terioa bioenergetica

5/28/2018 terioa bioenergetica

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1.1 Nociones bsicas de termodinmica.

Algunos conceptos de termodinmica que debemos de tener en cuenta en el estudio de labioenergtica.

La termodinmica es una rama de la fsica que estudia fenmenos relacionados con el calor,y se ocupa d las propiedades de la materia, afectadas por el calor y temperatura, y de latransformacin de formas de energa. Estudia los fenmenos en los que existetransformacin de energa trmica o mecnica. La necesidad de estudiar los fenmenoscalorficos surgi a partir de la revolucin industrial y el surgimiento de las primerasmquinas de vapor.

Dentro de los sistemas, existen propiedades, que se conocen como variablestermodinmicas, que pueden ser extensivas o intensivas. Las propiedades extensivascambian al dividir el sistema, como lo son el volumen, masa y carga. Las propiedades

intensivas no cambian al dividir el sistema, como la presin y la temperatura. Estasvariables nos permiten saber el estado del sistema, si est en equilibrio o no.

Las leyes de la termodinmica postulan que la energa puede ser intercambiada entresistemas fsicos en forma de calor o trabajo.

Ley Cero de la Termodinmica

A esta ley se le llama de equilibrio trmico. El equilibrio trmico debe entenderse comoel estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura.

Esta ley dice Si dos sistemas A y B estn a la misma temperatura, y B est a la mismatemperatura que un tercer sistema C, entonces A y C estn a la misma temperatura. Esteconcepto fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado hasta despusde haberse enunciado las otras tres leyes. De ah que recibe la posicin cero.

Un ejemplo de la aplicacin de esta ley lo tenemos en los conocidos termmetros.

Primera Ley de la Termodinmica

Esta primera ley, y la ms importante de todas, tambin conocida como principio deconservacin de la energa, dice: La energa no puede ser creada ni destruida, slo puede

transformarse de un tipo de energa en otro. Esta ley est presente en la bioenergtica, y entodas las funciones vitales del humano, por ejemplo, cuando nos alimentamos, la energaqumica de la comida cambia a energa calorfica para llevar a cabo actividades.

Como unidades calorficas, utilizamos el Joule, ms especficamente como unidadescalorficas para realizar trabajo, y en caloras. (1 cal =4.186 Joules.)

Segunda Ley de la Termodinmica


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La segunda ley dice que solamente se puede realizar un trabajo mediante el paso del calorde un cuerpo con mayor temperatura a uno que tiene menor temperatura. Al respecto,siempre se observa que el calor pasa espontneamente de los cuerpos calientes a los froshasta quedar a la misma temperatura.

La segunda ley de la termodinmica da una definicin precisa de una propiedad llamadaentropa (fraccin de energa de un sistema que no es posible convertir en trabajo).

Para entenderla, la entropa puede considerarse como una medida de lo prximo o no que sehalla un sistema al equilibrio; tambin puede considerarse como una medida del desorden(espacial y trmico) del sistema.

Pues bien, esta segunda ley afirma que la entropa, o sea, el desorden, de un sistemaaislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza unaconfiguracin de mxima entropa, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el

equilibrio.Tercera Ley de la Termodinmica

El tercer principio de la termodinmica afirma que el cero absoluto no puede alcanzarsepor ningn procedimiento que conste de un nmero finito de pasos. Es posible acercarseindefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a l. Otra forma de frasear laley dice que Toda sustancia pura en su estado cristalino perfecto a una temperatura de 0absoluto, es igual a 0 (t)

1.2.- Constante de Equilibrio y energa libre de Gibbs.

El equilibrio qumico es un estado del sistema en el que no se observan cambios a medidaque transcurre el tiempo.

Se define la constante de equilibrio Kc como el producto de las concentraciones en elequilibrio de los productos elevadas a sus respectivos coeficientes estequiomtricos,dividido por el producto de las concentraciones de los reactivos en el equilibrio elevadas asus respectivos coeficientes estequiomtricos, para cada temperatura.

Existen diversos factores capaces de modificar el estado de equilibrio en un procesoqumico, como son la temperatura, la presin, y el efecto de la concentracin. La influencia

de estos tres factores se puede predecir, de una manera cualitativa por el Principio de LeChatelier, (si en un sistema en equilibrio se modifica alguno de los factores que influyen enel mismo, el sistema evoluciona de forma que se desplaza en el sentido que tienda acontrarrestar dicha variacin).


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La energa libre de Gibbs es la porcin de energa que se convierte libremente en trabajotil, con una temperatura y presin constante. til y transformarla a trabajo sin que sepierda en calor1.3.- Qu es la bioenergtica?

