BIOENERGÉTICA

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BIOENERGETICA
Conceptos Básicos de termodinámica:
Termodinámica
La termodinámica es una rama de la física que se ocupa del estudio de las
transformaciones de la energía, la temperatura y la entropía en sistemas
físicos a nivel macroscópico. En términos más generales, la termodinámica
trata de la relación entre el calor y el trabajo, y cómo estos conceptos se
relacionan con otros aspectos del universo, como la energía, la entropía, la
temperatura y la presión.
En la termodinámica se estudian los procesos que ocurren en sistemas
físicos, desde los cambios de temperatura y presión en un motor de
combustión interna, hasta la transferencia de energía térmica en una reacción
química o en un sistema biológico. Esta rama de la física se divide en dos
áreas principales: la termodinámica clásica y la termodinámica estadística.
Bioenergética
La bioenergética es una rama de la biología que se enfoca en el estudio de la
energía en los sistemas biológicos. Se ocupa de los procesos que
transforman la energía en los seres vivos, incluyendo la captación,
almacenamiento, transferencia y liberación de energía.
La bioenergética se relaciona directamente con la respiración celular y la
fotosíntesis. En la respiración celular, los organismos utilizan la energía
almacenada en los alimentos para generar ATP (adenosín trifosfato), la
molécula que suministra energía a las células. Por otro lado, en la fotosíntesis,
las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan la energía solar para
producir carbohidratos y oxígeno.
La bioenergética también es importante en el contexto de la nutrición y el
metabolismo. Los nutrientes que se consumen en la dieta son transformados
en energía mediante procesos bioquímicos en el cuerpo. La bioenergética
también tiene aplicaciones en campos como la medicina, la biotecnología y la
ecología, donde se estudian los procesos energéticos en organismos y
ecosistemas.
Energía
La energía es una propiedad fundamental del universo que se define como la
capacidad de un sistema para realizar trabajo. La energía se puede manifestar
en muchas formas, tales como energía cinética (energía en movimiento),
energía potencial (energía almacenada en un sistema), energía térmica
(energía relacionada con la temperatura), energía eléctrica, energía radiante
(como la luz y las ondas electromagnéticas), energía química, entre otras.
La energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma de una forma a
otra.
Trabajo biológico
El trabajo biológico se refiere a los procesos energéticos que ocurren en los
sistemas biológicos, en los que la energía es utilizada para realizar una tarea
específica. En los seres vivos, el trabajo biológico es esencial para el
mantenimiento de la vida y el funcionamiento de los sistemas biológicos.
Funciones de estado
Las funciones de estado son propiedades termodinámicas que dependen
únicamente del estado actual del sistema y no de la forma en que el sistema
llegó a ese estado. Estas funciones son importantes en la termodinámica
porque permiten describir y analizar los cambios de estado de los sistemas,
independientemente de cómo se realizan.
Las funciones de estado incluyen la energía interna, la entalpía, la entropía y la
función de Gibbs. Cada una de estas funciones tiene una definición
matemática precisa y se relaciona con diferentes aspectos de los sistemas
termodinámicos.
La energía interna se refiere a la energía total del sistema, incluyendo su
energía cinética y potencial. La entalpía se relaciona con la cantidad de calor
que fluye hacia o desde el sistema a presión constante. La entropía se
relaciona con la cantidad de desorden o aleatoriedad en el sistema. Y la
función de Gibbs, que es una combinación de la entalpía y la entropía, se
utiliza para predecir la espontaneidad de los procesos químicos y físicos.
Las funciones de estado son útiles para predecir y analizar los cambios de
estado en los sistemas termodinámicos, y se utilizan en una amplia variedad
de aplicaciones, desde la ingeniería hasta la química y la física.
Sistemas: abierto, cerrado, aislado
Sistema: Fracción de materia del universo en la cual se observarán los
cambios energéticos que
puedan ocurrir durante una transformación química o física. Este debe estar
delimitado dependiendo
lo que se quiera estudiar. Un sistema puede ser una reacción química, una
célula, una mitocondria,
un órgano, un ser vivo completo o un planeta.
Sistemas aislados: Son aquellos sistemas que no intercambian ni energía ni
materia con su entorno.
Sistemas cerrados: Son sistemas que son capaces de intercambiar energía
con su entorno más no
materia.
Sistemas abiertos: Son sistemas capaces de intercambiar energía y materia
con su entorno.
La célula es un sistema abierto ya que intercambia energía y materia con su
entorno a través
de la membrana plasmática. Los sistemas aislados son más que todo de
interés teórico.
Entorno
Todo aquello que rodea al sistema.
Universo
Comprende tanto al sistema como al entorno.
