INTRODUCCION A LA BIOENENRGIA
Nociones de termodinámica
En el campo de los seres vivos examinamos frecuentemente metabolismos intermediarios que constan de catabolismos (degradación) y anabolismo (biosíntesis) a través de reacciones tan comunes para la célula.
La supervivencia de la célula requiere de constante intercambio de materia y energía entre la célula y el medio. Las células vivas consumen la energía en el catabolismo como un combustible para la secuencia anabólica que sintetiza moléculas para mantener la integridad de la célula y contribuir a su cocimiento, y también para la realización de trabajo celular como el transporte de sustancias y el movimiento de la célula.
Las vías anabólicas y catabólicas son actividades simultáneas en las células que originan moléculas precursoras o intermediarias de una o varias rutas metabólicas. Por esta razón es importante aplicar los principios básicos de la termodinámica.
Principios termodinámicos sustentan el estudio del metabolismo
La termodinámica estudia la transferencia de los cambios de energía y es una herramienta de trabajo para analizar los procesos en donde existe una cambio de materia y energía. Y estos implican a los sistemas biológicos.
A) La entalpía y la primera ley de la termodinámica.
Una célula o reacción química se puede considerar como un sistema termodinámico, todo lo de mas que no este dentro del sistema se considera su entorno. Una vez que tenemos definimos el sistema termodinámico puede definirse por medio de un conjunto de magnitudes que matemáticamente y físicamente que caracterizan al sistema (llamada función de estado). Cuando consideramos las transformaciones termodinámicas de un sistema, es muy importante comprobar que las funciones de estado tienen una trayectoria independiente.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía de un sistema es constante. Y dentro del sistema son posibles cambios netos de energía.
Considérese un proceso en el que en que dos sustratos A+B son convertidos en C+D
Energía + A+B ↔ C+D
El cambio en energía interna del sistema ∆E antes y después del proceso se puede expresar como: ∆E = q – w
Donde q= es el calos que sistema absorbe y w= el trabajo hecho por el sistema en su entorno, los términos q y w no son funciones de estado ya que son dependientes de lo que ocurre en el sistema en su estado final e inicial. Queda calor que el cambio en la energía del sistema es solo la contabilidad del calor o las transiciones de trabajo en los límites del sistema.
El trabajo se expresa matemáticamente como w= P ∆V + w'
En donde P= precion, ∆V = cambio en el volumen que tienen tugar durante el proceso y w' = representa al trabajo diferenta al de presión-volumen en la reacciones bioquímicas w' = 0
Haciendo un reacomodo tenemos que q p = ∆E + P ∆V
Donde q p 0 es el calor absorbido a una presión constante. Como cualquier combinación de de las funciones de estado debe ser también una función de estado q p es por consiguiente una función de estado llamada cambios de entalpías (∆H).
∆ H = E∆+P∆V
Esta ecuación relaciona el calor absorbido durante una reacción a una presión constante con el cambio de energía del sistema. En los sistemas biológicos el volumen permanece constante por que ∆H y E∆ son iguales.
Un proceso es exotérmico cuando el sistema desprende calor al medio por lo que H∆<0,> 0
B) La entropía segunda ley de la termodinámica
La segunda ley establece que todo proceso espontáneo, la entropia (S) del universo se incremente, la entropía se considera como un medida del desorden, y la entropía de una célula puede disminuir, con tal de que la disminución en el orden del sistema se sobre compense por un incremento en la entropía del entorno. Los sistemas vivos existen en un estado estable que están lejos del equilibrio.
LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO DE UNA REACCION ESTA RELACIONADA CON EL CAMBIO DE ENENRGIA LIBRE.
Existe una interacción importante entre el cambio real en la energía libre y el cambio de energía libre bajo condiciones no estándar (ΔG), el cambio de energía libre (deltaG°׳) la constante de equilibrio (Keq). La energía de libre de una solución de una sustancias A esta relacionada con su energía libre estándar por
GA= G°׳A + RT log (A) ecuación 1
Donde R= constante universal de los gases (1.98claK-1mol-1) y T= temperatura en grados kelvin. La energía libre se expresa en unidades de Kcal mol-1.
Para la reacción A + B ↔ C + D
El cambio de energía libre es la suma de las energías libres de los productos menos la energía de los reactantes.
