chapitre 8 Introduction au métabolisme 163
retour sur le ConCept 8.1
1. FaItes des lIens En quoi le deuxième principe
de la thermodynamique contribuetil à expliquer
la diffusion d’une substance à travers une membrane
(voir la figure 7.13, p. 147) ?
2. Décrivez les formes d’énergie qui se trouvent dans
une pomme lorsqu’elle pousse dans l’arbre, puis
lorsqu’elle tombe et enfin lorsqu’elle est digérée
par quelqu’un qui l’a mangée.
3. et sI ?
Si vous mettez une cuillerée à café
de sucre dans un verre d’eau, le sucre finira par
se dissoudre complètement. Ensuite, avec le temps,
l’eau finira par disparaître et les cristaux de sucre
réap paraîtront. Expliquez ces phénomènes du point
de vue de l’entropie.
Voir les réponses proposées à la fin du chapitre.
ConCept
8.2
Les variations de l’énergie libre
dans une réaction indiquent
si la réaction a lieu spontanément
Les principes de la thermodynamique que nous venons de voir
s’appliquent à l’Univers dans son ensemble. Les biologistes
aspirent à comprendre les réactions chimiques de la vie : par
exemple, quelles réactions surviennent spontanément et lesquelles nécessitent de l’énergie. Mais comment y arriver sans
examiner les variations de l’énergie et de l’entropie dans tout
l’Univers pour chacune de ces réactions ?
La variation de l’énergie libre, DG
Rappelezvous que l’Univers a deux constituants : « le système »
et « l’environnement ». En 1878, J. Willard Gibbs, un physicien américain, a défini une fonction très utile appelée énergie
libre d’un système (sans tenir compte de son environnement),
symbolisée par la lettre G (en l’honneur de Gibbs). L’énergie
libre d’un système est la portion de l’énergie de ce système
qui peut produire du travail à une température et à une pression constantes, comme c’est le cas dans une cellule. L’énergie totale (H), l’énergie libre, ou utilisable (G), et l’énergie
non utilisable (S) sont liées de la façon suivante :
H 5 G 1 TS
où T est la température absolue en degrés Kelvin (K 5 °C 1 273).
Voyons maintenant comment on détermine les variations
de l’énergie libre lorsqu’un système change, par exemple au
cours d’une réaction chimique. Dans toute réaction chimique,
la variation de l’énergie libre, DG, se calcule à l’aide de la formule suivante, qu’on peut déduire de celle que nous venons
tout juste de présenter :
DG 5 DH 2 TDS
Cette formule ne tient compte que des propriétés du système luimême (la réaction) : DH symbolise le changement
qui se produit dans l’enthalpie du système (dans un système
biologique, l’enthalpie est égale à l’énergie totale) ; DS est le
changement qui se produit dans l’entropie du système. Notez
que, par convention, le symbole D (la lettre grecque delta)
désigne la variation d’une valeur.
Quand on connaît la valeur de DG dans un processus, on
peut s’en servir pour déterminer si le processus sera spontané
(s’il se produira sans apport d’énergie). Plus d’un siècle d’expérimentation a montré que seuls les processus où la valeur
de DG est négative surviennent spontanément.
Pour que la valeur de DG soit négative, la valeur de DH
doit être négative (le système subit une perte d’enthalpie et H
diminue) ou celle de TDS doit être positive (le système subit
un accroissement de son désordre et S augmente), ou les deux
simultanément. Une fois les valeurs de DH et de TDS calculées,
DG a une valeur négative (DG < 0) dans tous les processus
spontanés. En d’autres termes, tout processus spontané réduit
l’énergie libre du système, et les processus où la valeur de DG
est positive ou égale à 0 ne sont jamais spontanés.
Ces données intéressent les biologistes au plus haut point,
car elles leur permettent de dire quel type de variation peut se
produire sans influence extérieure. De telles variations spontanées peuvent servir à effectuer un travail. Ce principe est très
important dans l’étude du métabolisme, dont le but premier
est de déterminer les réactions qui peuvent fournir l’énergie
nécessaire à l’exécution d’un travail dans la cellule vivante.
