Biologia_5

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5. Transferencia de energía a través de sistemas vivos.
Energía y metabolismo:
Energía: Capacidad que tiene la materia de producir trabajo en forma de movimiento, luz, calor, etc.
Metabolismo: Conjunto de los cambios químicos y biológicos que se producen continuamente en las células vivas de un organismo
-Trabajo biológico: El trabajo biológico que realizan los seres vivos, se agrupa en tres tipos: trabajo químico, trabajo de concentración y trabajo mecánico.
Trabajo químico: es efectuado por la célula por medio de los procesos de anabolismo y catabolismo.
Trabajo de concentración: también llamado osmótico, consiste en el transporte que realiza la célula al introducir o eliminar del citoplasma sustancias en contra del gradiente de concentración.
Trabajo mecánico: es realizado por la célula al efectuar sus movimientos como los que lleva a cabo el citoplasma, el desplazamiento de los cromosomas durante la división celular.
Por medio de estos tres tipos de trabajo se presenta el flujo de energía en las células.
TRABAJO BIOLÓGICO: la actividad realizada dentro de un sistema biológico que proporciona la energía necesaria para el correcto funcionamiento y mantenimiento del sistema.
El flujo de energía en este ciclo biológico es mucho mayor que la suma total de la energía que intercambian todas las máquinas elaboradas por el hombre.
Las unidades básicas en la organización de los sistemas de transformación de energía celular son las enzimas, proteínas especializadas que catalizan las reacciones químicas con especificidad en la célula; ya que están distribuidas en grupos orientados en diferentes estructuras de la célula para proporcionar dirección a las transformaciones de energía que ellas catalizan.
La energía es transformada de un tipo a otro en 3 pasos:
1- La 1ra ETAPA es la FOTOSÍNTESIS, la captura de la ENERGÍA SOLAR por el pigmento clorofila en las células de las plantas verdes y su transformación en ENERGÍA QUÍMICA, que se usa para construir carbohidratos y otras moléculas de alimentos a partir del CO2 y H2O. 
2- La 2da ETAPA en el flujo de energía es la RESPIRACIÓN en el que la ENERGÍA QUÍMICA de las moléculas de alimentos se transforma en una clase de energía más útil durante la OXIDACIÓN en las células de animales. 
2- 
3- En la 3ra ETAPA la ENERGÍA QUÍMICA recuperada la utilizan las células para realizar TRABAJO, ya sea dentro de las células o en el medio ambiente. El trabajo realizado puede ser el trabajo mecánico de la contracción muscular, el trabajo eléctrico, el trabajo osmótico, o el trabajo químico de crecimiento. Conforme se realizan estas funciones, la ENERGÍA FLUYE finalmente al MEDIO AMBIENTE en una forma disipada, menos útil. 
A lo largo del FLUJO de ENERGÍA BIOLÓGICA, existen algunos dispositivos que los organismos vivos han perfeccionado al transformar la energía. Por ejemplo, la ANGUILA puede realizar impactos eléctricos de varios cientos de volts de potencial eléctrico. Los destellos de la LUCIÉRNAGA se manifiestan por la conversión de la energía química en luz. El ESCARABAJO BOMBARDERO puede encender su cañón sorprendente al convertir la energía química del Peroxido de Hidrogeno (agua oxigenada) en energía de presión-volumen. 
No sólo fluye ENERGÍA entre los mundos de vegetales y de animales, sino también MASA. Durante la RESPIRACIÓN las células animales toman O2 de la atmósfera y luego descargan CO2. Las plantas verdes extraen CO2 y H2O de la atmósfera y descargan O2. Entonces hay ahí un CICLO de CO2, un CICLO de O2 y un CICLO de H2O entre los mundos de animales y plantas. El contenido de agua en la biosfera es muy grande, así como el contenido de O2. El contenido de CO2 en la atmósfera es más bien pequeño, solamente del orden de 0.03 por ciento. Hay así un balance entre la producción de CO2 y la utilización en la biosfera. El mundo de las células fotosintéticas y el mundo de las células heterotróficas viven en SIMBIOSIS unas con otras, una simbiosis en el que tanto la masa y la energía son elementos componentes. 
