Biología, la vida en la tierra con fisiología Tomo 01-páginas-27

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Flujo de energía en la vida 
de la célula
E s tu d io d e c a s o
Energía liberada
Im a g in a u n a e n o rm e m u lt itu d co n g e n te e n s illas 
d e ru e d a s , un a m u je r q u e lu c h a c o n tra e l c á n c e r , 
un d e fe n s o r d e la v id a s ilv e s tre v e s t id o co m o 
rin o ce ro n te , u n h o m b re d e 91 a rto s q u e a va n z a 
a p a so le n to , u n b o m b e ro q u e lle v a su un ifo rm e 
co m p le to p a ra h o n ra r a su s co m p a ñ e ro s ca íd o s , 
un h o m b re co n u n a so la p ie rn a y m u le ta s , y 
c ie g o s g u ia d o s p o r q u ie n e s v e n . T o d o s e llo s 
p a rt ic ip an e n u n a p ru e b a d e 4 2 k iló m e tro s , un a 
o d is e a p e rso n a l y u n te s t im o n io c o le c t iv o d e 
e sp e ra n z a , p e rs is te n c ia y te n a c id a d h u m a n a .
Lo s m á s d e 2 0 m il co r re d o re s d e la m a ra tó n 
d e N u e va Y o rk g a s ta n e n c o n ju n to m á s d e 
50 m illo n e s d e c a lo r ía s y e n to ta l re co rre n 
c e r c a d e 32 m il 2 0 0 k iló m e tro s . A l te rm in a r, 
re fre s c a n e l c u e rp o so b re c a le n ta d o co n ag u a 
y se re co n s t itu ye n c o n b e b id a s y b o cad illo s .
Po r ú lt im o , lo s co r re d o re s v u e lv e n a sus 
ho g a re s , re p a rt id o s p o r to d o e l m u n d o , e n 
co c h e s , au to b u s e s y a v io n e s q u e q u e m a n 
va s ta s c a n t id a d e s d e c o m b u s t ib le y g e n e ra n 
e n o rm e s c a n t id a d e s d e ca lo r.
¿Q u é e s e x a c ta m e n te la e n e rg ía ? ¿N u e s tro 
cu e rp o la u s a s ig u ie n d o los m ism o s p r in c ip io s 
que g o b ie rn a n e l c o n s u m o d e e n e rg ía d e 
los m o to re s d e a u to m ó v ile s y a v io n e s ? ¿ P o r 
qué n u e s tro cu e rp o g e n e ra c a lo r y p o r q ué 
d e s p e d im o s m á s c a lo r cu a n d o h a ce m o s e je rc ic io 
que c u a n d o v e m o s la te le v is ió n ?
A El cu e rp o d e e s to s corredores d e la m aratón d e N ueva York 
convierten la energ ía a lm acenada e n energ ía c in é tica y térm ica. 
El m artilleo d e sus pisadas sacude e l puente V e rrazan o N arrow s.
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9 8 m ; i i » 7 j . n u vtl\* rfc i* céiub
De un vistazo
E s t u d i o d e c a s o E n e r g ía l ib e r a d a
6 .1 ¿ Q u é e s la e n e r g ía ?
Las leyes de la term odinám ica describen las propiedades 
básicas de la energía
Estu d io d e caso continuación Energía liberada 
Los seres vivos aprovechan la energía so la r p a ra crear 
las condiciones de baja entrop ía para la sida
6 .2 ¿ C ó m o f lu y e la e n e r g ía e n la s r e a c c io n e s 
q u ím ic a s ?
Las reacciones exergónicas liberan energía
Estu d io d e caso continuación Energia liberada 
Las reacciones endergónicas requieren un aporte neto 
d e energía
6 .3 ¿ C ó m o s e t r a n s p o r t a l a e n e r g ía e n la s c é lu la s ? 
El A T P es el principal portado r d e energía en las células 
Los portadores de electrones tam bién transportan energía 
en as células
Las reacciones acop ladas enlazan las reacciones exergónicas 
con las endergónicas
\
6 . 4 ¿ C ó m o f a v o r e c e n la s e n z im a s l a s r e a c c io n e s 
b io q u ím ic a s ?
