BIOENERGETICA.

DEPARTAMENTO DE FISIOLOGÍA CELULAR.

Dra. Carolina Rodríguez Navarro .

Bioenergética La

bioenergética describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos.

Utiliza las ideas básicas de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre. Los cambios en la energía libre (G) proveen una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no.

El funcionamiento del organismo humano depende de una variedad de procesos bioquímicos que en conjunto representan el metabolismo de las células corporales.

Las reacciones químicas involucradas en el metabolismo proveen (y utilizan) compuestos de energía indispensables para mantener trabajando todos nuestros órganos del cuerpo.

Termodinámica Es el estudio de los cambios

energéticos que acompañan a los acontecimientos del universo.

Trifosfato de adenosina (ATP). Es un nucleótido

constituido mediante tres grupos fosfatos. Posee un tercer grupo de fosfato en un enlace lineal (anhídrido), el cual proporciona dos enlaces ricos en energía, los dos últimos grupos de fosfatos representan enlaces de alta energía (almacenan un alto nivel de energía química potencial).

Trifosfato de adenosina (ATP). LA CANTIDAD DE ENERGÍA

QUE CORRESPONDE AL ENLACE DEL ÚLTIMO RADICAL FOSFATO CON EL RESTO DE LA MOLÉCULA ES DE UNAS 7,000 CALORÍAS POR MOL, y la que corresponde al penúltimo es más elevada, 8,300 calorías por mol.

Al desdoblarse una molécula de trifosfato de adenosina, se libera suficiente energía para los procesos bioquímicos del cuerpo.

Energética: es la parte de la física que estudia las diversas formas de energía.

Energía: es la capacidad de producir un trabajo.

Termodinámica: es la ciencia que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía. Toda transformación (cambio químico o físico) implica un cambio energético.

PRIMER PRINCIPIO. La energía se conserva. La energía de un sistema

aislado permanece constante, o sea, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de un tipo a otro, es decir, siempre que desaparece una clase de energía debe producirse una cantidad exactamente equivalente de otra clase.

Funciones termodinámicas de estado. Son magnitudes cuyas variaciones para un

sistema aislado dependen de los estados inicial y final, siendo independientes del camino seguido.

Primera Ley de la Termodinámica La energía no se puede crear ni

destruir: Fotosíntesis ∆E= Q-W

∆E= Energía internaQ= CalorW= Trabajo

Tipo de reacción En condiciones de volumen y

presión constantes: Exotérmicas Endotérmicas

Segunda ley de la termodinámica Los acontecimientos del universo

siempre proceden cuesta abajo, desde un estado de energía mas alto a uno mas bajo. Espontáneos Sin aporte de energía externa

En una transformación energética cada vez hay menor energía disponible para efectuar trabajo adicional.

SEGUNDO PRINCIPIO. La energía se degrada. No es posible transformar

el calor íntegramente en trabajo. Indica el sentido en que tienen lugar las transformaciones termodinámicas, es decir, ante dos fenómenos posibles, marca cuál de los dos podrá producirse.

El segundo principio permite la definición de nuevas funciones termodinámicas de estado, entre ellas la Entropía S. Mediante razonamientos termodinámicos podríamos demostrar que en todo proceso irreversible la entropía total crece.

La energía no disponible para efectuar un trabajo adicional luego de un acontecimiento tiene un factor de intensidad y un factor de capacidad.

El factor de intensidad es la temperatura (en grados) y el factor de capacidad es la entropía (S) (calorías por grado).

El término para energía no disponible es T∆S.

Factores de potencia y capacidad en las mediciones de energía

Tipo de energíaFactor de potencia

Factor de capacidad

MecánicaCaída de una roca Altura Masa

Compresión Presión VolumenEstiramiento Tensión Longitud

Eléctrica

Movimiento de ionesPotencial eléctrico (voltaje) Carga

OsmóticaMovimiento de agua hacia el interior de la

célulaConcentración de solutos Masa

Energía no disponible para ejercer trabajo Temperatura Entropía

ENTROPÍA El término entropía, que significa

literalmente “cambio en”, fue utilizado en 1851 por primera vez por Rudolf Clausius, uno de los formuladores de la segunda ley de la termodinámica. Una definición rigurosa de la entropía necesita consideraciones estadísticas y probabilísticas. Aun así, su naturaleza puede ser ilustrada cualitativamente con los siguientes ejemplos, cada uno de ellos demuestra un aspecto de la entropía.

La Entropía se define como la medida del desorden de un sistema. La entropía del universo va en aumento, ya que los procesos corrientes son todos irreversibles. El desorden va en aumento hasta que todas las demás formas de energía se transformen en calórica y se llegue a una uniformidad total, lo que significa el acercamiento progresivo al caos.

Entropía La energía total del universo debe

incrementarse; el desorden dentro de una parte del universo (sistema) puede disminuir a expensas de su entorno

Los organismos vivos tienen la capacidad de disminuir su propia entropía incrementando la entropía de su ambiente.

Al aumentar la temperatura, la entropía y el desorden crecen. Un sólido tiene la ordenación máxima (red cristalina) y por lo tanto, la entropía mínima. Si lo calentamos funde, desordenándose sus moléculas, es decir, la entropía en el líquido es mayor que en el sólido. Al calentar el líquido se vaporiza, desordenándose mucho más, y la entropía sigue creciendo.

