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 = PV (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 + PV (3) donde qp es el calor absorbido a presión cambio de entalpía H H = E + PV 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 TS 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 Aa Bb 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.