10 Bioenergia

BIONERGIA
La bioenergética es el estudio cuantitativo de las transferencias de energía que
tiene lugar en las células vivas y de la naturaleza y función de los procesos
químicos sobre los que se basan estas transferencias.
Al igual que las máquinas, los organismos vivos deben obtener su energía del
medio que los rodea. Los organismos fotosintéticos utilizan la energía radiante
de la luz solar mientras que los organismos heterótrofos utilizan la energía
contenidas en las moléculas de nutrientes de su entorno. Estas formas de
energía son transformadas en forma de compuestos como el ATP y otros
(fosfoenolpiruvato,fosfocreatina,fosfato de acetilo etc..), que se conocen como
compuestos ricos en energía y que actúan como transportadores de energía en
los procesos celulares que requieren de un aporte de energía.
Conceptos básicos de termodinámica
Termodinámica es la rama de la ciencia física que se refiere a los cambios de
energía y proporciona una herramienta de trabajo rigurosa para el análisis de
todos los procesos en los cuáles se llevan a cabo transformaciones de energía.
Esto incluye el procesamiento y el consumo de energía dentro de los sistemas
biológicos, campo de estudio que se denomina bioenergética.
Una reacción química, una célula o un organismo completo pueden
considerarse como un sistema termodinámico. Todo aquello que no sea parte
del sistema definido constituye el entorno del sistema . Una vez que se ha
definido un sistema, se puede describir por medio de un conjunto de funciones
de magnitudes que matemáticamente y físicamente caracterizan al sistema.

Primera ley de la Termodinámica
La primera ley de la termodinámica corresponde al principio de la conservación
de la energía: en cualquier cambio químico o físico, la cantidad total de energía
en el universo permanece constante, aunque pueda cambiar la forma de
energía.
Considérese un proceso bioquímico en el cuál la energía del exterior del
sistema se emplea para convertir dos sustratos en productos :
A + B + Energía
C+D
La energía absorbida en la reacción es exactamente igual a la liberada en la
reacción inversa.
La energía interna de un sistema bioquímico incluye toda clase de energía que
puede ser transformada por cualquier reacción química o bioquímica. Ejemplos
incluyen la energía cinética, vibracional o rotacional de cada átomo, molécula o
ión en el sistema . otros ejemplos incluyen toda la energía almacenada en los
enlaces entre los átomos y la energía de las interacciones no covalentes entre
las moléculas y los iones. La energía in terna de un sistema es una función de
estado, eso es sólo depende del estado inicial y final del sistema. El estado
termodinámico del sistema está definido por las cantidades de todas las
sustancias y dos de las siguientes variables
1.
2.
3.
Temperatura(T)
Presión(P)
Volumen(V)
El cambio de energía interna del sistema, E, antes y después del proceso de
puede expresar como:
E = q – w
(1)
donde “ q” se define como el calor que el sistema absorbe de su entorno y “w”
se define como el trabajo hecho por el sistema sobre su entorno
Donde q se define como el calor que el sistema absorbe de su entorno y w,
como el trabajo hecho por el sistema sobre su entorno.
En términos matemáticos, el trabajo se puede definir como:
W = PV (2)
Donde P es igual a la presión y V es el cambio de volumen que ocurre
durante el proceso.
Reemplazando en la ecuación(1) se tiene:
qp = E + PV
(3)
donde qp es el calor absorbido a presión
cambio de entalpía H
H = E + PV
constante y se denomina como
(4)
La ecuación (4) relaciona el calor absorbido durante una reacción a presión
constante con el cambio en energía del sistema, de la presión y el cambio de
volumen. En los sistemas biológicos, el volumen permanece prácticamente
constante, por lo que H y E son equivalentes.
Un proceso es exotérmico cuando el sistema desprende calor y ese calor pasa
al entorno y en ese caso H < 0.
Un proceso es endotérmico cuando el calor es absorbido por el sistema a partir
de su entorno y en ese caso H > 0
Los cambios de entalpía no determinan la espontaneidad de una reacción, el
criterio para la espontaneidad se encuentra en la segunda ley de la
termodinámica.

Segunda ley de la Termodinámica
La segunda ley de la termodinámica establece que en todo proceso
espontáneo, la entropía (S) del universo(el sistema más su entorno) se
incrementa. La entropía puede considerarse como una medida de desorden o
de lo aleatorio. La segunda ley de la termodinámica establece que la fuerza
inductora fundamental de todos los procesos físicos y químicos , es la
tendencia de la entropía del universo a alcanzar un valor máximo.
Los cambios de entropía son de utilidad limitada en cuanto a la predicción de la
dirección y posición del equilibrio para las reacciones químicas. Un criterio más
útil que el de cambio de entropía es el que se ha derivado para la predicción de
la dirección de la dirección y posición del equilibrio de las reacciones químicas
y consiste en la variación de la energía libre G, que es aquella forma de
energía capaz de efectuar un trabajo en condiciones de temperatura y presión
constantes.
G  H  TS
En que G es la variación de energía libre bdel sistema, H es la variación de
entalpía, T es la temperatura absoluta y S la variación de entropía.
G y se expresan en calorías, joule o ergios,
temperatura en grados kelvin.
S en Cal. Grado y la
La variación de energía libre G puede definirse como la fracción de la
variación total de energía(H) que es capaz de realizar un trabajo a medidad
que el sistema tiende hacia el equilibrio a temperatura, presión volumen
constantes constante
Para la reacción general:
aA + bB
G  G
cC + dD
´' º
se tiene
c
d

C  D
 RT ln
Aa Bb
Donde Go’ es la variación de energía libre estándar que para sistemas
biológicos esta definida de la siguiente manera por convención:
1. El pH es 7,0
2. La temperatura 37ºC = 310ºK
En el equilibrio G = 0
0=
-
+ RT ln K,
= RT lnK, or
Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada
en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en
todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en las células; por
ella se la califica como "moneda universal de energía".
El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, contiene
enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos enlaces
se libera la energía almacenada.
En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP,
rompiéndose un sólo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que suele
transferirse a otra molécula en lo que se conoce como fosforilación; sólo en
algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato.
El sistema ATP <-> ADP es el sistema universal de intercambio de energía en las
células.