La Termodinámica y la Vida

1. La Termodinámica y la Vida Prof. Mirko Zimic mzimic@jhsph.edu

2. Auto-ensamblaje Alta especificidad Información La Biología está basada en la materia ´suave´ viviente

3. “Los objetos vivientes están compuestos por moléculas inertes”Albert Lehninger

4. El problema es:Cómo estas moléculas confieren la admirable combinación de características que denominamos vida???Cómo es que un organismo vivo aparece ser más que la suma de sus partes inanimadas???

5. La Física procura entender y reducir la Biología en leyes fundamentalesPero este es un problema muy complicado !Son demasiadas las variables y resulta imposible describir un sistema de un número tan grande de partículas

6. Si todo en el nano-mundo de las células es aleatorio, cómo podemos realizar predicciones? SOLUCIÓN: Descripción estadística del mundo ´aleatorio´ La ACTIVIDAD COLECTIVA de ‘muchos’ objetos de Movimiento aleatorio puede ser predicho, aun cuando el movimiento exacto de un sólo objeto es desconocido

7. TERMODINÁMICA • Permite predecir la ACTIVIDAD COLECTIVA de ‘muchos’ objetos de movimiento aleatorio, aun cuando el movimiento exacto de un sólo objeto es desconocido

8. Todo en el Universo esta compuesto por Materia y Energía • Materia: - Medida de la ‘inercia’ • Energía: - Energía cinética (movimiento) - Energía potencial (reposo) E = M C2

9. Trabajo • Trabajo = Fuerza ´ Distancia • W = F Dx • La unidad del trabajo es el Newton-metro conocido también como Joule.

10. F F D x Trabajo mecánico

11. Kinetic Energy • Kinetic Energy is the energy of motion. • Kinetic Energy = ½ mass ´ speed2

12. Potential Energy • The energy that is stored is called potential energy. • Examples: • Rubber bands • Springs • Bows • Batteries • Gravitational Potential PE=mgh

13. Conversión entre la Energía cinética y la Energía potencial

14. Qué es la Bioenergética? • Es la disciplina que estudia los aspectos energéticos en los sistemas vivos, tanto a nivel molecular como a nivel celular. • Interacciones moleculares • ATP como biomolécula almacenadora de energía • Biocatálisis • Reacciones acopladas

18. Interacciones Fundamentales • Interacción Gravitacional (masa-masa) • Interacción Electromagnética (carga-dipolo) • Interacción Nuclear Débil (electrones-núcleo) • Interacción Nuclear Fuerte (protones-neutrones)

19. Los Sistemas Biológicos son guiados fundamentalmente por Interacciones Electromagnéticas • Enlaces Covalentes • Enlaces No-covalentes (Interacciones Débiles): • Puentes de Hidrógeno • Efecto Hidrofóbico • Interacciones Iónicas • Interacciones Ión-Dipolo • Interacciones Dipolo-Dipolo • Fuerzas de Van der Waals

20. Enlace Covalente

21. Las interacciones Iónicas se dan entre partículas cargadas

22. PUENTE DE HIDRÓGENO

23. Participación de los Puentes de Hidrógeno:Replicación, Transcripción y Traducción

24. Las interacciones débiles dirigen el proceso de ‘docking’ molecular

25. El efecto hidrofóbico colabora en el plegamiento de las proteínas

26. Revisión de algunos conceptos Termodinámicos • Sistemas termodinámicos • Equilibrio termodinámico • Temperatura • Calor • Entalpía • Energía Libre • Entropía

27. Clasificación de los sistemas termodinámicos • Sistemas Abiertos • Intercambian materia y energía con el exterior • Sistemas Cerrados • Sólo intercambian energía con el exterior • Sistemas Aislados • No tienen ningun tipo de intercambio con el exterior

28. Equilibrio Termodinámico Un sistema se encuentra en equilibrio termodinámico cuando la distribución espacial y temporal de la materia y la energía es uniforme

29. En el equilibrio termodinámico se reducen las gradientes y con ello se reduce la energía potencial

30. Qué esta más frío? El metal o la madera?

31. Temperatura Es la medida de la energía cinética interna de un sistema molecular Ek = N K T /2

32. Cool Hot

33. Qué es el “cero absoluto”?

34. Escalas de temperatura Fahrenheit Celsius Kelvin Boiling Point of Water 212F 100C 373 K Freezing Point of Water 273 K 32F 0C Absolute Zero -459F -273C 0 K

35. Sólido Líquido Gas Plasma Los estados de la materia

37. Calor Es la energía cinética que se propaga debido a un gradiente de temperatura, cuya dirección es de mayor temperatura a menor temperatura

38. T = 100oC Temperature Profile in Rod T = 0oC Heat Vibrating copper atom Copper rod El flujo del calor

39. Reversibilidad • Reversibility is the ability to run a process back and forth infinitely without losses. • Reversible Process • Example: Perfect Pendulum • Irreversible Process • Example: Dropping a ball of clay

40. Procesos reversibles • Examples: • Perfect Pendulum • Mass on a Spring • Dropping a perfectly elastic ball • Perpetual motion machines • More?

41. Procesos irreversibles • Examples: • Dropping a ball of clay • Hammering a nail • Applying the brakes to your car • Breaking a glass • More?

42. Primera Ley de la Termodinámica “ La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma” Q = W + dE

43. Heat-up the system E Cool-off the system E Do work on the system Extract work from the system -PV w w´ First Law: Energy conservation Internalenergy (E).- Total energy content of a system. It can be changed by exchanging heat or work with the system: E = q + w

44. Entalpía H=E+PV La entalpía es la fracción de la energía que se puede utilizar para realizar trabajo en condiciones de presión y volumen constante dH<0 proceso exotérmico dH>0 proceso endotérmico

45. Entropía S = K Ln(W) La entropía es la medida del grado de desorden de un sistema molecular S1 > S2

46. La entropía es la medida del grado de desorden de un sistema

47. Disordered Liquid Ordered Solid

48. Higher Entropy… Lower Entropy… Hard-sphere liquid Hard-sphere freezing is driven by entropy ! Hard-sphere crystal

49. Segunda Ley de la Termodinámica “En todo sistema aislado, la entropía siempre aumenta hasta alcanzar el estado de equilibrio” dS>=0 (dS>=dQ/T)

50. Equilibration Ordering and 2nd law of thermodynamics System in thermal contact with environment Cools to room Initially high • Condensation into liquid (more ordered). • Entropy of subsystem decreased… • Total entropy increased! Gives off heat to room.