Para la Bioenergtica, la ley de la termodinmica ms importante, es la segunda, por todas

las aplicaciones que tiene. La bioenergtica describe la transferencia y utilizacin de laenerga en los sistemas biolgicos. Utiliza las ideas bsicas de la termodinmica,particularmente el concepto de energa libre. Los cambios en la energa libre (DG) proveenuna cuantificacin de la factibilidad energtica de una reaccin qumica y pueden proveerde una prediccin de si la reaccin podr suceder o no.

La bioenergtica se interesa slo por los estados energticos inicial y final de loscomponentes de una reaccin, no del mecanismo o del tiempo necesarios para que elcambio qumico se lleve a cabo. La bioenergtica predice si un proceso es posible; lacintica cuantifica qu tan rpido ocurre la reaccin.

1. CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA

Termodinmica La Termodinmica estudia los intercambios energticos que acompaan alos fenmenos fsico-qumicos. Al estudiar el intercambio de energa entre un sistema y suentorno, se puede predecir en qu sentido puede ocurrir el cambio qumico o fsico.

En ese aspecto, la Termodinmica predice: si los reaccionantes se transforman enproductos, o sea, si la reaccin es espontnea o no. en qu medida ocurre el cambio, o sea,las cantidades de productos que se obtienen y la cantidad de reaccionantes que quedan sinreaccionar una vez terminada la reaccin, o sea, cuando se alcanza el estado de equilibrio.

Termodinmica

A la Termodinmica: slo le interesa el estado inicial y el estado final (no le importa cmoocurre la reaccin). no le interesa el tiempo que demora en ocurrir el proceso. para estudiarel proceso mide propiedades macroscpicas , tales como: temperatura, presin , volumen.Termodinmica

Sistema: parte del universo que va a ser estudiado y para lo cual se le ponen lmites fsicoso imaginarios. Puede ser: sistema abierto: intercambia materia y energa con el medio. Ej:la clula. sistema cerrado: slo intercambia energa con el medio. Ej: una estufa. Sistema

aislado: no intercambia materia ni energa. Ej: caf caliente en el interior de un termoaislado. Termodinmica: conceptos bsicos

Entorno: porcin del universo que est fuera de los lmites del sistema. En l hacemosobservaciones sobre la energa transferida al interior o al exterior del sistema. Por ejemplo,un vaso de precipitado con una mezcla de reaccin puede ser el sistema y el bao de aguadonde se sumerge el vaso constituye el medio ambiente. Termodinmica: conceptos bsicos


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Para definir un proceso termodinmico basta establecer la diferencia entre el estado final yel estado inicial de sus propiedades macroscpicas, las cuales se llaman funciones deestado, como temperatura presin volumen Termodinmica: conceptos bsicos Estadotermodinmico: es la condicin en la que se encuentra el sistema. Cada estadotermodinmico se define por un conjunto de sus propiedades macroscpicas llamadas

funciones de estado.

Las funciones de estado slo dependen del estado inicial y del estado final y no dependende cmo ocurri el proceso. Las funciones de estado son: T = temperatura P = presin V =volumen E = energa interna H = entalpa S = entropa G = energa libre Funciones deestado Las funciones de estado se escriben con maysculas . Otras funciones que dependende cmo se realice el proceso no son termodinmicas y se escriben con minsculas . Estasson: q = calor w = trabajo

Energa interna y temperatura Energa interna: es la capacidad de un sistema para realizar

un trabajo. Tiene que ver con la estructura del sistema. Se debe a la energa cintica de lasmolculas, la energa de vibracin de los tomos y a la energa de los enlaces. No se puede

conocer su valor absoluto, slo la diferencia al ocurrir un cambio en el sistema: E. Es unafuncin de estado. Temperatura (T): es una funcin de estado y corresponde al promedio dela energa cintico molecular de un sistema gaseoso.

Calor y trabajo Calor (q): es la energa transferida entre el sistema y su ambiente debido aque existe entre ambos una diferencia de temperatura. No es una funcin de estado .

Calor y trabajo Trabajo (w): es la energa transferida entre el sistema y su ambiente a travs

de un proceso equivalente a elevar un peso. No es una funcin de estado . Tipos de trabajo:expansin, extensin, elevacin de un peso, elctrico, etc.

