Bioenergetica

BIOENERGETICA.

Termodinámica.- Es el estudio de los cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas. La termodinámica proporciona los principios que explican la causa de que algunas reacciones puedan producirse en tanto que otras no. Con ayuda de la termodinámica se puede predecir la factibilidad de una reacción y la cantidad de calor que liberara o que debe administrarse para que pueda realizarse.

Bioenergética.- Describe la transferencia y la utilización de energía en los sistemas biológicos (los cambios asociados con el paso de un sistema desde un estado inicial a otro final). En ella se utilizan unas cuantas ideas básicas del campo de la termodinámica, en particular el concepto de la energía libre. Los cambios en la energía libre (ΔG) ofrecen una medición de la factibilidad energética de una reacción química y, por este motivo, permiten predecir si puede ocurrir una reacción o un proceso determinado. La bioenergética tiene que ver solamente con los estados energéticos inicial y final de una reacción, y no con el mecanismo o el tiempo necesarios para que ocurra el cambio químico. En síntesis, la bioenergética predice si es posible un proceso.

Sistema.- Un sistema es una porción de materia en la cual deseamos estudiar los cambios de energía experimentados durante algún proceso químico o físico, al resto de la materia del universo se le llama medio o entorno.

Existen varios tipos de sistemas:

a) Sistema aislado. Aquel que no intercambia materia y energía con su medio.

b) Sistema cerrado. Aquel que intercambia energía pero no materia con su entorno.

c) Sistema abierto. Aquel que intercambia materia y energía con su entorno.

Los sistemas biológicos se presentan como sistemas abiertos isotérmicos e isobáricos (misma presión).

Un sistema tiene un contenido energético que comprende un sin número de formas de energía. La energía presente en el universo puede adoptar múltiples formas. Tenemos, entonces, que la energía puede ser de tipo química, mecánica, térmica (o calorífica), luminosa (radiante, solar o electromagnética), eléctrica y nuclear. Estos estados de la energía pueden intercambiarse entre si. La suma de todas estos tipos de energía se conoce como energía interna (E) del sistema.

La energía puede encontrarse en otras formas o estados, a saber, la energía potencial y cinética. La energía potencial es la capacidad de realizar trabajo en virtud de la posición o el estado de una partícula. Por ejemplo, una piedra en la cima de una montaña tiene energía potencial, a medida que rueda por su ladera, la energía potencial se transforma en cinética. La energía derivada en última instancia del sol, se almacena en las moléculas de los alimentos como energía química. Esta última es un tipo de energía potencial. Luego dentro del organismo, se producen reacciones químicas que transforman la energía potencial en calor, movimiento o alguna otra forma de energía cinética. La activación de dicha energía química potencial se le llama energía cinética o energía libre o de Gibs.

Todas las formas de energía son, por lo menos en parte, interconvertibles. Los sistemas vivientes constantemente transforman energía potencial en cinética o viceversa. La energía química que los organismos utilizan en las reacciones metabólicas, proviene de los enlaces químicos de los glúcidos, lípidos y proteínas. Esta energía potencial que guardan los enlaces químicos, puede ser aprovechada parcialmente por el organismo cuando se rompen esos enlaces químicos. La energía que no puede ser atrapada por el organismo, se disipa como calor.

El contenido total de energía libre de un sistema antes de que ocurra un proceso se designa como estado inicial, y el contenido de energía del sistema después de ocurrido el proceso que se estudia se conoce como estado final. Medir los cambios de energía que ocurren durante un determinado proceso puede resultar difícil, pero es fácil y preciso determinar el contenido energético del sistema en el estado inicial y en el estado final y calcular entonces el cambio de energía libre G.

El constante flujo de energía que ocurre dentro de las células de los seres vivos se conoce como transformaciones biológicas de la energía. Los cambios entre las diferentes formas de energía se fundamentan en los principios (o leyes) de termodinámica. La primera ley de termodinámica (ley de la conservación de energía) postula que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra. Esto quiere decir que la energía no se pierde, pero si se puede transformar de una estado a otro. La segunda ley de termodinámica nos indica que como resultado de las transformaciones/conversiones de energía, el universo y sus componentes (los sistemas vivientes) se encuentran en un alto estado de alteración/disturbio (llamado entropía). Esto implica que los cambios energéticos en los sistemas vivientes tienden a ir desde un estado alto de energía a un estado bajo de energía.

La dirección y la extensión a las que procede una reacción química dependen del grado al que cambian dos factores durante esa reacción. Estas son entalpía (ΔH, que es una medición del cambio en el contenido de calor de los reactivos y los productos) y entropía (ΔS, que es una medición del cambio de

la reacción al azar o una medida del desorden, cuanto más caótico o desordenado es un sistema más grande es su entropía). Ninguna de estas cantidades termodinámicas basta por sí misma para aclarar si una reacción química procederá de manera espontánea en la dirección en que se escribe. Sin embargo, cuando se combinan de manera matemática entalpía y entropía se pueden emplear para definir la energía libre (ΔG), que predice la dirección en la que procederá espontáneamente una reacción.

G = H – T S

ΔG = Cambio en la energía libre.

• Energía disponible para efectuar trabajo.

• Se aproxima a cero conforme la reacción procede hasta el equilibrio.

• Predice si la reacción es favorable.

ΔH = Cambio en la entalpía.

• Calor liberado o absorbido durante la reacción.

• No predice si la reacción es favorable.

ΔS = Cambio en la entropía.

*Mide la reacción al azar.

