TERMODINAMICA.
En química o en física se estudian los sistemas físicos, el sistema puede sufrir transformaciones físicas o químicas. La magnitud responsable de estos cambios es la energía.
El estudio de la evolución energética de estos sistemas es el objeto de la termodinámica y el sistema de estudio recibe el nombre de sistema termodinámico. Este sistema puede ser cerrado (si no hay transferencia de masa con el exterior, aislado (si no hay transferencia de energía de masa, con el exterior), o abierto (cuando hay intercambio de energía y demás, con el exterior).
LA PRESION, EL VOLUMEN Y LA TEMPERATURA SON FUNSIONES DE ESTADO.
La variación de una función de estado solo depende de los valores iniciales y finales de dicha variable, no del camino seguido de la variación del sistema.
ENERGIA INTERNA DEL SISTEMA. TRANSFERENCIA DE ENERGIA.
El nivel energético de un sistema viene dado por la energía interna del sistema (U), que es una función de estado. El valor de esta energía interna puede variar si se trasfiere energía desde los alrededores al sistema o viceversa.
La transferencia de energía se puede de dos maneras:
• Mediante conexión mecánica con el sistema (en este caso la transferencia de energía se llama Trabajo-T)
• Mediante una diferencia de temperatura entre el sistema y el exterior (en este caso la transferencia de se llama Calor-Q).
PRINCIPIOS DE TERMODINAMICA.
• Primer principio= Es el teorema de conversión de la energía aplicado a este sistema:
Delta U= Q – T.
• Entalpia del sistema Segundo principio= La entalpía de formación de un compuesto es el cambio de calor expresado en kJ que ocurre cuando se sintetiza un mol de ese compuesto a partir de sus elementos en condiciones de presión constante. Esta cantidad puede variar según las condiciones experimentales por lo que en consecuencia se define la entalpía estándar de formación, que es la variación de entalpía que tiene lugar cuando se sintetiza un mol de compuesto a partir de sus elementos en condiciones estándar (1 atm, 25o C).
Una vez conocidas las entalpías de formación de cada elemento ya se puede conocer la entalpía de formación del compuesto, siempre recordando que la entalpía de formación de los elementos en su estado halotrópico más estable es igual a cero.
Entropía del sistema tercer principio= En el principio enunciado por Clausius que anteriormente citamos, podemos encontrar la relación con la entropía y la energía liberada en un proceso. Pensemos en un motor. El motor necesita de una fuente de energía para poder convertirla en trabajo. Si pensamos en un coche, la gasolina, junto con el sistema de chispa del motor, proporciona la energía ( química) de combustión, capaz de hacer que el auto se mueva. ¿Qué tiene que ver la entropía aquí?
La energía que el coche "utilizó" para realizar trabajo y moverse, se "gastó", es decir, es energía liberada mediante un proceso químico que ya no es utilizable para que un motor produzca trabajo.
Este es uno de los conceptos más difíciles de entender de la entropía, pues requiere un conocimiento un poco menos trivial del funcionamiento de motores, frigoríficos y el ciclo de Carnot. Pero para nuestros fines con esta explicación es suficiente.
¿Para qué sirve la entropía?
La entropía, como medida del grado de restricción o como medida del desorden de un sistema, o bien en ingeniería, como concepto auxiliar en los problemas del rendimiento energético de las máquinas, es una de las variables termodinámicas más importantes. Su relación con la teoría del caos le abre un nuevo campo de estudio e investigación a este tan "manoseado" concepto.
TERMODINAMICA METABOLICA.
La termodinámica metabólica establece que el metabolismo celular está dado por reacciones químicas con liberación de energía o con consumo de la misma (ener gónicas-endergónicas).
Las células asocian las diferentes reacciones y regulan las reacciones químicas por medio de enzimas.
Las células vivas son sistemas complejos que producen y consumen energía. En las rutas catabólicas se transforman elementos en CO2 y H20 en energía almacenada.
Para la generación de energía se requiere ADP + Pi= ATP.
Las reacciones catabólicas oxidan biomoléculas para obtener energía en ATP y el gasto de esta da como resultado la reacción anabólica.
En las reacciones anabólicas generalmente tiene que haber gasto de energía. Necesita moléculas propias para hacer la síntesis de moléculas más complejas. A partir de precursores pequeños se da un gasto de energía.
Las reacciones catabólicas y anabólicas se dan asociadas con la formación de ATP por oxidación de macromoléculas.
En todas las funciones biológicas que se requiera gasto energético la célula utiliza la energía propia del anabolismo (biosíntesis de macromoléculas, contracción muscular).
En las reacciones acopladas hay transferencia de energía.
El ATP se convierte en una molécula capturadera para transferir y almacenar energía (suministrada por hidrólisis de ATP-ADP-Pi).
ATP.
Es un nucleótido compuesto por adenina, ribosa y tres grupos fosfato. Su hidrólisis forma ADP + Pi.