Todas las formas de energa, por lo tanto tambin el calor y el trabajo,se expresan en lasmismas unidades : Calora: es la energa necesaria para elevar en 1C la temperatura de ungramo de agua. Erg (CGS): es el trabajo necesario para mover un cuerpo en 1 centmetrocuando ste resiste con la fuerza de 1 dina. Joule (MKS): es el trabajo necesario para moverun cuerpo en 1 metro cuando ste resiste con la fuerza de 1 newton. Litro-atmsfera : es eltrabajo que realiza un sistema gaseoso al cambiar su volumen en 1 litro contra una presinde 1 atmsfera. Unidades de energa

1 cal = 4,18 Joule 1 Joule = 1 x 10 7 erg La constante de los gases R: R = 1,987 cal/ K xmol R = 0,082 L x atm/ mol x K R = 8,315 J / mol x K Unidades de energa

Primer principio de la termodinmica Corresponde al principio de conservacin de laenerga. La energa del universo no se puede crear ni destruir, slo son posibles las

transformaciones de un tipo de energa en otro. U = q + w U = U f - U i U =cambio de U interna de un sistema U f = U interna final U i = U interna inicial


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Si un sistema (reaccin) absorbe calor es ENDOTERMICO y H es positivo . H = (+)

libera calor es EXOTERMICO y H es negativo. H = ( -) Entalpa Se han medido los

cambios de entalpa estndar : H en condiciones estndar: P = 1 atm t = 25 CConcentracin de los componentes del sistema = 1 M

Para el segundo principio de la termodinmica es necesario definir otra funcin de estadollamada entropa ( S ). Es la cantidad de energa calrica intercambiada por el sistema porcada K en que cambie su temperatura, durante un proceso efectuado en forma reversible .

Nuevamente, slo se puede medir S: S = q rev / T Segundo principio de latermodinmica El cambio de entalpa de una reaccin qumica no nos permite predecir siuna reaccin es espontnea o no.

La entropa mide la extensin del desorden de las partculas que constituyen un sistema. Unaumento del desorden es favorable y, a la inversa, una disminucin en el desorden esdesfavorable. Cuando los productos de una reaccin son menos complejos y poseen mayor

desorden que los reaccionantes, el sistema aumenta su entropa y la reaccin ocurre .Segundo principio de la termodinmica

Desde el punto de vista del universo, el segundo principio considera que la energa esconstante y que la entropa tiende a aumentar hasta alcanzar un estado de equilibrio. Deacuerdo a esto se enuncia: Todos los procesos tienden a realizarse en la direccin en lacual ocurre un aumento en la entropa del universo Segundo principio de la termodinmica

Reaccin espontnea: ocurre en el sentido sealado: R P la reaccin tiende a ocurrir sinnecesidad de ser impulsado por una influencia externa. NO significa que ocurra en forma

rpida. Reaccin no-espontnea: no ocurre en el sentido de reaccionantes a productos, peros es espontnea en el sentido inverso: R P Reaccin en equilibrio: ocurre en ambossentidos: R P En una reaccin qumica es difcil medir el cambio de entropa del universo.Reacciones espontneas y no-espontneas

Equilibrio qumico: constante de equilibrio K eq El equilibro qumico es una condicindonde se igualan las velocidades de las reacciones directa e inversa. No significa igualdadde concentraciones de reaccionantes y productos. Para una reaccin aA + bB cC + dD Sedefine una constante de equilibrio : K eq , la cual establece la relacin entreconcentraciones de reaccionantes y productos en el equilibrio: K eq = [C] c x [D] d [A] a x

[B] b

Si K eq es menor que 1, en el equilibrio la reaccin est desplazada hacia los productos. SiK eq es mayor que 1, en el equilibrio la reaccin est desplazada hacia los reactantes. Si Keq = 1 , en el equilibrio la reaccin no est desplazada en ningn sentido. Constante deequilibrio: significado


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La Energa libre representa la capacidad de un sistema para realizar un trabajo til. LaEnerga libre se llama Energa libre de Gibbs y se designa como G. Para medir laespontaneidad de una reaccin qumica se utiliza otra funcin termodinmica llamadaEnerga libre que mide la capacidad que tiene un sistema para realizar un trabajo til .Energa libre

Igual que las otras funciones termodinmicas, el valor absoluto de la energa libre no sepuede determinar. Se mide la diferencia de energa libre entre el estado final y el estado

inicial inicial. G = H - T S Segn el signo de G se puede predecir si la reaccin

ocurre en forma espontnea o no o si est en equilibrio: G < 0 : reaccin espontnea,

EXERGONICA G > 0 : reaccin no-espontnea, ENDERGONICA G = 0 : reaccinEN EQUILIBRIO Energa libre

Unareaccin qumica ocurre espontneamente hasta alcanzar el estado de equilibrio, si la