Tercera ley de la termodinámica El cero absoluto (-273.15 °C), al entropía es cero, y la inmensa

mayoría de los seres vivos viven a temperaturas mucho mayores. Debido a lo anterior, los seres vivos son sistemas que poseen cierto grado de entropía. Esta cantidad no es tan baja como lo es en un sólido, ni intermedia como se esperaría para un líquido, estamos de hecho muy lejos de ser tan entrópicos como un gas; la entropía de nuestros cuerpos es la suma de la entropía de las moléculas que nos constituyen en los tres estados de la materia y sus diferentes grados de transformación en calor.

La entropía de los seres vivos es tal que depende incluso del estado metabólico particular, una mujer embarazada posee un grado de entropía diferente al que posee cuando no está embarazada.

Uno de los principios termodinámicos dice que la energía del universo crece, en el caso de los seres vivos, al morir su posterior descomposición (putrefacción), alterará el orden de los alrededores haciendo que la entropía del universo aumente.

TERCER PRINCIPIO. La entropía en el cero absoluto es nula

para un sólido cristalino. Significa que los sólidos cristalinos enfriados a 0° K tienen una ordenación perfecta, y los átomos no oscilan en sus posiciones de equilibrio. Este cero absoluto es prácticamente inalcanzable. Este principio también recibe el nombre de Principio de Nernst, que afirma que el cero absoluto no puede alcanzarse mediante un número finito de operaciones.

TERMOQUIMICA. Es la parte de la termodinámica

que estudia los cambios energéticos que acompañan a las reacciones químicas.

Una reacción se llama Exoergónica cuando al producirse libera energía.

Una reacción Endoergónica es cuando al producirse absorbe energía.

Si la energía es calórica, las reacciones se llaman Exotérmicas cuando desprenden calor y Endotérmicas cuando absorben calor.

Reacción exoergónica Si el G es un número negativo, hay una pérdida neta de energía y

la reacción sucede espontáneamente en la dirección que está escrita, de tal manera que A se transforma en B, la reacción se denomina exergónica. El signo negativo proviene de la menor energía de los productos:

A B; (Reactivo producto);

(inicial final)

Reacción endoergónica Si el G es un número positivo, hay una ganancia neta de

energía, y la reacción NO forma espontáneamente B en A, la reacción se denomina endergónica y necesita de un aporte de energía del medio para producir B a partir de A. El signo positivo proviene de la mayor energía de los productos:

B A

Energía libre La dirección y cantidad a la cual

procede una reacción está determinada por el grado energía libre que dos factores cambian durante la reacción. Estos factores son la entalpía (H, una medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción) y la entropía (S, una medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)

ENERGÍA LIBRE DE GIBBS. Es la porción del potencial total de

energía de un sistema natural disponible para la ejecución de un trabajo.

Es una función termodinámica del estado, cuya disminución en un sistema mide el trabajo útil desarrollado por él.

Cambio en la energía libre El cambio en la energía libre se

puede presentar en dos formas G y G°. El primero (sin el subíndice °) es la forma mas general porque predice el cambio en la energía libre y por tanto la dirección de la reacción a cualquier concentración de reactivos y productos.

Cambio en la energía libres estándar G°, es el cambio en energía libre

cuando la concentración de reactivos y productos es de 1 mol L-1, aunque esta representación es de un estado no fisiológico, es útil para comparar cambios de energía en diferentes reacciones, de hecho puede ser determinada a partir de la cuantificación de la constante de equilibrio (k).

El cambio en la energía libre G, puede se utilizado para predecir la dirección de una reacción a presión y temperatura constantes; existen tres casos para ello, considere la reacción:

A B a.- G negativo b.- G positivo c.- G es cero

Sistema equilibrado G igual a cero significa que los

reactivos y productos están en equilibrio. Note que cuando una reacción procede espontáneamente, i.e. la energía libre se está perdiendo, la reacción continúa hasta que G es cero y se establece el equilibrio, i.e. no hay cambio neto de energía.

∆G en dirección contraria La energía libre de la reacción hacia

delante (A → B) es igual en magnitud pero de signo contrario a la reacción reversa (B ← A).

Todas las reacciones en los organismos son reversibles.

La velocidad de una reacción es proporcional a la concentración de los reactantes.

Cambio en la energía libre estándar G° es el cambio en la energía

libre estándar porque es igual al cambio en la energía libre G, bajo condiciones estándar, es decir cuando los reactivos y productos están a una concentración de 1.0 mol L-1 (1.0 M).

Unidades de medida 1 cal= 4.186 J 1 J= 0.239 cal Caloría nutricional= 1 kcal ó C

Matemáticamente G = H – TS G= energía libre H= la entalpía T= la temperatura S= entropía del sistema. Para estudiar las variaciones de energía libre se

considera como cero el valor de la energía libre de los elementos simples a 25° C y en su estado natural. La función de energía libre resulta de gran utilidad para estudiar los equilibrios químicos que se producen entre sustancias capaces de realizar reacciones reversibles.

LEY DE HESS. El efecto calórico de un sistema

reaccionante depende sólo de los estados inicial y final, y es independiente de los intermedios.

Esta ley permite calcular la totalidad térmica de ciertas reacciones que, por no ser completa y estequiométricas (productos finales definidos y únicos) no puede ser hallada directamente.

Para que la ley de Hess sea rigurosamente cierta es necesario que los procesos tengan lugar a volumen y a presión constantes, en cuyo caso el calor desprendido corresponderá, respectivamente, a la disminución de la energía interna o de la entalpía, ambas funciones de estado y, por tanto, independientes del camino seguido.

La entalpía es una variable de estado, (que sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.

La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.

Entalpía. Es una función termodinámica de estado que se representa por la siguiente fórmula:

H = U + PV H= entalpía U= energía interna P= presión V= volumen.