Es importante para la obtención de energía porque cuando se rompe el enlace hay energía liberada que es la utilizada en el trabajo útil.
Tiene que hidrolizarse para producir energía.
La energía del ATP en las uniones químicas de alta energía de los fosfatos se ensambla a la mitocondria y a partir del ADP
Su síntesis se da por la necesidad de la célula de hacer trabajo que requiere energía.
Energía.
Capacidad de realizar un trabajo. La energía potencial es la capacidad de realizar un trabajo como resultado de su estado o posición y la cinética es la energía del movimiento. Representa la capacidad de cambio o transformación de la energía, elemento que es estudiado por la termodinámica.
Leyes de la termodinámica.
1. La energía no se crea ni se destruye sino que se transforma. En un sistema cerrado.
La variación en la energía interna está dada por la variación en el trabajo y el calor de una reacción
Energía química glucosa ==== glucólisis======energía química ATP===
Musculo esquelético===== energía mecánica apta para la contracción muscular.
2. No toda la energía puede ser utilizada y el desorden tiende a aumentar.
Entropía: medida o indicador del grado de desorden de un sistema.
Factor de capacidad en los casos de los cambios energéticos entálmicos (en la temperatura). No se puede utilizar en la realización de un trabajo útil.
El desorden hace referencia a que hay una gran cantidad de energía que no es útil.
Todos los procesos químicos o biológicos tienden a la entropía y su equilibrio sucede cuando la entropía es máxima. Todas las reacciones químicas se realizan a presión constante.
Cambio de calor =cambio entálmico o de entalpia.
Negativo: cuando la reacción o transformación es exergónica.
Positivo: cuando es endergónica
Es = 0 no existe cambio energético, está en equilibrio.
Cambio de entropía en sistemas y el medio para establecer que hay relaciones en las que se produce calor, siempre deben ser mayores a cero las ecuaciones.
Delta de G: cambio de la ecuación libre de Gibbs, cuando dan negativas es exergónica y positivo endergónico.
La ecuación de Gibbs permite calcular el cambio de la energía (libre y útil) de una transformación bioquímica (cualificar y cuantificar).
El cambio de energía libre = espontaneidad y la cuantía de la transformación energética, partiendo de condiciones estándar iniciales.
MITOCONDRIAS.
Las mitocondrias desempeñan un papel crucial en la generación de energía metabólica de las células eucarióticas.
Son responsables de la mayor parte de la energía útil derivada de la degradación de carbohidratos y ácidos grasos que es convertida en ATP en el proceso de la fosforilación oxidativa.
Organización y función de las mitocondrias.
La matriz: contiene el sistema genético mitocondrial así como las enzimas responsables de las reacciones centrales del metabolismo oxidativo.
La fuente principal de energía metabólica en las células animales es la degradación oxidativa de la glucosa y ácidos grasos. La glicolisis se desarrolla en el citoplasma, donde la glucosa es convertida a dos piruvatos en un mecanismo de diez reacciones.
El piruvato posteriormente es transportado al interior de la mitocondria (matriz mitocondrial), donde su oxidación a Co2 produce la mayor parte de (ATP) procedente de la glucolisis. Esto implica la oxidación inicial de piruvato a Acetil CoA, que posteriormente se degrada a CO2 a través del ciclo del ácido cítrico. Los ácidos grasos en el metabolismo (lipolisis), también se convierten a Acetil CoA y este se metabolizó en el ciclo del ácido cítrico en la matriz mitocondrial.
La oxidación del Acetil CoA a CO2, está acoplado a la reducción de NAD+ y FAN a NADH y FADH2 respectivamente. Por lo tanto la mayor parte de la energía derivada del metabolismo oxidativo por el proceso de la fosforilación oxidativa, que está determinada en la membrana mitocondrial interna.
La transferencia de electrones de alta energía desde el NADH Y FADH2 AL Oxigeno molecular, está acoplado a la transferencia de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. Puesto que los protones son partículas cargadas, esta transferencia establece un potencial eléctrico a través de la membrana interna, siendo la matriz negativa.
Mecanismo de la fosforilación oxidativa.
El producto de la energía producida en la glicolisis, forma cuatro moléculas de ATP, diez moléculas de NADH y dos moléculas de FADH2.
Los electrones de NADH y FADH2 son transferidos después al oxigeno molecular, lo cual está acoplado a la formación 32 a 34 moléculas adicionales de ATP mediante la fosforilación oxidativa, El transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. El transporte de electrones y la fosforilación oxidativa son actividades críticas de los complejos de las proteínas de las membranas mitocondrial interna, que puede considerarse como la fuente principal de energía celular.
Cadena de transporte de electrones.
Durante la fosforilación oxidativa, los electrones derivados del NADH y FADH2 se combinan con el 02, y la energía liberada de estas reacciones de Redox es utilizada para dirigir la síntesis de ATP a partir del ADP.