* No predice si la reacción es favorable.

Que una reacción proceda o no en forma espontánea depende del cambio de energía libre G que ocurra durante la reacción. Todas las reacciones proceden en la dirección de menor energía libre; esto es, el estado final de un sistema tiene menos energía libre que el estado inicial. Por tanto, si conocemos la diferencia en la energía libre entre los reactantes y los productos de una reacción, podemos predecir si ésta ocurrirá o no en forma espontanea.

Si G es negativo, la reacción se desarrolla en forma espontanea.

Si G = 0, la reacción está en equilibrio.

Si G es positivo, la reacción no procederá de manera espontanea.

El cambio de energía libre de una reacción biológica se expresa como el cambio de energía libre estándar (Go/).

Go/ se define como el valor de G (en kilocalorías por mol) para una reacción realizada a pH 7, 25 ºC y presión de una atmósfera y, todos los reactantes y productos están en concentraciones de 1 mol/l (condiciones estándar para las reacciones biológicas).

CICLO DE ENERGIA DE LOS SERES VIVOS.

La realización de todas y cada una de las funciones celulares requiere energía. Los organismos autótrofos utilizan la energía de la luz solar, y a partir de CO2 y H2O sintetizan moléculas del tipo de los carbohidratos y producen oxígeno. Los organismos heterótrofos mediante la respiración, que requiere oxígeno, utilizan la energía química acumulada en los alimentos durante el metabolismo de los mismos, liberando CO2 y H2O al medio ambiente con lo cual los organismos autótrofos obtienen alimento químico y se repite el ciclo.

Los sistemas biológicos son en esencia isotérmicos y en ellos se utiliza la energía química para activar los procesos vitales. La forma en que un animal obtiene el combustible adecuado y se proporciona esta energía a partir de alimento es básica para comprender la nutrición y el metabolismo normales.

REACCIONES ENDERGONICAS Y EXERGONICAS.

Las reacciones metabólicas involucradas en los procesos de síntesis se denominan anabolicas, son reacciones que requieren energía por lo que son endergónicas. Desde el punto de vista termodinámico proceden con cambios de energía libre positivos (G +). Para que estas reacciones ocurran se deben acoplar a otro tipo de reacciones que liberan energía exergónicas.

Las reacciones metabólicas que producen energía se denominan catabólicas. En estas reacciones se convierten las moléculas complejas, como carbohidratos, lípidos y proteínas, en moléculas pequeñas: CO2 y H2O. Al ocurrir este tipo de reacciones se libera la energía almacenada y se consume oxígeno. Estas reacciones transcurren con cambios de energía libre negativos (G -), son espontáneas e irreversibles y por lo tanto exergónicas.

Un proceso endergónico no puede ocurrir en forma independiente, debe formar parte de un sistema acoplado exergónico-endergónico. El conjunto de procesos exergónicos (catabolismo) y endergónicos (anabolismo), constituye el metabolismo.

ATP COMO TRANSPORTADOR DE ENERGIA.

Los procesos vitales, por ejemplo reacciones de síntesis, contracción muscular, conducción del impulso nervioso y transporte activo, obtienen energía a través de enlaces químicos, o acoplamientos, con las reacciones oxidativas. Para conservar los procesos vitales, todos los organismos deben obtener suministros de energía libre a partir de su ambiente. La fase catabólica del metabolismo posee la importante tarea de hidrolizar (degradar, desdoblar, romper) moléculas alimentarias grandes a moléculas mas pequeñas, con la consecuente liberación de energía útil dirigida para desencadenar reacciones químicas necesarias para el mantenimiento orgánico. Por consiguiente, el catabolismo representa un proceso de descomposición, o fragmentación de una molécula en partes cada vez más pequeñas, donde se acompaña la liberación de energía en la forma de calor y energía química.

La energía derivada de reacciones catabólicas primero deben de transferirse a enlaces de alta energía (~) de las moléculas de trifosfato de adenosina (ATP). En todos los organismos, el ATP tiene una participación crucial en la transferencia de energía libre de los procesos exergónicos hacia los endergónicos.

ATP

CO2

Oxidación de moléculas Biosíntesis Transporte activo Contracción muscular

combustibles que producen (trabajo químico) (trabajo osmótico) (trabajo mecánico)

energía

O2 ADP + Pi

El ATP esta constituido por una molécula de adenosina (adenina + ribosa) a la que se unen tres grupos fosfato. Si se quita uno de los fosfatos, se producirá difosfato de adenosina (ADP); si se retiran dos fosfatos, el resultado será monofosfato de adenosina (AMP). La energía libre estándar de la hidrólisis del ATP, ΔGo, es de aproximadamente -7 300 cal/mol por cada uno de los dos grupos fosfato terminales. A causa de este gran ΔGo negativo, el ATP se denomina compuesto de fosfato de alta energía. El cambio grande de energía libre por la hidrólisis del ATP se debe a la disminución de la carga de rechazo de los átomos de oxigeno con carga negativa adyacentes.

El ATP tiene la capacidad de actuar como donador de fosfato de alta energía, de igual manera, el ADP puede aceptar fosfato de alta energía para formar ATP. Los procesos generadores de fosfato de alta energía se conectan con los procesos utilizadores de fosfato de alta energía por un ciclo ATP/ADP. Por tanto, el ATP se consume y regenera continuamente. Esto tiene lugar a una velocidad muy alta debido a que la reserva total de ATP/ADP es en extremo pequeña y suficiente para conservar un tejido activo sólo durante unos pocos segundos.

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