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TERMODINÁMICA
Fundamentos e importancia de las
transformaciones energéticas en el
organismo.
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Las leyes de la Termodinámica:
su aplicación en los seres vivos
 1ª Ley :La primera ley es el principio de conservación de
la energía y nos dice que la energía ni se crea ni se
destruye, tan solo se transforma.
Dicho de otra forma: no podemos crear energía de la
nada o no existe un móvil perpetuo de primera especie.
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 2ª Ley: Cuando dos cuerpos se encuentran en
contacto fluye calor del cuerpo caliente al cuerpo
frío
La segunda ley nos indica el sentido del flujo de energía:
el calor fluye espontáneamente de un punto caliente a
uno frío y nunca al revés.
caliente
FRIO
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 3ª Ley :La entropía de cualquier sustancia pura en
equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la
temperatura tiende a cero.
 El tercer principio de la termodinámica afirma que el
cero absoluto no se puede alcanzar por ningún
procedimiento que conste de un número finito de
pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero
absoluto, pero nunca se puede llegar a él.
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 Los sistemas vivos convierten la energía de una forma
en otra a medida que cumplen funciones esenciales de
mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas
conversiones energéticas, como en todas las demás,
parte de la energía útil se pierde en el ambiente en
cada paso.
Las leyes de la termodinámica gobiernan las
transformaciones de energía
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 La primera ley establece que la energía puede convertirse
de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. La
segunda ley establece que en el curso de las conversiones
energéticas, el potencial termodinámico -o energía
potencial termodinámica- de un sistema en el estado final
siempre será menor que el potencial termodinámico del
mismo sistema en el estado inicial.
 Otra manera de enunciar la segunda ley de la
termodinámica es que todos los procesos naturales tienden
a ocurrir en una dirección tal que la entropía (la medida del
"grado de desorden" o de "aleatoriedad") del Universo se
incrementa. Para mantener la organización de la cual
depende la vida, los sistemas vivos deben tener un
suministro constante de energía que les permita superar la
tendencia hacia el desorden creciente. El Sol es la fuente
original de esta energía.
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3.2 TRANSFORMACIONES ENERGETICAS
 Hay dos procesos principales y complementarios por
los que la energía fluye a través de la biosfera: la
glucólisis y la respiración son procesos de degradación
de sustancias por los que se obtiene energía
 La fotosíntesis es un proceso por el cual la energía
lumínica se convierte en energía química y el carbono
se fija en compuestos orgánicos.
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 Los sistemas vivos convierten la energía de una forma
en otra a medida que cumplen funciones esenciales de
mantenimiento, crecimiento y reproducción. En estas
conversiones energéticas, como en todas las demás,
parte de la energía útil se pierde en el ambiente en
cada paso
 Las transformaciones energéticas en las células vivas
implican el movimiento de electrones de un nivel
energético a otro y, frecuentemente, de un átomo o
molécula a otro. Las reacciones de oxidaciónreducción implican movimiento de electrones de un
átomo a otro. Un átomo o molécula que pierde
electrones se oxida; el que los gana se reduce.
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 El total de las reacciones químicas que ocurren
en las células constituyen el metabolismo. Las
reacciones metabólicas ocurren en series,
llamadas vías, cada una de las cuales sirve a una
función determinada en la célula. Cada paso en
una vía es controlado por una enzima
específica. Las reacciones escalonadas de las
vías enzimáticas les permiten a las células llevar
a cabo sus actividades químicas con una
notable eficiencia, en lo que concierne a la
energía y a los materiales.
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 Las enzimas funcionan como catalizadores
biológicos. Así, disminuyen la energía de
activación e incrementan enormemente la
velocidad a la que se producen las reacciones
químicas. Las reacciones catalizadas por enzimas
están bajo un estricto control celular. Los
principales factores que influyen sobre la
velocidad de las reacciones enzimáticas son las
concentraciones de enzima y de sustrato y la
disponibilidad de los cofactores requeridos.
