Los seres vivos necesitan un ingreso continuo de energía. Así , mediante la fotosíntesis, las plantas convierten la energía radiante del sol, fuente de energía primaria para la vida sobre la tierra, en la energía química de los hidrato de carbono y de otras sustancias orgánicas.
Las plantas, o los animales que las consumen, metabolizan después estas sustancias para impulsar funciones tales como la síntesis de biomoléculas, la concentración de los gradientes de concentración y el movimiento de los músculos. Estos procesos por último transforman la energía en calor, que se disipa en el entorno. Una porción considerable del aparato bioquímico celular debe dedicarse, por tanto, a la adquisición y al empleo de la energía.
NOCIONES BASICAS DE TERMODINAMICA
La termodinámica constituye una descripción de las relaciones existentes entre las diversas formas de energía y cómo ésta afecta a la materia en lo macroscópico en oposición al nivel molecular; es decir, trata con cantidades de materia lo suficientemente grandes para que sus propiedades medias, tales como la temperatura y la presión, puedan definirse bien.
Con el conocimiento de la termodinámica podemos determinar si es posible que tenga lugar un proceso físico.
La termodinámica, tal como se aplica en la bioquímica, se halla relacionada muy frecuentemente con la descripción de las condiciones bajo las cuales los procesos tienen lugar espontáneamente. Por consiguiente, los elementos de termodinámica que permiten predecir la espontaneidad química y bioquímica son: la primera y segunda leyes de la termodinámica, la energía libre y la naturaleza de los procesos en el equilibrio .
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA: CONSERVACION DE LA ENERGIA
Un sistema termodinámico , es la parte del universo que elegimos para el estudio , tal como un recipiente de reacción , un organismo , una única célula bacteriana, el resto del universo se considera como el entorno , este debe tener unos límites definidos .(1)
El sistema puede ser aislado, el cual es incapaz de intercambiar materia y energía con los alrededores ; cerrado capaz de intercambiar energía pero no materia o puede ser abierto en el que la materia y la energía pueden entrar y salir.
Todo sistema contiene una determinada cantidad de energía E ,es decir, los átomos y moléculas del sistema poseen una energía cinética y una energía de vibración y rotación , incluyendo la energía almacenada por los enlaces químicos existentes entre los átomos y la energía de las interacciones no covalentes entre las moléculas , se debe incluir toda la energía que pueda modificarse por procesos químicos o físicos no nucleares .
La energía interna es la función del estado de un sistema. El estado termodinámico se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias y al menos dos de las siguientes: temperatura T , presión P, y el volumen del sistema V. (2)
La primera ley de la termodinámica es la formulación matemática de la ley de la conservación de la energía la energía no puede crearse ni destruirse
Las plantas, o los animales que las consumen, metabolizan después estas sustancias para impulsar funciones tales como la síntesis de biomoléculas, la concentración de los gradientes de concentración y el movimiento de los músculos. Estos procesos por último transforman la energía en calor, que se disipa en el entorno. Una porción considerable del aparato bioquímico celular debe dedicarse, por tanto, a la adquisición y al empleo de la energía.
NOCIONES BASICAS DE TERMODINAMICA
La termodinámica constituye una descripción de las relaciones existentes entre las diversas formas de energía y cómo ésta afecta a la materia en lo macroscópico en oposición al nivel molecular; es decir, trata con cantidades de materia lo suficientemente grandes para que sus propiedades medias, tales como la temperatura y la presión, puedan definirse bien.
Con el conocimiento de la termodinámica podemos determinar si es posible que tenga lugar un proceso físico.
La termodinámica, tal como se aplica en la bioquímica, se halla relacionada muy frecuentemente con la descripción de las condiciones bajo las cuales los procesos tienen lugar espontáneamente. Por consiguiente, los elementos de termodinámica que permiten predecir la espontaneidad química y bioquímica son: la primera y segunda leyes de la termodinámica, la energía libre y la naturaleza de los procesos en el equilibrio .
PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA: CONSERVACION DE LA ENERGIA
Un sistema termodinámico , es la parte del universo que elegimos para el estudio , tal como un recipiente de reacción , un organismo , una única célula bacteriana, el resto del universo se considera como el entorno , este debe tener unos límites definidos .(1)
El sistema puede ser aislado, el cual es incapaz de intercambiar materia y energía con los alrededores ; cerrado capaz de intercambiar energía pero no materia o puede ser abierto en el que la materia y la energía pueden entrar y salir.
Todo sistema contiene una determinada cantidad de energía E ,es decir, los átomos y moléculas del sistema poseen una energía cinética y una energía de vibración y rotación , incluyendo la energía almacenada por los enlaces químicos existentes entre los átomos y la energía de las interacciones no covalentes entre las moléculas , se debe incluir toda la energía que pueda modificarse por procesos químicos o físicos no nucleares .
La energía interna es la función del estado de un sistema. El estado termodinámico se define mediante la indicación de las cantidades de todas las sustancias y al menos dos de las siguientes: temperatura T , presión P, y el volumen del sistema V. (2)
La primera ley de la termodinámica es la formulación matemática de la ley de la conservación de la energía la energía no puede crearse ni destruirse
∆U = Ufinal – U inicial = q –ω
Donde U es la energía, q representa el calor absorbido por el sistema desde el entorno y ω es el trabajo efectuado por el sistema sobre el entorno
El calor q es un reflejo del movimiento molecular al azar, mientras que el trabajo w se define como el impulso multiplicador de la distancia desplazada bajo su influencia, se halla asociado con el movimiento organizado (1)
El calor q es un reflejo del movimiento molecular al azar, mientras que el trabajo w se define como el impulso multiplicador de la distancia desplazada bajo su influencia, se halla asociado con el movimiento organizado (1)
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA
En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.
El segundo principio se usa a menudo como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. En efecto, el segundo principio lleva implícito el establecer la posibilidad de que un determinado fenómeno o proceso, por lo demás consistente con alguna otra ley de la física, pueda en realidad ocurrir. Por ejemplo, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinámica, nada impide que, espontáneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aun más, y el caliente se calentaría más aun. Sin embargo, el segundo principio establece que tal fenómeno es imposible. Esto no sólo se extiende a fenómenos o procesos físicos o ingenieriles que impliquen algún proceso térmico, sino que el segundo principio se encuentra íntimamente enraizado en todas las ramas de la física: de todas las leyes de la naturaleza, el segundo principio es probablemente uno de los más comprobado, y desde luego el más firmemente reconocido, de manera que se considera como algo indispensable que toda nueva teoría física o todo nuevo fenómeno teorizado, por muchas otras teorías previas a las que contradiga, lo cumpla estrictamente
CONSTANTE DE EQUILIBRIO Y ENERGIA LIBRE DE GIBBS
La Energía libre (designada con la letra G) o energía libre de Gibbs de un sistema, es la parte de la energía total del sistema que esta disponible para realizar trabajo útil y esta dada por la siguiente relación
ΔG = ΔH − TΔS
Esta formula es válida cuando en un sistema particular discurre hacia el equilibrio a temperatura y presión constante, ΔG es la variación en energía libre, ΔH es la variación de entalpía o contenido calorico, T es la temperatura absoluta y ΔS es la variación de entropía del sistema. La variación de energía libre de una reacción química esta relacionada con la constante de equilibrio de tal reacción, por ejemplo, una reacción se puede escribir como:
En un sentido general, el segundo principio de la termodinámica es la ley de la física que afirma que las diferencias entre un sistema y sus alrededores tienden a igualarse. En un sentido clásico, esto se interpreta como la ley de la física de la que se deriva que las diferencias de presión, densidad y, particularmente, las diferencias de temperatura tienden a igualarse. Esto significa que un sistema aislado llegará a alcanzar una temperatura uniforme. Una máquina térmica es aquella que provee de trabajo eficaz gracias la diferencia de temperaturas entre dos cuerpos. Dado que cualquier máquina termodinámica requiere una diferencia de temperatura, se deriva pues que ningún trabajo útil puede extraerse de un sistema aislado en equilibrio térmico, esto es, se requerirá de la alimentación de energía del exterior.