En un ECOSISTEMA, los seres vivos requieren MATERIA para sustituir sus tejidos y ENERGÍA para su funcionamiento. Se establece un flujo de materia y energía en la que la materia y la energía pasa de un eslabón a otro en una CADENA ALIMENTARIA. La materia pasa del suelo a las plantas y de éstas a los animales. Cuando la planta y el animal mueren vuelve al suelo y es nuevamente utilizada por las plantas, previa a la desintegración a cargo de los descomponedores. La materia realiza un Ciclo, es decir la misma materia vuelve a ser utilizad muchísimas veces. La ENERGÍA es captada por la planta (PRODUCTORES) y pasa a los animales (CONSUMIDORES). En la planta y en el animal la energía se disipa en forma de calor y cuando las plantas y animales son desintegrados por los Bacterias y Hongos (DESCOMPONEDORES), esa energía continúa disipándose y sale de la comunidad pero no se recupera más. La energía no realiza ciclos, como en la materia, y no puede volver a ser utilizada.
Termodinámica
La termodinámica puede definirse como el tema de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo.
Sabemos que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura. O sea, el calor es muy semejante al trabajo.
El calor se define como una transferencia de energía debida a una diferencia de temperatura, mientras que el trabajo es una transferencia de energía que no se debe a una diferencia de temperatura.
Al hablar de termodinamica, con frecuencia se usa el término "sistema". Por sistema se entiende un objeto o conjunto de objetos que deseamos considerar. El resto, lo demás en el Universo, que no pertenece al sistema, se conoce como su "ambiente". Se consideran varios tipos de sistemas. En un sistema cerrado no entra ni sale masa, contrariamente a los sistemas abiertos donde sí puede entrar o salir masa. Un sistema cerrado es aislado si no pasa energía en cualquiera de sus formas por sus fronteras.
Previo a profundizar en este tema de la termodinamica, es imprescindible establecer una clara distinción entre tres conceptos básicos: temperatura, calor y energía interna. Como ejemplo ilustrativo, es conveniente recurrir a la teoría cinética de los gases, en que éstos sabemos están constituidos por numerosísimas moléculas en permanente choque entre sí.
La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas individuales. El calor es una transferencia de energía, como energía térmica, de un objeto a otro debida a una diferencia de temperatura.
La energía interna (o térmica) es la energía total de todas las moléculas del objeto, o sea incluye energía cinética de traslación, rotación y vibración de las moléculas, energía potencial en moléculas y energía potencial entre moléculas. Para mayor claridad, imaginemos dos barras calientes de un mismo material de igual masa y temperatura. Entre las dos tienen el doble de la energía interna respecto de una sola barra. Notemos que el flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas y no de cuánta energía térmica o interna tiene cada uno. El flujo de calor es siempre desde el objeto a mayor temperatura hacia el objeto a menor temperatura.
Primera Ley de la Termodinámica
Esta ley se expresa como:
 Eint = Q - W
Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W)
Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.
Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.
Segunda Ley de la Termodinámica
La primera ley nos dice que laenergía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley.
En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes:
Enunciado de Kelvin - Planck : Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo.
Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo.
Tercera Ley de la Termodinámica
y Ley Cero de la Termodinámica
Además de la primera y segunda leyes de la termodinámica, existen la ley cero y la tercera ley de la termodinámica.
Ley Cero de la Termodinámica (de Equilibrio):
"Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".
Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí.
Tercera Ley de la Termodinámica.
La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes:
"No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos"
Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.
"La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero".
"La primera y la segunda ley de la termodinámica se pueden aplicar hasta el límite del cero absoluto, siempre y cuando en este límite las variaciones de entropía sean nulas para todo proceso reversible".
TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP)
El ATP constituye una forma de almacenar y producir energía en compuestos o enlaces de alto valor energético. 
El ATP es una fuente energética necesaria para todas las formas de trabajo biológico, como la contracción muscular, la digestión , la transmisión nerviosa, la secreción de las glándulas, la fabricación de nuevos tejidos, la circulación de la sangre, etc.
El ATP es la fuente directa de energía para la actividad muscular.
La liberación de energía proviene de la hidrolisis del ATPen difosfato de adenosina (ADP), al separarse los enlaces fosfato mediante la introducción de una molécula de agua (hidrolisis), se obtiene gran cantidad de energía: Los fosfatos (ATP-PC), el sistema glucolítico y el sistema oxidativo
El ATP es una molécula que está formada por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos.
La adenosín-trifosfato es la moneda de cambio de las energías. Es la única molécula que al final se puede convertir directamente en energía. Las otras moléculas, glucosas, grasa,.. Por medio de varios procesos (glucólisis anaeróbica o ciclo de Krebs), terminan convirtiéndose en ATP.
