BIOENERGÉTICA. Fisicoquímica aplicada a la Bioquímica. Definición de metabolismo, catabolismo y anabolismo

BIOENERGÉTICA.

Fisicoquímica aplicada a la Bioquímica.

Definición de metabolismo, catabolismo y anabolismo.

Termodinámica.

Sistema termodinámico.

Entorno termodinámico.

Definición de energía.

Primera ley de la Termodinámica.

Energía interna.

Bomba calorimétrica.

Entalpía. Reacción endotérmica y exotérmica.

Segunda ley de la termodinámica.

Energía libre de Gibbs (ΔG).

Entropía.

Reacciones endergónicas y exegónicas.

Energía cinética, energía potencial, energía química.

Energía de activación.

Acoplamiento energético.

B I O E N E R G É T I C A.

En los capítulos anteriores estudiamos las moléculas (o bloques) que se utilizan en la construcción de la célula. Sin embargo, para su supervivencia la célula requiere un intercambio constante de energía y materia entre ella y su entorno .Las moléculas que sirven como combustible son consumidas constantemente por reacciones CATABÓLICAS (desintegración de compuestos), que dan como resultado la liberación de ENERGÍA.

Pero al mismo tiempo la célula tiene que regenerarse continuamente, por ello utilizan la energía proporcionada por el catabolismo para sintetizar las moléculas necesarias para mantener su integridad y contribuir a su crecimiento, a esto se llama ANABOLISMO (síntesis de compuestos)  .También usa la energía para el desempeño de TRABAJO CELULAR, como por ejemplo el movimiento celular, el transporte de sustancias a través de la membrana, la contracción muscular, la secreción glandular.

METABOLISMO se define como recambio incesante de materia y energía en los seres vivos.

TERMODINÁMICA.- es la parte de la Física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía.

Todo cambio físico o químico implica invariablemente, un cambio de energía.

ENERGÍA.- es la capacidad de producir un trabajo.

Puede haber muchas formas de energía: mecánica (cinética y potencial) eléctrica, magnética, química, calórica,  atómica, luminosa. etc. Todas ellas pueden transformarse unas en otras, aunque con ciertas limitaciones. Cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en CALOR, pero nunca el calor se puede transformar íntegramente en otro tipo de energía.

BIOENERGÉTICA.- es el estudio del procesamiento y consumo de energía en los sistemas biológicos.

Antes de definir las leyes de la termodinámica debemos de precisar ciertos términos utilizados frecuentemente en el lenguaje termodinámico.

SISTEMA TERMODINÁMICO.- conjunto de materia objeto de estudio. Puede ser una reacción química, una célula o un organismo completo.

ENTORNO TERMODINÁMICO.- toda la materia que existe mas allá de las fronteras del sistema, o todo aquello que no sea parte del sistema termodinámico.

UNIVERSO.- es el conjunto del sistema y sus alrededores.

SISTEMA CERRADO.- es aquel sistema separado de sus alrededores de tal forma que no puede existir transferencia de materia pero sí de energía.

SISTEMA ABIERTO.- aquel que  permite la transferencia de energía y de materia con sus alrededores.

Los seres vivos son sistemas ABIERTOS ya que permiten la transferencia de materia y energía con sus alrededores. Sin embargo, para poder utilizar los principios clásicos de la termodinámica tenemos que aproximar los seres vivos al concepto de sistema cerrado.

Un sistema puede sufrir cambios, pasando de un estado a otro. Cada estado del sistema puede conocerse mediante un conjunto de datos o magnitudes  de referencia  que pueden ser medibles física y matemáticamente y que se denominan FUNCIONES DE ESTADOS, de estas las más elementales son tres:

TEMPERATURA ( T )

PRESION ( P )

VOLUMEN ( V )

Lo importante de las funciones de estado es el cambio sufrido durante la transformación del sistema en un momento dado o sea la variación entre el estado inicial y final

PRIMER LEY DE LA  TERMODINÁMICA (conservación de la energía).