A tem peratura corporal, las reacciones espontáneas 
ocurren con dem asiada lentitud para sostener la vida 
Los catalizadores reducen la energía d e activación 
Las enzimas son catalizadores biológicos
6 .5 ¿ C ó m o r e g u la n la s c é lu la s s u s r e a c c io n e s 
m e t a b ó ü c a s ?
Las velocidades d e reacción aum entan con el increm ento 
de las concentraciones de sustratos o enzimas 
Estud io d a caso continuación Energía liberada 
Las células regulan la síntesis de enzimas 
Las células regulan la actividad enzimática
Guardian d a la salud La falta d e una enzima puede 
causar intolerancia a la lactosa o feniketonuna 
ú n e n o s , fárm acos y condiciones am bientales influyen 
en la actividad d e las enzimas
Estu d io d a caso o tro v is ta z o Energía liberada
*
6 . 1 ¿ Q U É E S L A E N E R G Í A ?
La e n e rg ía es la capacidad para realizar u n trabajo. U n tra b a jo 
es la transferencia de energ ía a u n o b je to para q ue se m ueva. N o 
s iem pre es fá c il ve r los objetos e n los q u e actúa la energía o s i­
qu iera m ed irlos. Ea o b v io q ue los m aratonistas d e nues lro estud io 
de caso hacen traba jo y p roducen m o v im ien to : su pecho palp íla , 
sus brazos osc ilan y sus p iernas dan zancadas para im pu lsar su 
cuerpo incansab lem ente duran te 42 k ilóm etros. La e n e rg ía q u í­
m ica . q u e es energ ía co n ten ida e n las m o lécu las y liberada por 
reacciones quím icas, im pu lsa este trab a jo m uscu la r. E l cuerpo de 
los corredores guarda m o lécu las q ue sum in istran energ ía q u ím ica 
(ca rboh id ratos co m o e l g lucógeno e n h ígado y m úsculos y los 
líp id o s co m o las grasas e n te jido ad iposo ). l.as célu las u tilizan 
m o lécu las especializadas, co m o el A T P , para to m ar, guardar bre­
vem ente y transferir energ ía d e un a reacción q u ím ica a la sigu ien­
te. Las contracciones m usculares dan p o r resu ltado interacciones 
entre proteínas especializadas, im pu lsadas por la energ ía q u ím i­
ca q ue se desprende d e las m o lécu las d e A T P . la s contracciones 
sincronizadas d e las células m usculares m ueven e l cuerpo d e los 
corredores, u n trabajo q ue se realiza con la energ ía qu ím ica .
H a y dos tipos fundam enta les d e energía, la potenc ia l y l a c i­
nética , ca d a un a con varias form as, l a e n e rg ía p o te n c ia l — la 
energia que está guardada— com prende la energ ía q u ím ica con­
servada e n los en laces q ue u n e n a los á to m o s d e las m oléculas, 
la energía e léctrica a lm acenada e n un a p ila y la energía de posi­
c ió n q ue tien e un p in g ü in o lis to para z am b u llirse (F IG U R A 6-1). 
1.a e n e rg ía c in é tic a es la energ ia d e l m o v im ien to . Abarca la luz 
(m o v im ie n to d e fo ton es), ca lo r (m o v im ie n to d e m o lécu las), 
e lectric idad (m o v im ie n to de partículas con carga e léc tr ica ) y todo 
m o v im ie n to d e objetos grandes: el c lavado de u n p in g ü in o ( i<éase 
la figura 6 -1 ), tus o jos al recorrer esta pág ina y los m aratonistas
* F IG U R A 6-1 D e e n e rg ía p o te n c ia l a c in é tic a Posado en lo 
alto del témpano, e l cuerpo d e l pingüino tiene energia potencial; 
cuando se lanza de clavado, ésta se convierte en cinética con el 
movimiento del ave. Por último, parte de su energía cinética se 
transfiere al agua y hace que ondule y salpique.
q ue luchan p o rc o m p le ta r la d u rís im a prueba. F.n las cond iciones 
correctas, la energ ía c inética se transfo rm a e n energ ía potencial 
y viceversa. Po r e jem p lo , u n p in g ü in o co n v ie n e la energ ía d e su 
m o v im ie n to e n energ ía potencial d e p os ic ió n cu an d o sa le del 
agua y trepa el tém pano. E n la fotos ín tes is [véase el cap ítu lo 7), 
se cap ta la energ ía c in ética d e la lu z y se transfo rm a e n energía 
potenc ia l e n los enlaces q u ím icos. Para e n ten d e r los flu jos y los 
cam b ios d e la energ ía necesitam os saber m ás sobre las prop ieda­
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Flujo d e energía en la wda d e la cékjla 9 9
des y operac ión d e la energ ía, q ue so n las q ue describen las leyes 
d e la te rm od inám ica .
