Cinética Química Cinética Química y Modelos Dinámicosy Modelos Dinámicos

Exámenes parcialesExámenes parciales

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1.1. INTRODUCCIÓNINTRODUCCIÓN1.1. Historia1.1. Historia

La cinética química es el estudio de la velocidad de las reacciones y la comprensión de los mecanismos de las mismas

L. Wilhelmy (1850), estudió la hidrólisis de una solución de sacarosa. Esta fue la primer reacción química cuya velocidad fue estudiada cuantitativamente

1.1. Historia1.1. Historia

Gouldber y Waage (1863) y van’t Hoff: Demostraron que una reacción química en equilibrio está sufriendo cambios en uno y otro sentido y a la misma velocidad

Ostwald observó que los catalizadores (sustancias que aumentan o disminuyen la velocidad de una reacción sin consumirse) que afectan la velocidad de una reacción no tienen efecto sobre la posición del equilibrio

1.1. Historia1.1. Historia

Hermann von Helmholtz (1821-1894)Desarrolló el método más ingenioso para

medir la contracción muscular y la conducción de señales en fibras nerviosas

Sus contribuciones más importantes fueron en la física de la visión (1856) y del oído (1854)

Asociado con Gibbs (1839-1903) en la formulación de algunas de las más importantes leyes en química termodinámica y electroquímica, usadas en la interpretación del mecanismo de transmisión de señales en fibras nerviosas y otros procesos fisiológicos.

Thomas Young (1773-1829) y Sir Georges Stokes (1819-1903)Contribuyeron a nuestro conocimiento de la

visión del color y pigmentos respiratorios, respectivamente, a través del desarrollo de técnicas espectroscópicas

Schrödinger (1944)A través de su libro What is life?, inspiró a los

principales iniciadores de la biología molecular (Delbruck, Crick y muchos otros)

1.1.2. Cinética química y biología1.1.2. Cinética química y biología

Arrhenius (1859-1927), van’t Hoff (1884-1911) y Hood (1885)Dependencia de la temperatura en la

velocidad y equilibrio de las reacciones químicas relación logarítmica

Arrhenius Premio Nobel 1903: Teoría de soluciones de

electrolitosTeoría de influencia de iones en las

velocidades de reacciónEscribió “Quantitative Laws in Biological

Chemistry” (1915)

Cinética química y biologíaCinética química y biología

Hinshelwood (1946)Estudio de reacciones biológicasCinética de crecimiento y adaptación de

bacteriasDescubrimiento de la doble héliceReconocimiento del DNA como el

transmisor de información genética Eyring (1974)

Teoría de velocidad de reacción absoluta a través de estados de transición

Cinética química y biologíaCinética química y biología

Kramers (1940)Descripción de reacciones en términos de una

difusión dependiente de la viscosidad considerando la barrera de energía

Dinámica de moléculas de proteínas e interacciones proteína-ligando

Atkins (1982) Distinción entre la cinética química y el campo

de la dinámica química de los pasos individuales

1.1.2.1.Aplicaciones de la 1.1.2.1.Aplicaciones de la Cinética químicaCinética química

Reacciones químicas sencillasFotosíntesisVisiónReacciones nuclearesDinámica de poblacionesBalances y cambios ecológicosContaminación atmosféricaDegradación biológica de desperdicios

Aplicaciones de la Cinética Aplicaciones de la Cinética químicaquímica

Contracción muscularProcesos de división y réplica celularMuerte de los organismosMetabolismoEvolución genéticaAdaptación a modificaciones del

ambienteCrecimiento bacteriano

1.2.Cinética y problemas 1.2.Cinética y problemas biológicosbiológicos

1. Proporcionar información acerca de las velocidades a las que proceden diversos procesos biológicos y cómo forman estructuras temporales

2. Mostrar lo que la cinética puede decirnos acerca del mecanismo de funciones complejas

3. Explorar los sistemas a diferentes niveles de organización, desde aquellos más simples, hasta eventos fisiológicos complejos

Cinética y problemas biológicosCinética y problemas biológicos

“ Muchos procesos en fisiología celular sólo serán entendidos,

cuando se conozcan las velocidades y equilibrio de los

pasos involucrados en la reacción”

(Ogden, 1988)