Clasificación de los seres vivos:
De acuerdo a la fuente de carbono que utilizan: Organismo autótrofos y
heterótrofos
De acuerdo a la fuente de energía que utilizan: organismos fotótrofos y
quimiótrofos
la clasificación de los seres vivos puede realizarse en diferentes niveles y
criterios, y uno de ellos es según su fuente de carbono y energía.
De acuerdo con la fuente de carbono, se pueden clasificar en organismos
autótrofos y heterótrofos. Los organismos autótrofos son aquellos que
pueden sintetizar su propia materia orgánica a partir de sustancias
inorgánicas como el dióxido de carbono (CO2) y el agua, utilizando la energía
de la luz solar o de reacciones químicas (como en la quimiosíntesis). Por otro
lado, los organismos heterótrofos obtienen su materia orgánica a partir de
otros organismos, ya sea a través de la ingesta de alimentos o de la
descomposición de materia orgánica.
De acuerdo con la fuente de energía, se pueden clasificar en organismos
fotótrofos y quimiótrofos. Los organismos fotótrofos utilizan la energía de la
luz solar para sintetizar su materia orgánica y llevar a cabo sus procesos
metabólicos. Los organismos quimiótrofos, por otro lado, utilizan la energía
liberada por reacciones químicas, como la oxidación de compuestos
orgánicos o inorgánicos, para llevar a cabo sus procesos metabólicos.
Es importante destacar que algunos organismos pueden presentar
características de ambos tipos de clasificación, por ejemplo, algunos
organismos pueden ser autótrofos y quimiótrofos, como ciertas bacterias que
realizan quimiosíntesis utilizando compuestos inorgánicos como fuente de
energía.
Esquema del flujo de energía de los seres vivos
Leyes de la termodinámica:
Primera Ley de la termodinámica:
Enunciado.
La primera ley de la termodinámica, también conocida como la ley de
conservación de la energía, establece que la energía no se puede crear ni
destruir, sino que solo se puede transformar de una forma a otra o transferirse
de un sistema a otro. En otras palabras, la cantidad total de energía en un
sistema aislado permanece constante, y la energía no puede ser creada ni
destruida por procesos termodinámicos.
El enunciado formal de la primera ley de la termodinámica es el siguiente: "La
energía total de un sistema aislado es constante. La energía solo se puede
transferir o transformar, pero no se puede crear ni destruir".
Definición: Entalpía(H) y variación de la entalpía (ΔH) Significado de la
positividad y negatividad de ΔH
La entalpía (H) es una función termodinámica que describe la cantidad de
energía que un sistema termodinámico contiene en forma de calor a presión
constante. La entalpía se define como la suma de la energía interna del
sistema y el producto de la presión y el volumen del sistema.
La variación de la entalpía (ΔH) se refiere al cambio en la entalpía de un
sistema entre dos estados termodinámicos. La variación de la entalpía se
puede calcular restando la entalpía final del sistema a la entalpía inicial del
sistema: ΔH = Hfinal - Hinicial.
La positividad o negatividadde la variación de la entalpía (ΔH) indica si un
proceso termodinámico es exotérmico (ΔH negativo) o endotérmico (ΔH
positivo). Un proceso exotérmico es aquel en el que el sistema libera calor
hacia el entorno, lo que se traduce en una disminución de la entalpía del
sistema y una variación de la entalpía negativa (ΔH < 0). Por otro lado, un
proceso endotérmico es aquel en el que el sistema absorbe calor del entorno,
lo que se traduce en un aumento de la entalpía del sistema y una variación de
la entalpía positiva (ΔH > 0).
La variación de la entalpía es una cantidad importante en la termodinámica,
ya que permite predecir y analizar los cambios de energía en los procesos
termodinámicos y es una medida de la cantidad de calor liberada o absorbida
por un sistema en un proceso.
Segunda ley de la termodinámica:
Definición de entropía y de variación de
entropía (ΔS):
Significado de la positividad y
negatividad de ΔS
Energía libre de Gibbs:
Relación entre ΔH, ΔS y ΔG
La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema
aislado siempre tiende a aumentar con el tiempo, es decir, que los sistemas
tienden a evolucionar hacia un estado de mayor desorden o aleatoriedad.
También se puede expresar como que es imposible que un proceso
termodinámico tenga un rendimiento del 100% en la conversión de energía en
trabajo útil.
La entropía (S) es una función termodinámica que se relaciona con el grado
de desorden o aleatoriedad de un sistema. La entropía se define como la
cantidad de energía que no se puede utilizar para realizar trabajo útil en un
sistema a una determinada temperatura.
La variación de entropía (ΔS) se refiere al cambio en la entropía de un
sistema entre dos estados termodinámicos. La variación de la entropía se
puede calcular restando la entropía final del sistema a la entropía inicial del
sistema: ΔS = Sfinal - Sinicial.
