introduzione alla biofisica cenni storici e concetti...

Corso di Biofisica, Università di Cagliari

Introduzione alla biofisica Cenni storici e concetti fondamentali

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Riferimenti •  Books and others •  Nelson, chap. 1

•  http://www.life.illinois.edu/crofts/bioph354/

•  http://www.fisicamente.net/DIDATTICA/index-1350.htm

•  http://online.scuola.zanichelli.it/chimicafacile/files/2011/02/app13.pdf

•  Movies •  https://www.youtube.com/watch?v=7-QJ-

UUX0iY&list=PL933F4D318515DDD0&index=11

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Key question Come si crea e si mantiene l’ordine nei sistemi biologici?

Flussi di energia

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Energia: conservazione e conversione •  Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza

di attrito.

•  Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito.

•  Energia totale (meccanica + termica): si conserva.

Energia si trasforma da una forma all’altra:

–  potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze).

–  meccanica in termica (e.g. attrito viscoso).

Principi della Termo-dinamica

(anche per energia chimica)

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Energia: conservazione e conversione •  Energia meccanica (cinetica + potenziale): si conserva in mancanza

di attrito.

•  Energia termica (calore): dovuta a forze di attrito.

•  Energia totale (meccanica + termica): si conserva.

Energia si trasforma da una forma all’altra:

–  potenziale in cinetica (dinamica corpi in campo di forze).

–  meccanica in termica (e.g. attrito viscoso).

Principi della Termo-dinamica

(anche per energia chimica)

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Principi termodinamica 1.  La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un

sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:

2.  Diversi enunciati: 1.  Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo

(formulazione di Clausius).

2.  In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:

3.  Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.

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ΔE =Q−W

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Principi termodinamica 1.  La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un

sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:

2.  Diversi enunciati: 1.  Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo

(formulazione di Clausius).

2.  In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:

3.  Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.

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dSdt

≥ 0 dS = dQrev

T≥dQT

definizione di processi irreversibili, legati alla

freccia del tempo

ΔE =Q−W

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Principi termodinamica 1.  La variazione di energia totale (interna+cinetica+potenziale) in un

sistema aperto è uguale al calore assorbito meno il lavoro fatto sull’ambiente:

2.  Diversi enunciati: 1.  Il calore non si trasferisce spontaneamente da un corpo ad un corpo più caldo

(formulazione di Clausius).

2.  In un sistema isolato l'entropia è una funzione non decrescente nel tempo, e la sua variazione è massima in un processo reversibile:

3.  Nello stato di minima energia l'entropia ha un valore ben definito e dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.

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dSdt

≥ 0 dS = dQrev

T≥dQT

definizione di processi irreversibili, legati alla

freccia del tempo

ΔE =Q−W

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Energia di diversa qualità?

•  Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l’energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che

costituiscono la materia.

•  L’energia meccanica che produce lavoro è “ordinata” (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc…).

L’organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)?

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Energia di diversa qualità?

•  Il calore è una forma particolare di energia meccanica, è l’energia cinetica dovuta ai moti casuali delle molecole che

costituiscono la materia.

•  L’energia meccanica che produce lavoro è “ordinata” (caduta di un grave, funzionamento di una turbina, etc…).

L’organizzazione rende conto di una distinzione fra energia di alta qualità (usata per produrre lavoro) e una di bassa qualità (risultato di conversione parziale di energia di alta qualità)?

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Energia libera Definisce un’energia di alta qualità come la differenza fra

quella totale E e quella “dovuta al disordine”, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia:

•  Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l’energia libera diminuisce.

•  Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma

di un gas, formazione di soluzioni)

•  Alta qualità: TS << E à F ≈ E

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F = E −TS

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Energia libera Definisce un’energia di alta qualità come la differenza fra

quella totale E e quella “dovuta al disordine”, proporzionale al prodotto tra temperatura e entropia:

•  Un sistema a temperatura T può evolvere spontaneamente solo se l’energia libera diminuisce.

•  Può avvenire sia tramite riduzione di E (es: caduta di un grave), sia tramite un aumento di S (es: espansione isoterma

di un gas, formazione di soluzioni)

•  Alta qualità: TS << E à F ≈ E

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F = E −TS

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Come si crea ordine nei sistemi viventi? •  Definizione di energia libera e secondo principio

•  In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E.

•  Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l’ambiente).

Esempi:

–  Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0).

–  Interazione materia / campo elettromagnetico.

–  Legame chimico.

–  Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra.

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F = E −TS

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Come si crea ordine nei sistemi viventi? •  Definizione di energia libera e secondo principio

•  In un processo che porta a riduzione di F, TS può diminuire a patto che ci sia una diminuzione maggiore in E.

•  Non contraddice secondo principio nel caso il sistema non sia isolato (es. può scambiare calore con l’ambiente).

Esempi:

–  Condensazione vapore (ΔS < 0, ΔE < 0).

–  Interazione materia / campo elettromagnetico.

–  Legame chimico.

–  Comparsa forme di vita organizzate sulla Terra.

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F = E −TS

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Energia libera e ordine

Un flusso di energia che attraversa un sistema può

contribuire a incrementare l’ordine!!!

Trasduzioni di energia libera (anabolismo) in

specie vegetali e animali

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Esempio: Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi,

un’esempio è l’osmosi.

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Flussi osmotici La trasduzione di energia libera avviene anche in sistemi non viventi,

un’esempio è l’osmosi.

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•  Dopo inizio scioglimento soluto, flusso d’acqua attraverso membrana semipermeabile verso regione a più alta concentrazione di soluto.

•  Può essere utilizzato per compiere lavoro meccanico (ΔUpeso > 0).

•  Associato a assorbimento di calore e dunque di entropia del soluto.

•  Non dipende dal tipo di soluto, ma solo dalla sua concentrazione (proprietà colligativa)!

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Flussi osmotici osmosi inversa.

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•  Tirando il pistone di sinistra si ha un aumento della concentrazione di soluto nella regione destra (osmosi inversa o ultrafiltrazione).

•  Il lavoro meccanico consente di aumentare l’ordine, ma parte viene dissipata in calore ceduto all’ambiente circostante.

•  Diminuzione entropia del soluto.

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Osmosi in organismi viventi

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Osmosi in organismi viventi

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Reazioni chimiche •  Come flussi osmotici, procedono nella direzione di minima

energia:

–  Esotermiche: spontanee, liberano calore

•  Formazione legame covalente

•  Reazioni di isomerizzazione

–  Endotermiche: assorbono calore

•  Idrolisi dell’acqua tramite flusso corrente elettrica

•  Fotocatalisi

In genere necessario superare energia di attivazione

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Transition State Theory

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