El segundo principio se usa a menudo como la razón por la cual no se puede crear una máquina de movimiento perpetuo. En efecto, el segundo principio lleva implícito el establecer la posibilidad de que un determinado fenómeno o proceso, por lo demás consistente con alguna otra ley de la física, pueda en realidad ocurrir. Por ejemplo, podría razonarse que, en virtud del primer principio de la termodinámica, nada impide que, espontáneamente, sea posible extraer calor de un cuerpo frío, por ejemplo a 200K, para transmitírselo a otro caliente, por ejemplo a 1000K: basta con que se cumpla el balance energético correspondiente, a consecuencia del cual el cuerpo frío se enfriaría aun más, y el caliente se calentaría más aun. Sin embargo, el segundo principio establece que tal fenómeno es imposible. Esto no sólo se extiende a fenómenos o procesos físicos o ingenieriles que impliquen algún proceso térmico, sino que el segundo principio se encuentra íntimamente enraizado en todas las ramas de la física: de todas las leyes de la naturaleza, el segundo principio es probablemente uno de los más comprobado, y desde luego el más firmemente reconocido, de manera que se considera como algo indispensable que toda nueva teoría física o todo nuevo fenómeno teorizado, por muchas otras teorías previas a las que contradiga, lo cumpla estrictamente
CONSTANTE DE EQUILIBRIO Y ENERGIA LIBRE DE GIBBS
La Energía libre (designada con la letra G) o energía libre de Gibbs de un sistema, es la parte de la energía total del sistema que esta disponible para realizar trabajo útil y esta dada por la siguiente relación
ΔG = ΔH − TΔS
Esta formula es válida cuando en un sistema particular discurre hacia el equilibrio a temperatura y presión constante, ΔG es la variación en energía libre, ΔH es la variación de entalpía o contenido calorico, T es la temperatura absoluta y ΔS es la variación de entropía del sistema. La variación de energía libre de una reacción química esta relacionada con la constante de equilibrio de tal reacción, por ejemplo, una reacción se puede escribir como:
A + B <-------------> B + D
y la expresión para la constante de equilibrio:
En condiciones estándar, cuando reactivos y productos se encuentran presentes inicialmente a concentración 1 M, a 1 atm de presión y una 1 M o pH 0, el cambio de energía libre estándar se define como ΔG°.Se ha cambiado esta expresión y definido la energía libre estándar a pH 7,0 ( M), que es el pH al cual tienen lugar la mayor parte de reacciones biológicas. En estas condiciones la variación de energía libre se expresa en forma ΔG°’ y la constante de equilibrio como Keq. Dado que en el equilibrio ΔG = 0, se define la siguiente expresión:
en donde R es la constante de los gases, cuyo valor es R = 8.134Jmol − 1K − 1, dependiendo de si la variación de energía libre resultante se expresa en calorías (cal) o julios (J) por mol; y T es la temperatura absoluta en Kelvin (°K). De ahí que, si se puede determinar la constante de equilibrio de una reacción, también puede calcularse su variación de energía libre estándar (ΔG°’). Cuando la constante de equilibrio se halla por debajo de la unidad, la reacción es endergónica y ΔG°’ es positiva. Cuando la constante de equilibrio es mayor que 1, la reacción es exergónica y ΔG°’ es negativa.Tal como ya se ha dicho, la ΔG°’ de una reacción define el trabajo disponible en una reacción cuando sustratos y productos están presentes a concentración 1 M. Dicha situación no se da en las células, ya que los compuestos raramente se encuentran a concentración 1M. De ahí que una expresión relacionada con las concentraciones intracelulares reales de sustratos y productos pueda proporcionar datos sobre el trabajo disponible en una reacción. La expresión para obtener ΔG a cualquier concentración de sustrato o producto incluye la variación de energía libre para que una concentración 1 M de sustrato y de producto alcancen el equilibrio (ΔG°’) y la variación de energía para alcanzar una concentración 1 M de sustratos y productos:
¿QUE ES LA BIOENERGETICA?Es el análisis cuantitativo de la forma en que los organismos adquieren y utilizan la energía, la bioenergética puede considerase una parte especial de la ciencia de las transformaciones energéticas denominada termodinámica