G de los productos es menor que la G de los reaccionantes ( G menor que cero, negativa),

realizando en el proceso un trabajo til. Energa libre

Energa libre Ejemplo : Calcular el G de la reaccin de hidrlisis del ATP, sabiendo quela K eq es 2,24 x 10 5 a 25C y pH 7. ATP + H 2 O ADP + fosfato Que la K eq tenga estevalor significa que la reaccin en el equilibrio est fuertemente desplazada hacia la

formacin de productos. G = - 2,3 R T log Keq G = - 2,3 x 1,987 (cal/mol K) x 298

(K) x log 2,24 x 10 5 G = - 7164 cal /mol En las condiciones estndar (1 Mreaccionantes y productos, 25C, 1 atm), la reaccin es exergnica y espontnea .

El G nos permite predecir si una reaccin es posible o no en las condiciones establecidas.

Pero, adems nos permite saber si, modificando las condiciones, se puede hacer que unareaccin no-espontnea se transforme en espontnea . Por ejemplo, modificando la

temperatura o las concentraciones de reaccionantes o productos. Energa libre G = H -

T S G = G + R T ln Q

1. TERMODINAMICA Y BIOENERGTICA1

La bioenergtica es el estudio de las transformaciones de energa que tienen lugar en laclula, y de la naturaleza y funcin de los procesos qumicos en los que se basan esastransformaciones, las cuales siguen las leyes de la termodinmica2

Organismos Auttrofos: Son aquellos que pueden utilizar el CO2 como fuente de carbono(bacterias, vegetales) Organismos Hetertrofos: obtienen carbono de molculas orgnicascomplejas. (animales, microorganismos)3


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Metabolismo: es la suma de todas las reacciones qumicas que ocurren en la clula. Tiene

lugar en una serie de reacciones catalizadas, llamadas rutas metablicas. Catabolismo:es la fase degradadora. Las molculas nutrientes se convierten en otras mas pequeas y

simples. Anabolismo: molculas pequeas reaccionan para convertirse en otras mas4grandes y complejas.

Las clulas necesitan de energa para poder realizar sus actividades de desarrollo,

crecimiento, renovacin de sus estructuras, sntesis de molculas, etc. La energa qumicaque utiliza una clula animal para realizar trabajo proviene principalmente de la oxidacinde sustancias incorporadas como alimentos.5 (carbohidratos, grasas)

Keq = [C][D]/[A][B] Para cada reaccin qumica, el valor de la Keq es caracterstico a

una T dada. Si Keq >1, la reaccin se encuentra desplazada hacia Si Keq


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CAMBIOS DE ENERGA LIBRE EN LAS REACCIONES QUMICAS Las reacciones

cuya DG es positivo no transcurren espontneamente. Las reacciones cuyo DG es

negativo son las que se producen espontneamente. Si DG = 0 la reaccin se encuentra en

equilibrio qumico. Hay una relacin entre DG y la constante de equilibrio: DG = DG +RT ln [productos]/[reactivos] Si DG = 0 (en el equilibrio): DG = -RT ln Keq18

. CAMBIOS DE ENERGA LIBRE EN LAS REACCIONES QUMICAS DG es la

variacin de Energa Libre en condiciones estndar (T= 298K, [ ] = 1M, P = 1atm)

DG es la variacin de energa libre estndar a un pH prximo al fisiolgico (pH = 7) R= 1,987 cal/mol grado19

. COMPUESTOS DE ALTA ENERGA20

ATP Es el compuesto de alta energa de mayor importancia en la clula. El ATP a pHfisiolgico se encuentra como ATP4-. Las 4 cargas negativas se encuentran prximas y

originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi oAMP+PPi. Adems los productos de la hidrlisis se solvatan mejor y se estabilizan porresonancia contribuyendo a disminuir DG y desplazando la reaccin hacia21

Desde el punto de vista energtico, una reaccin con un DG positivo no podra ocurrir a no

ser que exista un aporte de energa que la haga posible. Dicho aporte, lo proveencompuestos de alto contenido energtico, que se caracterizan por tener enlaces que al

romperse liberan una alta cantidad de energa. Este proceso se llama acoplamiento. MOLECULAS DE ALTA ENERGIA : ATP, Acetil- CoA, Creatina Fosfato, FosfoenolPiruvato, por ejemplo.24

REACCIONES ENERGTICAMENTE ACOPLADAS Una reaccin altamenteexergnica puede hacer que otra endergnica ocurra si ambas se acoplan. nombreDG(kcal/mol) ATP ADP + P -7,3 ADP AMP + P -7,7 AMP adenosina + P -3,427

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