ΔG reacciones = (GC + GD) - (GA + GB)
Al sustituir la relación de la energía libre real con la energía en la ecuación 1 podemos obtener
ΔG reacción = (G°׳C + G°׳D - G°׳A - G°׳B) RT log ([C][D] / [A][B])
O bien
ΔG reaccion = G°׳ reaccio + RT log ([C][D] / [A][B])
Si la reacción ha alcanzado el equilibrio entonces la reacción de las concentraciones en el último término de la ecuación es por definición la constante de equilibrio Keq. Cuando la concentración de los reactivos y los reactantes están en equilibrio las velocidades de las reacciones en ambos sentidos son iguales y el ΔG reacción es igual a 0, así nos queda solo
G°׳ reaccio = - RT log C][D]
Nociones de termodinámica
En el campo de los seres vivos examinamos frecuentemente metabolismos intermediarios que constan de catabolismos (degradación) y anabolismo (biosíntesis) a través de reacciones tan comunes para la célula.
La supervivencia de la célula requiere de constante intercambio de materia y energía entre la célula y el medio. Las células vivas consumen la energía en el catabolismo como un combustible para la secuencia anabólica que sintetiza moléculas para mantener la integridad de la célula y contribuir a su cocimiento, y también para la realización de trabajo celular como el transporte de sustancias y el movimiento de la célula.
Las vías anabólicas y catabólicas son actividades simultáneas en las células que originan moléculas precursoras o intermediarias de una o varias rutas metabólicas. Por esta razón es importante aplicar los principios básicos de la termodinámica.
Principios termodinámicos sustentan el estudio del metabolismo
La termodinámica estudia la transferencia de los cambios de energía y es una herramienta de trabajo para analizar los procesos en donde existe una cambio de materia y energía. Y estos implican a los sistemas biológicos.
A) La entalpía y la primera ley de la termodinámica.
Una célula o reacción química se puede considerar como un sistema termodinámico, todo lo de mas que no este dentro del sistema se considera su entorno. Una vez que tenemos definimos el sistema termodinámico puede definirse por medio de un conjunto de magnitudes que matemáticamente y físicamente que caracterizan al sistema (llamada función de estado). Cuando consideramos las transformaciones termodinámicas de un sistema, es muy importante comprobar que las funciones de estado tienen una trayectoria independiente.
La primera ley de la termodinámica establece que la energía de un sistema es constante. Y dentro del sistema son posibles cambios netos de energía.
Considérese un proceso en el que en que dos sustratos A+B son convertidos en C+D
Energía + A+B ↔ C+D
El cambio en energía interna del sistema ∆E antes y después del proceso se puede expresar como: ∆E = q – w
Donde q= es el calos que sistema absorbe y w= el trabajo hecho por el sistema en su entorno, los términos q y w no son funciones de estado ya que son dependientes de lo que ocurre en el sistema en su estado final e inicial. Queda calor que el cambio en la energía del sistema es solo la contabilidad del calor o las transiciones de trabajo en los límites del sistema.
El trabajo se expresa matemáticamente como w= P ∆V + w'
En donde P= precion, ∆V = cambio en el volumen que tienen tugar durante el proceso y w' = representa al trabajo diferenta al de presión-volumen en la reacciones bioquímicas w' = 0
Haciendo un reacomodo tenemos que q p = ∆E + P ∆V
Donde q p 0 es el calor absorbido a una presión constante. Como cualquier combinación de de las funciones de estado debe ser también una función de estado q p es por consiguiente una función de estado llamada cambios de entalpías (∆H).
∆ H = E∆+P∆V
Esta ecuación relaciona el calor absorbido durante una reacción a una presión constante con el cambio de energía del sistema. En los sistemas biológicos el volumen permanece constante por que ∆H y E∆ son iguales.
Un proceso es exotérmico cuando el sistema desprende calor al medio por lo que H∆<0,> 0
B) La entropía segunda ley de la termodinámica
La segunda ley establece que todo proceso espontáneo, la entropia (S) del universo se incremente, la entropía se considera como un medida del desorden, y la entropía de una célula puede disminuir, con tal de que la disminución en el orden del sistema se sobre compense por un incremento en la entropía del entorno. Los sistemas vivos existen en un estado estable que están lejos del equilibrio.
LA CONSTANTE DE EQUILIBRIO DE UNA REACCION ESTA RELACIONADA CON EL CAMBIO DE ENENRGIA LIBRE.
