui se combinent : c’est ce qu’on appelle l’enthalpie de formation des molécules.
ENERGIE OU ENTHALPIE DE LIAISON • De même , connaissant les enthalpies des divers atomes constituant une molécule, on peut calculer la variation de chaleur se produisant théoriquement lorsqu’un atome se sépare d’un autre atome auquel il était attaché par une liaison chimique : c’est ce qu’on appelle l’énergie de liaison.
2ème PRINCIPE • Il dit que l’univers tend toujours vers de plus en plus de désordre : lors de tous les phénomènes naturels, l’entropie de l’univers augmente
ENTROPIE • C’est la mesure du degré de désordre d’un système et est notée S. • Le mot provient de en et tropein (évoluer, changer). L’entropie d’un cristal, asssemblage parfaitement régulier d’atomes et de molécules est nulle au zéro absolu. • L’ensemble des phénomènes thermodynamiques physiques qui se produisent spontanément dans l’univers ont tendance à faire augmenter l’entropie, alors que les phénomènes de la vie qui font augmenter l’ordre et l’organisation de la matière la font diminuer dans les organismes vivants. La vie s’exerce donc à l’encontre de l’entropie.
ENERGIE LIBRE • La variation d’énergie interne DE qui se produit au cours de toute réaction se décompose en deux parties, l’une qui produit du travail et l’autre qui compense la variation d’entropie. On a donc fait apparaître une autre fonction caractéristique de l’état énergétique d’un système, l’enthalpie libre, appelée aussi travail maximum utilisable et noté G. Energie libre, enthalpie et entropie sont liées par la relation : DG = DH - TDS
ENERGIE LIBRE standard et calcul • Comme on ne peut calculer que des variations d’énergie libre, pour chaque réaction élémentaire, on définit une valeur standard DG° : concentration Molaire, pH = 0 et t = 25°C. • Soit la réaction : A + B -----> C + D , on a alors • DG = DG° + RTLn[(C)(D)/(A)(B)] R = 8,314 J.°K.M • Toutefois, dans le milieu cellulaire, le pH est différend de 0 et on définit une nouvelle valeur standard à pH = 7 notée DG’° qui nous permet de calculer les variations d’énergie interne DG’ dans des conditions physiologi-ques.