Énergie libre, stabilité et équilibre
Comme nous venons de le voir, lorsqu’un processus survient
spontanément dans un système, c’est que la valeur de DG est
négative. Pour mieux comprendre la signification de DG, vous
pouvez aussi vous dire qu’il représente la différence entre
l’énergie libre des produits et l’énergie libre des réactifs :
DG 5 G produits 2 G réactifs
Donc, la valeur de DG ne peut être négative que lorsque le
processus comporte une perte d’énergie libre en passant des
réactifs aux produits. Étant donné qu’il a moins d’énergie
libre, le système, à l’étape des produits, a moins tendance à
changer et est donc plus stable qu’il ne l’était.
On peut considérer l’énergie libre comme la mesure de
l’instabilité d’un système, c’estàdire de sa tendance à évoluer vers un état plus stable. Les systèmes instables (valeur de
G élevée) tendent en effet à évoluer vers un état plus stable
(valeur de G faible). Par exemple, un plongeur sur un tremplin
est moins stable (plus susceptible de tomber) qu’un nageur
qui flotte sur l’eau, une goutte de colorant concentré est moins
stable (plus susceptible de se disperser) que si le colorant est
dispersé au hasard dans le liquide. De même, une molécule
de glucose est moins stable (plus susceptible de se dégrader)
que les molécules plus simples qui peuvent résulter de sa
dégradation (figure 8.5). À moins qu’il y ait un obstacle, chacun de ces systèmes aura tendance à évoluer vers un état plus
stable : le plongeur sautera à l’eau, la solution se colorera uniformément, la molécule de glucose sera dégradée.
Le terme équilibre exprime un état de stabilité maximale,
comme nous l’avons vu au chapitre 2 en ce qui a trait aux
réactions chimiques. Il existe une relation importante entre
retour sur le ConCept 8.1
1. FaItes des lIens En quoi le deuxième principe
de la thermodynamique contribuetil à expliquer
la diffusion d’une substance à travers une membrane
(voir la figure 7.13, p. 147) ?
2. Décrivez les formes d’énergie qui se trouvent dans
une pomme lorsqu’elle pousse dans l’arbre, puis
lorsqu’elle tombe et enfin lorsqu’elle est digérée
par quelqu’un qui l’a mangée.
3. et sI ?
Si vous mettez une cuillerée à café
de sucre dans un verre d’eau, le sucre finira par
se dissoudre complètement. Ensuite, avec le temps,
l’eau finira par disparaître et les cristaux de sucre
réap paraîtront. Expliquez ces phénomènes du point
de vue de l’entropie.
Voir les réponses proposées à la fin du chapitre.
ConCept
8.2
Les variations de l’énergie libre
dans une réaction indiquent
si la réaction a lieu spontanément
Les principes de la thermodynamique que nous venons de voir
s’appliquent à l’Univers dans son ensemble. Les biologistes
aspirent à comprendre les réactions chimiques de la vie : par
exemple, quelles réactions surviennent spontanément et lesquelles nécessitent de l’énergie. Mais comment y arriver sans
examiner les variations de l’énergie et de l’entropie dans tout
l’Univers pour chacune de ces réactions ?
La variation de l’énergie libre, DG
Rappelezvous que l’Univers a deux constituants : « le système »
et « l’environnement ». En 1878, J. Willard Gibbs, un physicien américain, a défini une fonction très utile appelée énergie
libre d’un système (sans tenir compte de son environnement),
symbolisée par la lettre G (en l’honneur de Gibbs). L’énergie
libre d’un système est la portion de l’énergie de ce système
qui peut produire du travail à une température et à une pression constantes, comme c’est le cas dans une cellule. L’énergie totale (H), l’énergie libre, ou utilisable (G), et l’énergie
non utilisable (S) sont liées de la façon suivante :
H 5 G 1 TS
où T est la température absolue en degrés Kelvin (K 5 °C 1 273).