Existe una interacción importante entre el cambio real en la energía libre y el cambio de energía libre bajo condiciones no estándar (ΔG), el cambio de energía libre (deltaG°׳) la constante de equilibrio (Keq). La energía de libre de una solución de una sustancias A esta relacionada con su energía libre estándar por
GA= G°׳A + RT log (A) ecuación 1
Donde R= constante universal de los gases (1.98claK-1mol-1) y T= temperatura en grados kelvin. La energía libre se expresa en unidades de Kcal mol-1.
Para la reacción A + B ↔ C + D
El cambio de energía libre es la suma de las energías libres de los productos menos la energía de los reactantes.
ΔG reacciones = (GC + GD) - (GA + GB)
Al sustituir la relación de la energía libre real con la energía en la ecuación 1 podemos obtener
ΔG reacción = (G°׳C + G°׳D - G°׳A - G°׳B) RT log ([C][D] / [A][B])
O bien
ΔG reaccion = G°׳ reaccio + RT log ([C][D] / [A][B])
Si la reacción ha alcanzado el equilibrio entonces la reacción de las concentraciones en el último término de la ecuación es por definición la constante de equilibrio Keq. Cuando la concentración de los reactivos y los reactantes están en equilibrio las velocidades de las reacciones en ambos sentidos son iguales y el ΔG reacción es igual a 0, así nos queda solo
G°׳ reaccio = - RT log C][D]
[A][B]
Si conocemos el valor de ΔG°׳ para una reacción la ecuación nos permite calcular la Keq y viceversa.
QUE ES LA BIOENENRGIA
El ATP es el principal acarreados de energía. La energía producida por los procesos esta acoplada a un segundo proceso que de otra manera no se podría efectuar. El flujo de energía en el metabolismo depende de muchas reacciones acopladas a ATP. El ATP es un nucleótido trifosfato, contienen un estrés fosfato por los enlaces del α- fosfato al oxigeno 5׳ de la ribosa y dos fosfoanhídridos formados por los enlaces α, β, y β, γ entre los grupos fosfatos. La energía libre asociada con el ATP se transfiere cuando los fosfoanhídridos se rompen para producir ADP y Pi p adenosin monofosfato AMP y pirofosfato PPi. Aunque los grupos fosforillos son transferidos a otros receptores las reacciones de hidrólisis proporcionan estimaciones útiles en los cambios de energía. Las reacciones de ATO están lejos del equilibrio y el cambio de energía libre asociado con la hidrólisis de ATP en la células vivas es de alrededor de 14Kcal/mol, también se consideran metabolitos ricos en energía uridina trifosfato UTF, guanocina trifosfato GTF, citydina trifosfato CTF.
La hidrólisis del ATP es en extremo exergónica, debido a la disminucion que resulta en la repulsión electroestática entre los átomos de oxigeno cargados negativamente del grupo trifosfanhidrido del ATP. Los reactantes y los productos de la hidrólisis del ATP tienen grupos funcionales ionizantes con un valor e pKa entre 6 y 7. Los cambios en el pH alteran los estados iónicos de todos los reactantes y afectan en forma notable la libre de la hidrólisis.
La repulsión electroestática también es afectada por la concentración celular de los iones Mg, los iones MG neutralizan las cargas negativas de los átomos de oxigeno del ATP disminuyendo la tencito electroestática.
Los productos de la hidrolisis del ATP están mas estabilizados por resonancia que el mismo ATP, los grupos fosforilos compiten del ATP compiten por los electrones sin pareja de los átomos de los átomos del oxigeno, los productos de la hidrólisis toman una estructura eléctrica mas estable. La estabilidad por resonancia de los productos proporciona una gran fuerza directriz de la hidrólisis.
LA TRANSDUCCION DE ENENRGIA
Si conocemos el valor de ΔG°׳ para una reacción la ecuación nos permite calcular la Keq y viceversa.
QUE ES LA BIOENENRGIA
El ATP es el principal acarreados de energía. La energía producida por los procesos esta acoplada a un segundo proceso que de otra manera no se podría efectuar. El flujo de energía en el metabolismo depende de muchas reacciones acopladas a ATP. El ATP es un nucleótido trifosfato, contienen un estrés fosfato por los enlaces del α- fosfato al oxigeno 5׳ de la ribosa y dos fosfoanhídridos formados por los enlaces α, β, y β, γ entre los grupos fosfatos. La energía libre asociada con el ATP se transfiere cuando los fosfoanhídridos se rompen para producir ADP y Pi p adenosin monofosfato AMP y pirofosfato PPi. Aunque los grupos fosforillos son transferidos a otros receptores las reacciones de hidrólisis proporcionan estimaciones útiles en los cambios de energía. Las reacciones de ATO están lejos del equilibrio y el cambio de energía libre asociado con la hidrólisis de ATP en la células vivas es de alrededor de 14Kcal/mol, también se consideran metabolitos ricos en energía uridina trifosfato UTF, guanocina trifosfato GTF, citydina trifosfato CTF.