La positividad o negatividad de la variación de entropía (ΔS) indica si un
proceso termodinámico es espontáneo (ΔS positivo) o no espontáneo (ΔS
negativo). Un proceso espontáneo es aquel en el que la entropía del sistema
aumenta, es decir, en el que el sistema evoluciona hacia un estado de mayor
desorden. Un proceso no espontáneo es aquel en el que la entropía del
sistema disminuye, es decir, en el que el sistema evoluciona hacia un estado
de menor desorden.
La energía libre de Gibbs (G) es una función termodinámica que combina la
entalpía y la entropía de un sistema y se utiliza para predecir la espontaneidad
de los procesos termodinámicos. Se define como G = H - TS, donde H es la
entalpía, T es la temperatura absoluta y S es la entropía del sistema.
La relación entre la variación de entalpía (ΔH), la variación de entropía (ΔS) y
la energía libre de Gibbs (ΔG) se puede expresar mediante la ecuación ΔG =
ΔH - TΔS. Si ΔG es negativo, el proceso es espontáneo y exergónico (libera
energía). Si ΔG es positivo, el proceso no es espontáneo y endergónico
(requiere energía para ocurrir). Si ΔG es igual a cero, el proceso está en
equilibrio termodinámico.
Cambio de Energía libre de Gibbs Estándar biológico(ΔGº´) y real.(ΔGr)
Definición
Significado de la
positividad y negatividad
de ΔGº´y ΔGreal
El cambio de energía libre de Gibbs estándar biológico (ΔGº´) es la variación
de energía libre de Gibbs que se produce en una reacción bioquímica cuando
todas las sustancias involucradas se encuentran en sus estados estándar (1
M, 1 atm, 25°C). Es decir, es la variación de energía libre de Gibbs que se
produce cuando la reacción se lleva a cabo bajo condiciones estándar.
El cambio de energía libre de Gibbs real (ΔGr) es la variación de energía libre
de Gibbs que se produce en una reacción bioquímica cuando las sustancias
involucradas no se encuentran en sus estados estándar, sino en sus
concentraciones y condiciones reales. Es decir, es la variación de energía libre
de Gibbs que se produce cuando la reacción se lleva a cabo bajo condiciones
reales.
La positividad o negatividad de ΔGº´ y ΔGr indica si una reacción bioquímica
es espontánea (ΔG negativo) o no espontánea (ΔG positivo). Si ΔG es
negativo, la reacción es exergónica y espontánea, lo que significa que se
produce una liberación neta de energía. Si ΔG es positivo, la reacción es
endergónica y no espontánea, lo que significa que se requiere una entrada
neta de energía para que la reacción se produzca. Si ΔG es igual a cero, la
reacción está en equilibrio termodinámico y no hay un cambio neto en la
energía libre de Gibbs.
Es importante destacar que la energía libre de Gibbs no solo depende de las
propiedades intrínsecas de las sustancias involucradas en la reacción, sino
también de las condiciones ambientales, como la temperatura, la presión y la
concentración de las sustancias. Por lo tanto, ΔGº´ y ΔGr pueden ser
diferentes en función de las condiciones en las que se lleva a cabo la reacción
bioquímica.
Realización de procesos no espontáneos:
Los procesos no espontáneos son aquellos que no ocurren de forma natural y
requieren de una entrada neta de energía para que se produzcan. Ejemplos de
procesos no espontáneos son la síntesis de moléculas complejas a partir de
moléculas simples y la elevación de un objeto a una altura mayor a la que se
encuentra en reposo.
Para realizar procesos no espontáneos, es necesario proporcionar una fuente
de energía externa al sistema para que se produzca la reacción deseada. Esta
energía puede ser suministrada en forma de calor, luz, electricidad, entre
otros.
En los sistemas biológicos, el proceso de realización de procesos no
espontáneos se lleva a cabo mediante la utilización de ATP (adenosín
trifosfato), que es una molécula de alta energía utilizada como fuente de
energía en las células. El ATP se hidroliza para liberar energía y producir ADP
(adenosín difosfato) y fosfato inorgánico, lo que proporciona la energía
necesaria para llevar a cabo procesos no espontáneos en la célula.
Además del ATP, los organismos también pueden utilizar otras moléculas de
alta energía, como el NADH (nicotinamida adenina dinucleótido reducido) y el
FADH2 (flavina adenina dinucleótido reducido), para realizar procesos no
espontáneos. Estas moléculas actúan como donadores de electrones y
proporcionan la energía necesaria para llevar a cabo reacciones químicas que,
de otra manera, no serían posibles sin una entrada neta de energía.
Acoplamiento de reacciones:
Definición
Condiciones en que se puede realizar
Eficiencia del acoplamiento
El acoplamiento de reacciones es un proceso en el que se combinan dos o
más reacciones para que la energía liberada por una reacción se utilice para
impulsar una reacción que de otra manera no sería espontánea. Este proceso
se lleva a cabo mediante la utilización de moléculas de alta energía, como el
ATP, el NADH y el FADH2, que se utilizan para acoplar reacciones
endergónicas a reacciones exergónicas.