Voyons maintenant comment on détermine les variations
de l’énergie libre lorsqu’un système change, par exemple au
cours d’une réaction chimique. Dans toute réaction chimique,
la variation de l’énergie libre, DG, se calcule à l’aide de la formule suivante, qu’on peut déduire de celle que nous venons
tout juste de présenter :
DG 5 DH 2 TDS
Cette formule ne tient compte que des propriétés du système luimême (la réaction) : DH symbolise le changement
qui se produit dans l’enthalpie du système (dans un système
biologique, l’enthalpie est égale à l’énergie totale) ; DS est le
changement qui se produit dans l’entropie du système. Notez
que, par convention, le symbole D (la lettre grecque delta)
désigne la variation d’une valeur.
Quand on connaît la valeur de DG dans un processus, on
peut s’en servir pour déterminer si le processus sera spontané
(s’il se produira sans apport d’énergie). Plus d’un siècle d’expérimentation a montré que seuls les processus où la valeur
de DG est négative surviennent spontanément.
Pour que la valeur de DG soit négative, la valeur de DH
doit être négative (le système subit une perte d’enthalpie et H
diminue) ou celle de TDS doit être positive (le système subit
un accroissement de son désordre et S augmente), ou les deux
simultanément. Une fois les valeurs de DH et de TDS calculées,
DG a une valeur négative (DG < 0) dans tous les processus
spontanés. En d’autres termes, tout processus spontané réduit
l’énergie libre du système, et les processus où la valeur de DG
est positive ou égale à 0 ne sont jamais spontanés.
Ces données intéressent les biologistes au plus haut point,
car elles leur permettent de dire quel type de variation peut se
produire sans influence extérieure. De telles variations spontanées peuvent servir à effectuer un travail. Ce principe est très
important dans l’étude du métabolisme, dont le but premier
est de déterminer les réactions qui peuvent fournir l’énergie
nécessaire à l’exécution d’un travail dans la cellule vivante.
Énergie libre, stabilité et équilibre
Comme nous venons de le voir, lorsqu’un processus survient
spontanément dans un système, c’est que la valeur de DG est
négative. Pour mieux comprendre la signification de DG, vous
pouvez aussi vous dire qu’il représente la différence entre
l’énergie libre des produits et l’énergie libre des réactifs :
DG 5 G produits 2 G réactifs
Donc, la valeur de DG ne peut être négative que lorsque le
processus comporte une perte d’énergie libre en passant des
réactifs aux produits. Étant donné qu’il a moins d’énergie
libre, le système, à l’étape des produits, a moins tendance à
changer et est donc plus stable qu’il ne l’était.
On peut considérer l’énergie libre comme la mesure de
l’instabilité d’un système, c’estàdire de sa tendance à évoluer vers un état plus stable. Les systèmes instables (valeur de
G élevée) tendent en effet à évoluer vers un état plus stable
(valeur de G faible). Par exemple, un plongeur sur un tremplin
est moins stable (plus susceptible de tomber) qu’un nageur
qui flotte sur l’eau, une goutte de colorant concentré est moins
stable (plus susceptible de se disperser) que si le colorant est
dispersé au hasard dans le liquide. De même, une molécule
de glucose est moins stable (plus susceptible de se dégrader)
que les molécules plus simples qui peuvent résulter de sa
dégradation (figure 8.5). À moins qu’il y ait un obstacle, chacun de ces systèmes aura tendance à évoluer vers un état plus
stable : le plongeur sautera à l’eau, la solution se colorera uniformément, la molécule de glucose sera dégradée.
Le terme équilibre exprime un état de stabilité maximale,
comme nous l’avons vu au chapitre 2 en ce qui a trait aux
réactions chimiques. Il existe une relation importante entre