La hidrólisis del ATP es en extremo exergónica, debido a la disminucion que resulta en la repulsión electroestática entre los átomos de oxigeno cargados negativamente del grupo trifosfanhidrido del ATP. Los reactantes y los productos de la hidrólisis del ATP tienen grupos funcionales ionizantes con un valor e pKa entre 6 y 7. Los cambios en el pH alteran los estados iónicos de todos los reactantes y afectan en forma notable la libre de la hidrólisis.
La repulsión electroestática también es afectada por la concentración celular de los iones Mg, los iones MG neutralizan las cargas negativas de los átomos de oxigeno del ATP disminuyendo la tencito electroestática.
Los productos de la hidrolisis del ATP están mas estabilizados por resonancia que el mismo ATP, los grupos fosforilos compiten del ATP compiten por los electrones sin pareja de los átomos de los átomos del oxigeno, los productos de la hidrólisis toman una estructura eléctrica mas estable. La estabilidad por resonancia de los productos proporciona una gran fuerza directriz de la hidrólisis.
LA TRANSDUCCION DE ENENRGIA
En el proceso de transducción la energía del estímulo es transformada en una señal bioeléctrica de los diversos tipos de receptores con participación en algunos de ellos de segundos mensajeros, a la modificación de canales iónicos lo que se traduce en cambios en el potencial en las células.
La comparta mentalización que existe en la células es de vital importancia. A parte de ser la frontera que delimita el exterior del interior también son las barreras elementales de la transformación de la energía. En otras palabras, el transporte sustancias a través de las membranas, el que una reacción ocurra a un lado u otra de la membrana, la acumulación u expulsión de iones pasan a ser protagonistas del metabolismo energético.
Los fundamentos de la teoría quimiosmotica son muy simples.
a) Las membranas transductores de energía, definen compartimentos en donde se definen gradientes de potencial electroquímico ejemplo de gradientes ionicos de H+ o Na+.
b) Estos gradientes son el resultado de la acción de enzimas capaces de bombera los iones en contra de su potencial. Los gradientes de potencial electrquímico son almacenes de energía derivados de fuentes primarias como: luz, reacciones de oxido-reducción, y a veces se usan fuentes de energía secundaria como los metanolitos provenientes del ATP.
c) La membrana alberga una sistema para dispersar la energía; el regreso del los iones a favor de su gradiente electroquímico, lo cual permite el acoplamiento a procesos diversos como la biosíntesis, procesos de movimiento de flagelos, generación de calor, acumulación o extruccion de sustancias y incluso la transmisión de sustancias.
El carácter universal de la transducción quimiosmotica de energía soplo es comparable al del proceso metabólico de la replicación o la transducción de información genenica. O el uso de compuestos fosforilados en el metabolismo como el ATP que es la moneda energética universal de todos los seres vivos.
Un modelo de transducción se puede ejmplificar en los cilios de la célula sensorial olfativa, un quimio-receptor de membrana al cual se unirá el estímulo (odógeno). Cuando éste se une al quimio-receptor, se activa la proteína G, lo cual induce la formación de segundos mensajeros, IP3, DG o cAMP, los cuales pueden modificar la permeabilidad iónica de la membrana, generando así un potencial receptor.
Otro ejemplo lo podemos dar con un segmento de membrana del extremo terminal, encapsulado, de un corpúsculo de Pacini. El estímulo adecuado que actúa sobre este tipo de receptor, es un estímulo mecánico de presión, el cual deforma la cápsula que envuelve el terminal deformando también su membrana, lo que estimula elementos del citoesqueleto conectados a canales para el Na+, induciéndose así una despolarización local, el potencial receptor.
BIBLIOGRAFIA
Horton H. Robrt. Bioquímica. Editorial PRENTICE HALL HISPANOAMERICAN. Impreso en México 1993.
www.uv.es/~orilife/Autors/Pereto/p65.pdf
http://www.uc.cl/sw_educ/neurociencias/html/111.html
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