Las reservas de ATP en la célula muscular son muy pequeños (5*10!-6 mol/gr) (Fisiología del ejercicio, José López Chicharro), lo que no da para más de uno o dos segundos.
Para poder continuar se activa inmediatamente el sistema de los fosfagenos y se consigue la energía a través de la fosfocreatina (PC). Por eso llamamos al sistema inicial de energía ATP-PC.
La adenosina trifostato (ATP) es una molécula que consta de una purina (adenina), un azúcar (ribosa), y tres grupos fosfato. Gran cantidad de energía para las funciones biológicas se almacena en los enlaces de alta energía que unen los grupos fosfato y se liberan cuando uno o dos de los fosfatos se separan de las moléculas de ATP.
El compuesto resultante de la pérdida de un fosfato se llama difosfato de adenosina, adenosín difosfato o ADP; si se pierden dos se llama monofosfato de adenosina, adenosín monofosfato o AMP, respectivamente. 
Los seres vivos pueden usar el ATP como una batería. El ATP, alimenta reacciones necesitadas de la pérdida de uno de sus grupos de fósforo para formar ADP, pero se puede utilizar la energía de los alimentos en las mitocondrias, para convertir el ADP de nuevo en ATP, y que la energía vuelva a estar disponible para realizar el trabajo necesario. En las plantas, la energía solar se puede utilizar para convertir el compuesto menos activo, de vuelta, a la forma altamente energética. En los animales, se utiliza la energía de las moléculas de almacenamiento de alta energía, para hacer lo necesario para mantenerse con vida, y luego "recargarlas" para ponerlas de nuevo en el estado de alta energía. La oxidación de la glucosa en las células eucariotas, opera en un ciclo llamado ciclo TCA o ciclo de Krebs, que proporciona energía para la conversión del ADP en ATP.
Las mitocondrias
 Son uno de los orgánulos más conspicuos del citoplasma y se encuentran en casi todas las células eucarióticas. Observadas al microscopio electrónico de transmisión (M.E.T.), presentan una estructura característica: la mitocondria tiene forma alargada u oval de 0,5 a 1 m de diámetro, y entre 1 m y varias micras de longitud y está envuelta por dos membranas distintas, una externa y otra interna (la que presentan crestas mitocondriales), muy replegada.
Las mitocondrias son los orgánulos celulares encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular, actúan por tanto, como centrales energéticas de la célula y sintetizan ATP a expensas de los carburantes metabólicos (glucosa, ácidos grasos y aminoácidos). Sin mitocondrias, los animales y hongos no serían capaces de utilizar oxígeno para extraer toda la energía de los alimentos y mantener con ella el crecimiento y la capacidad de reproducirse. Los organismos llamados anaerobios viven en medios sin oxígeno, y todos ellos carecen de mitocondrias
La ultraestructura mitocondrial está en relación con las funciones que desempeña: en la matriz se localizan los enzimas responsables de la oxidación de los ácidos grasos, los aminoácidos, el ácido pirúvico y el ciclo de krebs.
En la membrana interna están los sistemas dedicados al transporte de los electrones que se desprenden en las oxidaciones anteriores y un conjunto de proteínas (corpusculos respiratorios) encargadas de acoplar la energía liberada del transporte electrónico con la síntesis de ATP, estas proteínas le dan un aspecto granuloso a la cara interna de la membrana mitocondrial.
También se encuentran dispersas por la matriz una molécula de ADN circular y unos pequeños ribosomas y poliribosomas implicados en la síntesis de un pequeño número de proteínas mitocondriales
Una característica peculiar de las mitocondrias es que son de origen materno, ya que sólo el óvulo aporta las mitocondrias a la célula original, y cómo la mitocondria posee ADN , podemos decir que esta información va pasando a las generaciones exclusivamente a través de las mujeres.
La Respiración Aerobia y Anaerobia
¿Cómo se realiza la respiración Aerobia?
	La respiración aerobia es la que utiliza oxígeno para extraer energía de la glucosa. Se efectúa en el interior de las células, en los organelos llamadosmitocondrias.
El siguiente es el proceso:
Durante el proceso respiratorio, parte de la energía contenida en la glucosa pasa a las moléculas de ATP. Con esta energía se alimentan, excretan los desechos, se reproducen y realizan todas las funciones queles permiten vivir. Tanto el dióxido de carbono como el agua salen de la célula y del cuerpo del ser vivo (Si se trata de un organismo pluricelular) por que constituyen sustancias de desecho. La energía puede utilizarse de inmediato o almacenarse para su uso posterior.