La energía del universo (el sistema mas su entorno), es CONSTANTE. No puede haber un cambio de energía en el universo. Esto equivale a afirmar que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma de un tipo a otro.

En un proceso bioquímico en el que se emplea energía del exterior para convertir dos sustratos (A + B) en dos productos (C + D)

Energía + A + B         C + D.[pic 1][pic 2]

La energía absorbida en la reacción directa es exactamente igual a la energía liberada en la reacción inversa.

El cambio de Energía interna (ΔE) del sistema (todas las formas de energía que posee el sistema) se expresan así:

ΔE = q – w.

ΔE = energía interna del sistema.

q   = calor que el sistema absorbe de su entorno.

W  = trabajo hecho por el sistema sobre su entorno.|

Es decir la energía interna del sistema es la cantidad de calor o las transacciones de trabajo que tienen lugar a través de los límites entre el sistema y su entorno .Por ejemplo  en la combustión de una mezcla C  y O2  la energía desprendida ocasiona una disminución de la energía interna.

ENERGÍA INTERNA.

La ENERGÍA DEL UNIVERSO es constante.

Cuando un sistema experimenta un cambio de energía (ΔE), el resto del universo o el entorno debe experimentar un cambio de energía que es igual en magnitud pero de signo opuesto. Por eso la energía ganada en algún lugar debe haber sido perdida en otro lugar.

Esto es tan cierto como que la energía perdida  por un sistema debe mostrarse como un aumento de energía en algún otro lugar del universo. Además, como la energía puede cambiar de una forma a otra, la energía perdida en una forma por un sistema puede ser ganada por otro sistema en forma diferente. Por ejemplo, la energía perdida en la combustión de petróleo en una planta generadora de energía puede transformarse en los hogares de una ciudad en energía eléctrica, calor, luz, etc. Por tanto:

ΔΕ = q + w

La ecuación expresa que el cambio en la energía interna ΔΕ de un sistema es la suma del intercambio de calor “q” entre el sistema y su entorno y el trabajo “W” realizado sobre o por el sistema. Usando la convención de signos “q” es positivo en los procesos endotérmicos y negativo para los exotérmicos. El trabajo “w” es positivo para el trabajo hecho por ENTORNO sobre el SISTEMA  y negativo para el trabajo hecho por el SISTEMA sobre el ENTORNO.

Si un sistema pierde calor hacia el entorno o realiza trabajo en sus alrededores es de esperarse que disminuya la energía interna dado que ambos procesos son depredadores de la energía. Al contrario, si se agrega calor al sistema o se realiza trabajo sobre él, entonces la energía interna del sistema aumentará

[pic 3]

TRABAJO (W).

TRABAJO = fuerza  x  distancia    W = F. d

FUERZA = P (presión) x A (área)

W = P (presión) x A (área) x d (distancia).

A (área) x d (distancia) = ΔV (cambio de volumen).

W = P x ΔV.

[pic 4]

Por lo tanto decimos que energía interna  es  ΔG = q – P. ΔV.

CALOR (q).

El calor “q” es la energía transferida de un objeto caliente a otro frío.

Ejemplo: si el trabajo realizado cuando comprimo  el gas (sistema) de un cilindro es de 462 j, y se transfiere calor del gas al entorno con un valor de 128 j, ¿cuál será el cambio de energía de este proceso?.

Respuesta: la compresión del gas es trabajo realizado sobre el sistema, de manera que el signo de W será positivo: W = + 462 j .Como se transfiere calor del sistema al entorno el valor de q = -128 J

ΔE = q + w = -128 + 462 = 334 j.

Como resultado de la compresión y transferencia de calor, la energía del gas (sistema) o ΔE aumenta 334 j.

Del calor suministrado, solo una parte se invierte en hacer trabajo, el resto contribuye a incrementar la energía interna, por lo cual la ecuación queda:

Q = ΔE + PΔV.

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