1.2.1. Dinámica de poblaciones1.2.1. Dinámica de poblaciones

Curvas de crecimiento exponencial para poblaciones (procedentes de las ecuaciones para describir reacciones químicas)

La Demografía es una aplicación de la dinámica cuantitativa de poblaciones, de gran importancia para la planeación adecuada de recursos para servicios públicos y para la correcta distribución de primas de seguro

Dinámica de poblacionesDinámica de poblaciones

Verhulst (1804-1849): ecuaciones de velocidad de crecimiento

Gompertz (1779-1865): ecuaciones de supervivencia

Graunt (1620-1674): estadísticas de nacimientos y muertes

Dinámica de poblacionesDinámica de poblaciones

Curva de crecimiento de Gompertz

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Tiempo

Curva de crecimiento logística (Verhulst)

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10

Tiempo

Pobl

ació

n

N (t)=K/{1+exp(-bt)} N(t)=N(0)exp{-exp(a+kt)}

Pob

laci

ón

Ecuación logística (Verhulst)Ecuación logística (Verhulst)

Utilizada para analizar reacciones autocatalíticas como la activación proteolítica de proteasas y la activación de proteínas fosfoquinasas por autofosforilación

Los modelos de dinámica de población y cinética de reacciones en sistemas organizados involucran fenómenos de difusión

1.2.2. Cinética y Fisiología1.2.2. Cinética y Fisiología

Fuortes & Hodgkin (1964)

Transcurso del tiempo de la primera respuesta eléctrica en la retina después de blanquear el pigmento visual rodopsina.

Relación entre los pasos de la hidrólisis de ATP por la miosina y los cambios estructurales y mecánicos durante la contracción muscular.

1.2.2.1. Objetivos del estudio de la 1.2.2.1. Objetivos del estudio de la velocidad de procesos en sistemas velocidad de procesos en sistemas

biológicosbiológicos Describir:

Velocidad de contracción de diferentes tipos de músculos Velocidad de conducción de una señal a través de un

nervio Velocidad de respuesta de una célula ante un mensajero

químico

Analizar: Cuál es el paso o pasos responsables de las diferencias

en la velocidad de contracción de músculos rápidos y lentos

El efecto de un cambio en las condiciones (T, composición del medio) para encontrar los factores controladores y las condiciones óptimas de proceso

1.3. Investigaciones Cinéticas1.3. Investigaciones CinéticasExperimento preliminar

Propuesta de modelo

Simulación del modelo

Predicciones

MODELO CORRECTO

Proceso

Iterativo

MÉTODOS PARA EL ESTUDIO

DE VELOCIDAD

DE PROCESOS

SISTEMA BIOLÓGICO

ESTADO DE EQUILIBRIO

1.4. Desarrollos técnicos y escalas 1.4. Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Criterios para la determinación del tiempo de un técnica para seguir la velocidad de un proceso:

1. Precisión en la determinación del tiempo 0

2. Tiempo de respuesta promedio del sensor y del sistema utilizado para la amplificación y registro de la señal

Desarrollos técnicos y escalas Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Los métodos más provechosos para estudios cinéticos en funciones bioquímicas y fisiológicas, son aquellos que pueden ser aplicados en sistemas a diferentes niveles de organización

Desarrollos técnicos y escalas Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Las técnicas de flujo rápido iniciadas por Harttridge y Roughton (1923) extendieron considerablemente la escala de tiempo de los métodos para el estudio de reacciones en solución

Desarrollos técnicos y escalas Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Ejemplos de aplicaciones de técnicas de flujo rápido :

Reacciones de hemoglobina con O2

Reacciones enzima-sustrato Respiración celular Estudios de suspensión de

mitocondrias y células enteras

Desarrollos técnicos y escalas Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Técnicas de perturbación del equilibrio (Hill, 1934)

Cambio de intensidad de los parámetros: temperatura, presión, campo eléctrico

Activación fotoquímica Ampliamente aplicadas en la

fisicoquímica de proteínas y amino ácidos

Desarrollos técnicos y escalas Desarrollos técnicos y escalas de tiempode tiempo

Otras técnicas desarrolladas en los últimos años:

Alteración de presión Ultrasonido Resonancia magnética Técnicas de correlación y análisis de

ruido Técnicas cristalográficas de rayos X