Las leyes de la term odinám ica describen 
las propiedades básicas de la energía
l-as le ye s d e l a le rm o d in á m ic a describen la can tid ad ( to ta l) y 
la cu alidad (u t i l id a d ) de la energía. l a p r im e ra le y d e la te rm o ­
d in á m ic a estab lece q u e la energía n o se a e a n i s e destruye por 
m ed ios o rd in a rio s (reacciones nucleares, e n los q ue la m ateria se 
transform a e n energ ía, son la excepción ). S in em bargo, la ener­
g ía puede cam b ia r de form a; p o r e jem p lo , d e energ ía lum inosa a 
energ ía té rm ica y q u ím ica . Si se tien e un s is tem a c e r r a d o , e n el 
q ue n i la energ ía n i la m ateria pueden en tra r n i salir, y s i es p o ­
s ib le m e d ir la energ ía e n todas sus form as an tes y después d e un 
suceso cualqu iera, veríam os q ue la energ ía total, an tes y después, 
n o cam b ió . Po r tan to , la p rim era le y d e la te rm o d inám ica se lla ­
m a tam b ién le y d e la c o n s e rv a c ió n d e l a e n e rg ía ,
Para ilustrar la p rim era ley, p iensa e n un au tom óvil. Antes 
d e g irar la llave d e l encend ido , la energ ía del veh ícu lo está e n for­
m a potenc ia l, guardada e n los enlaces qu ím ico s d e l com bustib le. 
A l transitar, ap rox im adam ente 2 5 % d e esta energia potenc ia l se 
transform a e n la energ ia c in ética del m o v im ien to . A ho ra b ien, 
según la p rim era le y d e la te rm o d inám ica , la energ ía n o se crea n i 
se destruye. ¿D ó n d e está la energ ía 'p e rd id a '? La com b ustión de 
la g aso lina n o só lo im p u lsa e l coche, s in o q ue tam b ién ca lien ta el 
m otor, e l escape y el aire a lrededo r d e l au to m ó v il. Ia fricción de 
las llantas sobre el p av im en to ca lienta la calle. Así, co m o lo dicta la 
p rim era ley, n o se pierde energ ía; la cantidad to ta l d e energ ía es 
la m ism a, aunq ue ca m b ió d e form a.
La se g u n d a le y d e la te rm o d in á m ic a estab lece q u e cuan­
d o la energ ía se co n v ie n e d e un a fo rm a e n o tra, la can tid ad de 
energ ía ú til decrece. D ich o de o tra m anera , la segunda le y esta­
blece q u e todas las reacciones o cam b io s físicos h acen q ue la 
energía se convie rta e n form as cada vez m enos útiles. l*or e jem ­
p lo , 7 5 % d e la energ ia a lm acenada e n la g aso lina q ue n o im pu lsa 
e l coche se co n v ir tió e n ca lo r (F IG U R A 6-2). F.I ca lo res u n a form a 
m enos ap rovechab le d e la energ ía porque ún icam en te aum enta 
e l m o v im ie n to a leato rio d e las m o lécu las del au to m ó v il, e l a ire 
y la calle.
I> la m ism a m anera, la energía té rm ica q u e liberan e n el 
a ire los corredores cu an d o los a lim en to s 's e q u e m a n ' e n su orga­
n ism o, n o puede aprovecharse para q ue corran m ás ráp ido . Así, 
la segunda le y d e la te rm o d inám ica estab lece q u e n in gú n proceso 
d e conversión de energ ía, in c lu yen do los que ocurren e n e l cuer­
po, es 1 0 0 % e fic ien te al usar energ ía para u n f in determ inado .
