Continguts

1. INTRODUCCIÓ: L'ENERGIA I LA BIOSFERA. Sistemes vius fototròfics i quimiotròfics. Cicle de la matèria i flux d'energia a la biosfera. Conversió i eficiència energètica. Transport i emmagatzematge de l’energia.

2. ELS PRINCIPIS DE LA TERMODINÀMICA. Sistemes termodinàmics. Concepte de calor i temperatura. Equivalència entre calor i treball. L’experiment de Joule. Primer principi de la Termodinàmica. Processos reversibles i irreversibles. Entropia i Segon principi de la Termodinàmica. Interpretació mecànica de la calor i l’entropia. Interpretació quàntica de la calor i l’entropia. Equivalència dels principis de màxima entropia i mínima energia. El concepte d’energia lliure. Entalpia, Energia lliure de Helmhotz i Energia lliure de Gibbs.

3. MECÀNICA ESTADÍSTICA I SISTEMES MICROSCÒPICS. La termodinàmica i els models microscòpics. Mecànica estadística: l'entropia i el model atòmico-molecular. La funció de partició i la distribució de Boltzmann. Aplicacions a proteïnes i àcids nucleics.

4. PRODUCCIÓ D'ENERGIA EN LA FOTOSÍNTESI. Fase fosca i fase lluminosa. Estructura dels cloroplasts. Cromòfors. Absorció i transport de l'energia de la radiació solar. Teoria de Marcus de la transferència electrònica. L’efecte túnel quàntic i estimació de la distància de tunelament. Fotoreceptors, model de l'antena, mecanisme de transport d'energia de l'antena al centre fotoquímic. Taxa neta de transferència electrònica. El centre fotoquímic: reaccions de transferència de càrrega, estructura i funcionament dels centres fotoquímics. Cadena de transportelectrònic fotosintètic en bacteris. Cadena de transport electrònic fotosintètic en plantes: l'efecte cooperatiu d'Emerson i els dos fotosistemes. Fixació de CO₂ en el cicle de Calvin. Capacitat de fixació del CO₂ i canvi climàtic.

5. PRODUCCIÓ D'ENERGIA  EN LES FERMENTACIONS I EN LA RESPIRACIÓ. Producció d'ATP en les fermentacions: fosforilació a nivell de substrat. Producció d'ATP lligada a la respiració: fosforilació oxidativa, el mitocondri. La cadena del transport electrònic mitocondrial: els transportadors i llur ordenació, localització dels transportadors en la membrana mitocondrial interna. Partícules submitocondrials: ATP sintasa. Problema de l'acoblament entre el transport electrònic i la fosforilació oxidativa: hipòtesi de l'acoblament químic, hipòtesi de l'acoblament conformacional. Hipòtesi de l’acoblament quimiosmòtic. El complex ATPasa F1-Fo: propietats, estructura, mecanisme de síntesi d'ATP.

6. EL TREBALL DE TRANSPORT. Definició de treball de transport. Difusió simple. Primera llei de Fick. Segona llei de Fick. Model de difusió simple a través de la membrana cel·lular. Permeabilitat de membrana. Difusió facilitada. Models de difusió facilitada. El transportador de glucosa. Canals iònics. Canals operats per voltatge. Equilibri iònic i equació de Nernst. Models simples de canals iònics operats per voltatge. Canals operats per unió a lligand. Model de Monod-Wyman-Changeaux. Força entròpica de sortida. Transport actiu. Transport actiu de la glucosa. Flux de glucosa a l’intestí.

7. EL TREBALL MECÀNIC. Motors moleculars. Citoesquelet. Estructura dels microtúbuls i elsfilaments d’actina. Polimerització, nucleació i elongació. Model de polimerització senzill. Model de polimerització polar. Model de polimerització amb hidròlisi d’ATP. Catàstrofes de polimerització. Motors translacionals: miosina, kinesina i dineina. La contracció muscular. Models de translació: el model del camí aleatori. Relació entre velocitat de polimerització i consum d’ATP. Motors rotacionals i el model del trinquet brownià. Motors de polimerització i localització dels centríols. Motors de translocació i sistemes de secreció.

8. EL TREBALL DE BIOSÍNTESI. Diferències entre anabolisme i catabolisme. Relació entre els valors de ΔG i els punts de regulació de les vies metabòliques. Aspectes energètics de les vies metabòliques i estratègies de control: intermediaris comuns, compartimentalització i control enzimàtic. Alguns aspectes energètics de la catàlisi enzimàtica: la Termodinàmica i el temps, cinètica química, interpretacions energètiques de l'acció catalítica dels enzims. Exemples de treball de biosíntesis: la gluconeogènesi en comparació amb la glucòlisi.

9. LA TERMODINÀMICA DELS PROCESSOS IRREVERSIBLES I LA BIOLOGIA. Termodinàmica de sistemes oberts. Sistemes poc allunyats de l’equilibri: velocitat de producció interna d’entropia, equacions d’Onsager, estat estacionari, principi de la mínima producció d’entropia. Sistemes molt allunyats de l’equilibri: inestabilitat de Bénard, reacció de Zhabotinski. Estructures dissipatives: possibles aplicacions a l’estudi dels sistemes vius.

10. FORMACIÓ DE PATRONSBIOLÒGICS.Diferenciació cel·lular i embriogènesis. Gradients de morfògens. El model de la bandera francesa. Formació d’heterocists en organismes fotosintètics. Patrons de Turing amb i sense difusió. Generació de patrons temporals: el creixement dels microorganismes en superfície. Efecte dels soroll biològic en els patrons. Avantatges del soroll biològic. El sistema ComK de competència en B. subitilis i els mecanismes bacterians de persistència.

11. UNA VISIÓ TERMODINÀMICA DE L'ORIGEN DE LA VIDA I L'EVOLUCIÓ. Definició de vida. Teories actuals sobre l’origen de la vida. Definició termodinàmica de vida: autoreplicació. Autoreplicació espontània. La vida entesa com a una transició de fase: el concepte de la vida a la vora del caos. Concepte de criticalitat i criticalitat autoorganitzada. Darwinisme i evolució: el concepte d’espai morfogènic. El paper dels gens en l’evolució.