Para que se pueda llevar a cabo el acoplamiento de reacciones, las
reacciones deben tener lugar en un mismo compartimento celular y las
condiciones deben ser adecuadas para que se produzca una transferencia
eficiente de energía. Además, las reacciones deben estar acopladas de
manera que la energía liberada en una reacción sea suficiente para impulsar la
otra reacción.
La eficiencia del acoplamiento de reacciones depende de varios factores,
como la energía liberada en la reacción exergónica, la energía requerida en la
reacción endergónica, la concentración de las moléculas de alta energía y la
eficiencia de los sistemas enzimáticos que catalizan las reacciones. Si el
acoplamiento de reacciones es eficiente, la energía liberada en la reacción
exergónica se utiliza de manera eficiente para impulsar la reacción
endergónica, lo que permite que las células utilicen la energía de manera
eficiente.
En resumen, el acoplamiento de reacciones es un proceso fundamental en la
bioquímica que permite que las células utilicen la energía de manera eficiente.
Para que se produzca un acoplamiento eficiente, las reacciones deben tener
lugar en un mismo compartimento celulary las condiciones deben ser
adecuadas para que se produzca una transferencia eficiente de energía. La
eficiencia del acoplamiento de reacciones depende de varios factores y puede
ser mejorada mediante la regulación de las concentraciones de las moléculas
de alta energía y la optimización de los sistemas enzimáticos que catalizan
las reacciones.
Mecanismos de síntesis del ATP :
Fosforilación unida al sustrato
Existen dos mecanismos principales para la síntesis de ATP en las células: la
fosforilación unida al sustrato y la fosforilación oxidativa.
La fosforilación unida al sustrato ocurre cuando una enzima transfiere un
grupo fosfato de un sustrato de alta energía, como el fosfocreatina o la
glucosa-6-fosfato, a una molécula de ADP para formar una molécula de ATP.
Este proceso se produce durante la glucólisis, la vía de la pentosa fosfato y el
ciclo de Krebs.
Los compuestos fosforilados de alta energía, como el fosfocreatina y la
glucosa-6-fosfato, tienen una alta cantidad de energía almacenada en sus
enlaces fosfato. Esta energía se libera cuando los enlaces fosfato son
hidrolizados, lo que produce una molécula de ATP y una molécula de ADP.
El potencial de transferencia de grupo fosfato es una medida de la cantidad
de energía almacenada en un enlace fosfato. Los enlaces fosfato de alta
energía tienen un alto potencial de transferencia de grupo fosfato y pueden
ser utilizados para sintetizar ATP.
El ATP es un intermediario energético en el metabolismo celular. Es utilizado
por las células para almacenar y transportar energía en forma de enlaces
fosfato de alta energía. El ATP es utilizado como fuente de energía para
procesos celulares como la síntesis de macromoléculas, el transporte de
iones y la contracción muscular. Además, el ATP es utilizado como fuente de
energía para impulsar reacciones endergónicas y acoplar reacciones
exergónicas a reacciones endergónicas.
Compuestos fosforilados de alta energía:
Definición
Potencial de transferencia
de grupo Fosfato
ATP como intermediario energético
en el metabolismo
Los compuestos fosforilados de alta energía son moléculas que contienen
enlaces fosfato de alta energía, capaces de liberar una gran cantidad de
energía cuando se hidrolizan. Estos compuestos son importantes en el
metabolismo celular porque pueden actuar como donantes de energía para la
síntesis de ATP, que es la principal molécula de almacenamiento de energía
en las células.
El potencial de transferencia de grupo fosfato es una medida de la cantidad
de energía almacenada en un enlace fosfato. Los enlaces fosfato de alta
energía tienen un alto potencial de transferencia de grupo fosfato y pueden
ser utilizados para sintetizar ATP.
El ATP es un intermediario energético en el metabolismo celular. Es utilizado
por las células para almacenar y transportar energía en forma de enlaces
fosfato de alta energía. El ATP es utilizado como fuente de energía para
procesos celulares como la síntesis de macromoléculas, el transporte de
iones y la contracción muscular. Además, el ATP es utilizado como fuente de
energía para impulsar reacciones endergónicas y acoplar reacciones
exergónicas a reacciones endergónicas.
Entre los compuestos fosforilados de alta energía se encuentran el fosfato de
creatina, la glucosa-6-fosfato, la fructosa-6-fosfato, el 1,3-bifosfoglicerato y el
fosfoenolpiruvato. Estas moléculas se utilizan para acoplar reacciones
endergónicas a reacciones exergónicas mediante la transferencia de un grupo
fosfato de alta energía a una molécula de ADP para formar ATP.