Muchas enzimas son sintetizadas por las células o
activadas sólo cuando son necesarias.
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 El ATP es el principal transportador de energía en la
mayoría de las reacciones que tienen lugar en los
sistemas vivos.
 Las células son capaces de llevar a cabo procesos y
reacciones endergónicas (tales como reacciones
biosintéticas, transporte activo o el movimiento de
microtúbulos) acoplándolas a reacciones exergónicas que
suministran un exceso de energía.
 Estas reacciones acopladas generalmente involucran a
compuestos trifosfato como el ATP u otros. Las familias
de enzimas denominadas quinasas y fosforilasas
adicionan o remueven un grupo fosfato a otra molécula
respectivamente. La transferencia de grupos fosfato -o
fosforilación- cumple un papel importante en la
regulación de muchas reacciones químicas de la célula. 12
Metabolismo y producción de calor
 En cualquier sistema vivo el intercambio de energía
ocurren a través de miles de reacciones químicas
diferentes, muchas de las cuales se producen
simultáneamente. La suma de todas estas reacciones se
conoce como metabolismo (del griego metabole, que
significa "cambio").
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 Si nos limitáramos meramente a enumerar
la lista de las reacciones químicas
individuales, sería difícil, en verdad,
entender el flujo de energía a través de una
célula. Afortunadamente, hay algunos
principios que nos guían por el laberinto del
metabolismo celular.
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 Primero, virtualmente todas las reacciones
químicas que tienen lugar en una célula involucran
enzimas, grandes moléculas de proteína que
desempeñan papeles muy específicos.
 Segundo, los bioquímicos son capaces de agrupar
estas reacciones en una serie ordenada de pasos,
que comúnmente se llama vía; una vía puede tener
una docena o más de reacciones o pasos
secuenciales. Cada vía sirve a una función en la
vida global de la célula o del organismo. Más aun,
ciertas vías tienen muchos pasos en común, por
ejemplo, las que están vinculadas con la síntesis de
los aminoácidos o de las distintas bases
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nitrogenadas.
 Metabolismo
El fenómeno del metabolismo permite a los seres vivos
procesar sus alimentos para obtener nutrientes,
utilizando una cantidad de estos nutrientes y
almacenando el resto para usarlo cuando efectúan sus
funciones. En el metabolismo se efectúan dos procesos
fundamentales: anabolismo y catabolismo.
 Anabolismo: Es cuando se transforman las sustancias
sencillas de los nutrientes en sustancias complejas.
 Catabolismo: Cuando se desdoblan las sustancias
complejas de los nutrientes con ayuda de enzimas en
materiales simples liberando energía. Durante el
metabolismo se realizan reacciones químicas y
energéticas. Así como el crecimiento, la auto reparación
y la liberación de energía dentro del cuerpo de un
organismo.
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 Procesos metabólicos.
 El ciclo material, es decir, los cambios químicos de
sustancia en los distintos períodos del ciclo vital,
crecimiento, equilibrio e involución;
 El ciclo energético, o sea, la transformación de la
energía química de los alimentos en calor cuando
el animal está en reposo, o bien en calor y trabajo
mecánico cuando realiza actividad muscular, así
como la transformación de la energía luminosa en
energía química en las plantas.
 En los organismos heterótrofos, la sustancia y la
energía se obtienen de los alimentos. Éstos actúan
formando la sustancia propia para crecer,
mantenerse y reparar el desgaste, suministran
energía y proporcionan las sustancias reguladoras
del metabolismo
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Biocatálisis
 La catálisis es el proceso a través del cual se
incrementa la velocidad de una reacción
química.
 Dentro de la células biológicas ocurren muchas
reacciones químicas que, sin la presencia de las
enzimas, ocurrirían a una tasa demasiado lenta
para ser biológicamente relevantes.