E s tu d io de caso c o n t i n u a c o n
1 0 0 un idades do o ro rg ia 
química (concentrada)
Energía liberada
Com o el m otor de un autom óvil, el cuerpo del m aratonista sólo 
e s 2 5 * eficiente a l convertir la energ ia quím ica en movim iento; 
casi la totalidad del restante 75% se pierde como ca lo r. Un 
m aratonista bien entrenado q ue term ina la carrera en dos horas 
genera suficiente ca lor para e levar su temperatura corporal 
aproximadamente un grado centígrado cada tres m inutos. Si no 
pudiera disipar el ca lor, se derrumbaría por sobrecalentamiento 
antes de 10 m inutos. Por suerte, gracias a l enorm e ca lo r d e la 
xaporlzadón del agua (vé am e la s pág inas 32-33), casi todo el 
exceso d e ca lor corporal (hasta 98% e n d im a seco y cá lid o ) se 
disipa en la evaporación refrescante del sudor.
25 un idades do onorgia 
c in ética (m ovim iento)
a F IG U R A 6-2 L a s co n ve rs io n e s d e e n e rg ía d a n p o r 
re s u lta d o u n a p é rd id a d e e n e rg ía ú til
l a segunda le y d e la te rm o d in ám ica revela tam b ién a lg o de 
la o rg an iz ad ó n d e la m ateria, l a energ ía ú til s e guarda e n m ateria 
m u y o rdenada y cu an d o se usa e n u n sistem a cen ad o , h a y un 
au m en to general e n e l desorden y la a leato ried ad d e la materia. 
T o do s lo experim entam os e n casa. S in las activ idades d e lim p ieza 
y organización, q u e requ ieren energ ía, los p latos sucios se acum u­
lan ; libros, periód icos y ropa están regados p o r el suelo y la cam a 
se queda s in hacer.
En e l caso de la energ ía q u ím ica , los o ch o áto m o s d e car­
b o n o de un a ú n ica m o lécu la d e g aso lina t ien e n un a d isposic ión 
m u ch o m ás o rd en ad a q ue los á to m o s d e ca rbono d e las ocho 
m o lécu las separadas y d e m o v im ie n to a lea to rio del d ió x id o de 
c a rb o n o y las n u eve m o lécu las d e agua q ue se fo rm an cu an d o se 
co n sum e la gasolina. Pasa lo m ism o co n las m o lécu las d e g lucó ­
g eno a lm acenadas e n los m úscu los d e los corredores, q ue d e ser 
cadenas m u y organizadas d e m o lécu las de glucosa, se convierten 
e n m o lécu las m ás sim ples de agua y d ió x id o d e ca rb o n o cuando 
las usan los m úsculos. Esta tend enc ia a la pérd ida d e co m p le ji­
dad, o rd e n y energ ía ú til ( y e l a u m e n to consigu ien te d e a leato ­
riedad , desorden y energ ía m enos ú t i l ) se llam a e n t ro p ía . Para 
contrarrestar la entrop ía , la energía debe ingresar e n el sistem a 
desde un a fu en te extem a.
C u an d o el e m in en te c ien tífico d e Yale , E ve lyn I lu teh in son 
d ijo q ue 'e l desorden se extiende p o r e l un iverso y la v id a lucha 
e n su co n tra ', h iz o un a elocuen te referencia a la en tro p ía y la 
segunda le y d e la te rm o d inám ica . P o r fo rtuna, la T ie rra n o es un 
s istem a cerrado, pues la v id a q ue conocem os depende d e una e n ­
trada constante de energ ía q ue es tá a 150 m illo n e s de k ilóm etros 
d e d istancia, e l Sol.
Lo s seres vivos aprovechan la energía solar 
p ara crear las condiciones de baja 
entrop ía para la vida
A l pensar e n la segunda le y d e la te rm o d inám ica , u n o se pregunta 
có m o es q ue existe la v ida . S i las reacciones q u ím icas , in c lu so las 
del in te rio r d e las célu las v ivas aum entan la can tid ad d e energ ía 
in u tiliz a b le y s i la m ateria tiende a la a leato riedad y a l desorden, 
¿có m o pueden los organism os acum u la r la energ ía ú til y las m o ­
léculas o rdenadas q ue son característica d e la v ida? La respuesta 
es q u e las reacciones nucleares del S o l generan energ ía c in ética en 
fo rm a d e luz, l o q ue p roduce enorm es aum entos d e la entrop ía
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