Para poder utilizar los electrones de NADH (esta energía debe producirse gradualmente, mediante el paso de los electrones a través de una serie de transportadores que constituyen la cadena de transporte de electrones
Estos transportadores están organizados en cuatro complejos en la membrana mitocondrial interna. Un quinto complejo de proteínas sirve después para aceptar las reacciones del transporte de electrones, productoras de energía a la síntesis de ATP
Los electrones de NADH entran al complejo I de la cadena de transporte de electrones, El complejo I (está constituido por cuarenta cadenas polipeptídicos). Estos electrones de NADH se transfieren a un mononucleotido de flavina, y después a un transportador de hierro-azufre, a la coenzima Q (un proceso que desprende energía). La coenzima Q (ubiquinona), es una molécula pequeña liposoluble que transporta los electrones desde el complejo I, a través de la membrana hasta el complejo III (constituido por 10 polipeptidos). En el complejo III los electrones se transportan desde el citocromo b al citocromo c (reacción que libera energía). El citocromo c es una proteína de membrana periférica, unida a la cara externa de la membrana interna. Transporta los electrones del complejo III al complejo IV (citocromo oxidasa), donde finalmente son transferidos al O2.
Un complejo de proteínas (complejo II), constituido por cuatro polipeptidos, recibe los electrones de succinato, que es un producto intermediario del acido cítrico, estos electrones (FADH2), son transferidos a la coenzima Q. Los electrones se transportan al complejo III, después al complejo IV, como se ha descrito antes.
La diferencia de los electrones aportados por NADH y por FADH2, es la cantidad de ATP que dona cada uno. El NADH, dona 2,5 ATP (general), y 3 ATP (especifico), mientras que el FADH2, dona 1,5 ATP (general), y 2 ATP (específicos). Cada vez que uno de estos entra a la cadena de electrones esta diferencia es apropiada, ya que el NADH, pasa por todos los complejos, mientras que el FADH2, no pasa por el complejo I.
La energía derivada del transporte de electrones, esta acoplada a la generación de un gradiente de protones, a través de la membrana mitocondrial interna. La energía potencial almacenada en este gradiente se obtiene, mediante un quinto complejo proteínico, que acopla el flujo, energéticamente favorable, de los protones a través de la membrana, a la síntesis de ATP.
Acoplamiento quimiosmotico.
Es una relación entre estructura y fusión de la biología celular. El ATP, se genera utilizando la energía almacenada, en forma de un gradiente de protones. A través de las membranas biológicas. Actualmente el acoplamiento quimiosmotico, se reconoce como un mecanismo general de generación de ATP, mediante un gradiente de protones a través de la membrana plasmática.
El transporte de electrones en el complejo I, III y IV, esta acoplado al transporte de protones, fuera del interior mitocondrial. Estas son las reacciones que liberan energía, al transferir protones de la matriz al interior de la membrana de la mitocondria. Los complejos I y IV, actúan como bombas de protones, que transfieren protones a través de la membrana, como consecuencia de cambios conformacionales inducido por el transporte de electrones. En el complejo III, los protones son transportados a través de la membrana, mediante la coenzima Q, que acepta protones de la matriz en el complejo I y II, y los libera en el espacio intermembrana, en el complejo III. En los complejos I y III, se bombean 4 protones por cada par de electrones, en el complejo IV, se bombean 2 protones por cada par de electrones, y otros 2 protones se unen al O2 para formar H2O en la matriz. Esta transferencia de protones, desde la matriz al espacio intermembrana, desempeña el papel fundamental de convertir la energía derivada de las reacciones redox, del transporte de electrones, en la energía potencial almacenada, en un gradiente de electrones.
El componente eléctrico, corresponde a la diferencia de voltaje a través de la membrana mitocondrial interna, siendo la matriz de la mitocondria negativa, y el espacio intermembrana positivo.
Tanto el pH, como el potencial eléctrico dirigen el flujo de protones, desde el citosol a la matriz, por lo que su combinación supone, un gradiente electroquímico a través de la membrana mitocondrial interna.
Debido a que la bicapa fosfolipidica es impermeable a los iones, los protones solo pueden atravesar la membrana, a través de un canal, de proteínas. Esta restricción permite aprovechar la energía del gradiente electroquímico y lo convierte en ATP, mediante la acción del complejo V, que interviene en la fosforilacion oxidativa, el complejo V (la ATP sintetasa), la ATP sintetasa está conformada por dos componentes, estructuralmente diferentes, la F0 y la F1, que están unidos por un tallo estrecho, la porción F0, es un motor de energía eléctrica que atraviesa la membrana interna, y proporciona un canal a través del cual, los protones fluyen de vuelta desde el espacio intermembrana a la matriz.
El retorno energéticamente favorable de los protones a la matriz esta acoplado, por la síntesis de ATP, mediante la subunidad F1, que cataliza la síntesis de ATP, a partir de ADP + Pi.
Los protones liberados en los complejos I, III y IV, son los necesarios para dar la energía que dirige el ATP, cuando estos regresan a la matriz.