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 Enzima (del griego, fermento) son moléculas
de proteínas particulares cuya función es
facilitar o acelerar la mayoría de las reacciones
químicas de la célula.
 Las enzimas pueden acoplar dos o más
reacciones para que ocurran al mismo tiempo,
de esta forma una reacción
termodinámicamente favorable puede ser
utilizada para "dirigir" una reacción
desfavorable. Uno de los ejemplos más
comunes son las enzimas que utilizan la
desfosforilación del ATP para dirigir reacciones
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 Para que las reacciones químicas ocurran es
necesario que exista una cierta cantidad de energia
de activación. Las enzimas pueden incrementar la
velocidad de la reacción favoreciendo o
habilitando una vía diferente de reacción con una
energía de activación menor haciendo mucho más
fácil que la reacción ocurra.
 La enzimas son grandes proteínas globulares que
catalizan (aceleran) reacciones químicas y son
esenciales para las funciones celulares. Las
enzimas son muy específicas para las reacciones
que catalizan y los químicos (sustratos) que
utilizan
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 Figura 2: Una enzima (E) cataliza la reacción de dos
sustratos (S1 y S2) para formar un producto (P).
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Estructura y propiedades del ATP
 Todas las actividades biosintéticas de la célula, muchos de
sus procesos de transporte y una diversidad de otras
actividades requieren de energía. Una gran proporción de
esta energía es suministrada por una sola sustancia: el
adenosín trifosfato o ATP.
 La glucosa y otros carbohidratos son formas de
almacenamiento de energía y también formas en las que se
transfiere energía de célula a célula y de organismo a
organismo. En cierto sentido, son como el dinero
depositado en un banco. Sin embargo, el ATP es como el
cambio de bolsillo: es la moneda energética de la célula que
puede gastarse de inmediato.
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 La molécula de ATP está formada por la base nitrogenada
adenina, el azúcar de cinco carbonos ribosa y tres grupos fosfato.
Los tres grupos fosfato están unidos por dos enlaces covalentes
que se rompen con facilidad, produciendo cada uno
aproximadamente 7 kilocalorías de energía por mol.
En los sistemas biológicos, las reacciones endergónicas, como las
de biosíntesis, se producen gracias a la energía liberada en las
reacciones exergónicas con las que están acopladas. En la
mayoría de las reacciones acopladas, el ATP es el intermediario
que conduce la energía de una reacción a otra.
La estructura interna de la molécula de ATP la hace
inusualmente adecuada para este papel en los sistemas vivos. En
el laboratorio, la energía se libera de la molécula de ATP cuando
se elimina el tercer fosfato por hidrólisis dejando ADP (adenosín
difosfato) y un fosfato:
 ATP + H2O => ADP + fosfato
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 En el curso de esta reacción, se liberan unas 7 kilocalorías de
energía por mol de ATP. La eliminación del segundo fosfato
produce AMP (adenosín monofosfato) y libera una cantidad
equivalente de energía:
ADP + H2O => AMP + fosfato
 Los enlaces covalentes que unen a estos dos fosfatos al resto de la
molécula se simbolizan con el signo ~, y durante muchos años se
llamaron enlaces de "alta energía", término incorrecto y confuso.
Estos enlaces no son fuertes, como los enlaces covalentes entre el
carbono y el hidrógeno, que tienen una energía de enlace de 98,8
kcal/mol. Al contrario, son enlaces que se rompen fácilmente y
liberan, como vimos, una cantidad de energía, aproximadamente
7 kcal/mol, adecuada para impulsar muchas de las reacciones
endergónicas esenciales de la célula.
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 Además, la energía liberada no surge totalmente del
movimiento de los electrones de enlace hacia niveles
energéticos más bajos. Es también el resultado de un
reordenamiento de los electrones en otros orbitales de
las moléculas de ADP o de ATP. Cada uno de los
grupos fosfato lleva cargas negativas y, por eso, tienden
a repelerse. Cuando se elimina un grupo fosfato, la
molécula sufre un cambio en la configuración
electrónica, lo cual da como resultado una estructura
con menos energía
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Oxidación biológica y los procesos de conjugación
energética.