Las bacterias no tienen mitocondrias, por lo cual la respiración se efectúa en sucitoplasma. En el resto de los organismos pertenecientes a los 4 reinos (Protistas, hongos, plantas y animales) si existen estos organelos.
Algunas células tienen más mitocondrias que otras; por ejemplo, las neuronas, las células musculares y los espermatozoides requieren de altas cantidades de energía y por ello tienen numerosas mitocondrias.
La respiración Anaerobia
Levadura de Pan
La respiración anaerobia consiste en que la célula obtiene energía de una sustancia sin utilizar oxígeno; al hacerlo, divide esa sustancia en otras; a la respiración anaerobia también se le llamafermentación.Probablemente la respiración anaerobia más conocida sea la de las lavaduras de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae), que son hongos unicelulares.
Para elaborar la cerveza se utilizan semillas de cebada, las cuales contienen glucosa, sustancia de la cual las levaduras obtienen la energía. Las semillas de cebada son combinan con agua y la flor de una planta llamada lúpulo, que le da sabor a esta bebida. Los ingredientes se mezclan y luego se filtran.
El líquido resultante, que contiene la glucosa, se deposita en barriles de madera, junto con las levaduras y se deja reposar varios meses o años; durante éste tiempo, las levaduras utilizan la glucosa para obtener energía y la transforman en un tipo de alcohol llamado etanol. Supongamos que una levadura toma una molécula de glucosa ¿Qué hace con ella? Observa el esquema:
Las levaduras utilizan la energía para realizar todas sus funciones; el etanol permanece en el líquido y el dióxido de carbono, por ser un gas, se incorpora al aire.
¿Respiración Anaerobia en las células musculares?
Las células musculares del ser humano también pueden obtener energía a través de una respiración anaerobia. Pero, ¿Cómo se lleva a cabo este proceso? Cuando una persona realiza un ejercicio extenuante el cuerpo necesita mayor cantidad de oxígeno para que las células lo utilicen en la descomposición de la glucosa para obtener energía.
Si la actividad que realiza la persona exige a las células musculares un esfuerzo extremo, éstas van a requerir de un gran suministro de energía. Durante el ejercicio intenso el aparato circulatorio no proporciona suficiente oxígeno para satisfacer las necesidades de las células musculares.
En el momento que no llega el suficiente oxígeno a los músculos, las células musculares realizan un proceso anaeróbico para obtener energía; durante el proceso se produce un ácido láctico, Al acumularse, el ácido láctico provoca dolor y fatiga muscular. Una vez que la persona deja de hacer ejercicio, la respiración celular vuelve a ser aerobia.
Características de los organismos anaerobios
Existen 2 tipos de organismos anaerobios; los estrictos y los facultativos. Los estrictos mueren en presencia del oxígeno, por lo cual existen en las profundidades de la corteza terrestre y del mar, donde no hay oxígeno, y en el intestino de muchos animales, incluido el nuestro (en esos sitios no abunda el oxígeno). Pero, algunas especies viven en zonas más superficiales, como el material en descomposición  del suelo en zonas de mucha vegetación, zonas pantanosas o el fondo de los lagos es el caso de las bacterias de los géneros Clostridium,Ruminococcus, Fusobacterium y Methanobacterium.
Las bacterias Clostridium que viven en el suelo descomponen los restos de plantas y animales muertos; generalmente habitan en la capa negra que se llama humus; como continuamente está en descomposición, no contiene aire con oxígeno.
Los organismos anaerobios facultativos también pueden realizar la respiración aerobia si se encuentran en presencia de oxígeno. La mayoría de las especies que fermentan la leche, el queso, el vino, la cerveza, el pulque, etc., son facultativas, por ejemplo, la leche que tomamos contiene las bacterias que se utilizan para elaborar quesos y yogurt; cuando la leche no se refrigera comienzan a descomponerla. Las levaduras del vino se encuentran sobre la cáscara de las uvas y luego en su jugo.
La fermentación cumple con una función ecológica al descomponer los cuerpos de los seres que mueren; innumerables especies de hongos y bacterias se encargan de esa tarea. Cuando en el lugar donde viven estos microorganismos las condiciones del medio se vuelven difíciles cubren su cuerpo con una capa protectora y se convierten