 Un panorama general de la oxidación de la glucosa
 La oxidación consiste en la pérdida de un electrón y la
reducción es la ganancia de un electrón. Dado que en
las reacciones de oxido-reducción espontáneas, los
electrones van de niveles de energía mayores a niveles
de energía menores, cuando una molécula se oxida,
habitualmente libera energía cuando.
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 En la oxidación de la glucosa, los enlaces carbono-
carbono (C-C), carbono-hidrógeno (C-H) y oxígenooxígeno (O-O) se cambian por enlaces carbonooxígeno (C-O) e hidrógeno-oxígeno (H-O), a medida
que los átomos de oxígeno atraen y acaparan
electrones. La ecuación resumida de este proceso es:
Glucosa + Oxígeno => Dióxido de Carbono + Agua + Energía
 o bien,
C6H12O6 + 6O2=> 6CO2 + 6H2O
*G = -686 kcal/mol
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 Los sistemas vivos son expertos en conversiones
energéticas. Su organización les permite atrapar esta
energía libre, de modo que no se disipe al azar, sino que
pueda usarse para hacer el trabajo de la célula.
Aproximadamente el 40% de la energía libre
desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva
en la conversión de ADP a ATP
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Cadena de transporte electrónico
 Las enzimas que catalizan las reacciones del ciclo de
Krebs se hallan en la matriz mitocondrial ; mientras
que el sistema transportador de electrones se
encuentra inmerso en las crestas mitocondriales.
Mediante una serie de reacciones de oxido-reducción,
los electrones se transfieren en cascada, ya sea desde el
NADH o del FADH2 al oxígeno molecular para que se
forme H2O.
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 Parte de la energía del electrón es usada para fabricar ATP y el
resto se libera como calor. En la reacción de oxidación del
NADH se produce una separación de cargas, los protones
(H+) permanecen en la solución acuosa, mientras que los
electrones se transfieren a través de transportadores de
electrones, que incluyen la ubiquinona y un sistema de
citocromos.
 Los citocromos son moléculas proteícas que poseen un anillo
de porfirina con un átomo de hierro, denominado grupo
heme, difieren entre si en su cadena proteíca y en la afinidad
por los electrones .Así mismo, los citocromos transportan un
solo electrón sin el respectivo protón. Se puede decir que los
citocromos pasan "las papas calientes" ( electrones) a lo largo
de la cadena transportadora de electrones, mientras que la
energía liberada en el proceso es capturada en forma de ATP.
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 Debido a que cada molécula de citocromo contiene un átomo de
hierro, por cada electrón transportado se requiere solamente un
citocromo.
 La secuencia de los transportadores de electrones en la
respiración es:
 Los electrones se transfieren desde el NADH al O2 a través de
una serie de transportadores de electrones como se ilustra arriba.
El complejo de citocromo (a+a3 ) se conoce como citocromo
oxidasa; al final se transfieren 4 electrones, que con 4 H+ y una
molécula de O2 forman 2 moléculas de H2O:
O2 + 4 H+ + 4 e- 2H2O
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Fosforilación oxidativa
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Ciclo de Krebs
 El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido
cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una
serie de reacciones químicas que forman parte de la
respiración celular en todas las células aerobias, es
decir que utilizan oxígeno.
 En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de
la vía catabólica que realiza la oxidación de hidratos de
carbono, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir
CO2, liberando energía en forma utilizable (poder
reductor y GTP).
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 El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y
proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de
las cuales el ciclo de Krebs supone la segunda
 El ciclo de Krebs también proporciona precursores
para muchas biomoléculas, como ciertos aminoácidos.
Por ello se considera una vía anfibólica, es decir,
catabólica y anabólica al mismo tiempo.
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