Este documento describe los principios fundamentales de la termodinámica y los ciclos del carbono y el nitrógeno en los sistemas biológicos. Explica que la energía se conserva pero cambia de forma en las reacciones celulares, y que los organismos vivos mantienen orden interno a costa de aumentar el desorden en el entorno. También describe cómo el carbono, oxígeno y nitrógeno se intercambian entre organismos autotróficos y heterotróficos a través de los ciclos biogeoquímicos

1. FACULTAD CIENCIAS QUÍMICO BIÓLOGICAS |
BIOQUIMICAII
TERMODINAMICA Y CICLOS DEL
CARBONO Y NITRÓGENO
DULCE CAROLINA ROJAS HERRERA
2-4
Dr EDUARDO ARMIENTA ALDANA
U N I V E R S I D A D A U T Ó N O M A D E
S I N A L O A
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍIMICO - BIOLÓGICAS
QUÍMICOFARMACEUTICO BIOLOGO

2. La bioenergética es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía,
cambios en una forma de energía en otra, que tienen lugar en las células vivas y
de la naturaleza y función de los procesos químicos sobre los que se basan estas
transducciones. Debido a que las células vivas son capaces de realizar la
interconversion de distintas formas de energía y pueden intercambiar energía con
su entorno, es conveniente revisar algunas leyes o principios de la termodinámica
que rigen las reacciones de este tipo. El conocimiento de estos principios nos dará
una idea de cómo las reacciones metabólicas de producción y utilización de
energía pueden tener lugar en la misma célula, y como un organismo puede
realizar diversas funciones de trabajo.
Muchas observaciones cuantitativas realizadas por físicos y químicos sobre la
interconversion de las diferentes formas de energía condujeron a la formulación,
en el siglo XIX, de dos leyes fundamentales de la termodinámica.
La primera ley es el principio de conservación de la energía: en cualquier
cambio físico o químico, la cantidad total de energía en el universo permanece
constante; la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una
región a otra, pero no puede ser creada o destruida.
Por ejemplo, la energía química disponible en un combustible metabólico tal como
la glucosa se puede convertir en el proceso de la glucolisis en otra forma de
energía química, el ATP. En el musculo esquelético, la energía química presente
en los enlaces fosfato ricos en energía del ATP se puede convertir en energía
mecánica durante el proceso de la contracción muscular. La energía implicada en
un gradiente osmótico electropotencial de protones establecido a través de la
membrana mitocondrial puede convertirse en energía química al utilizar dicho
gradiente para impulsar la síntesis de ATP.

3. Segunda Ley de la Termodinámica.
La segunda ley de la termodinámica, que se puede enunciar de diversas maneras,
dice que el universo tiende siempre hacia un aumento del desorden: en todos los
procesos naturales, aumenta la entropía del universo.
Los organismos vivos consisten en colecciones de moléculas mucho más
organizadas que los materiales circundantes a partir de las cuales están
construidas, y mantienen y producen orden, aparentemente inconscientes de la
segunda ley de la termodinámica. Pero los organismos vivos no violan la segunda
ley de la termodinámica sino que operan estrictamente dentro de ella.
La segunda ley de la termodinámica afirma que la entropía del universo aumenta
durante todos los procesos químicos y físicos, pero no requiere el incremento de
entropía tenga lugar en el propio sistema de reacción. El orden producido en el
interior de las células a medida que crecen y se dividen esta compensado de
sobras por el desorden que crea en su entorno en el transcurso del crecimiento y
división. En pocas palabras conservan su orden interno tomando de su entorno
energía libre en forma de nutrientes o de luz solar, y devolviendo al entorno
cantidad igual de energía en forma de calor y entropía.
No obstante, en los sistemas biológicos es casi imposible cuantificar cambios de
entropía ya que estos sistemas raramente están en equilibrio. Por razones de
sencillez y por su utilidad inherente en estos tipos de consideraciones, se
empleara la cantidad denominada energía libre.

4. Ciclos del carbono y del nitrógeno para sus funciones celulares
Muchos organismos autotróficos son
fotosintéticos y obtienen su energía a partir
de la luz solar, orgánica producida por los
autótrofos. En nuestra biosfera los
autótrofos y los heterótrofos viven en un
gran ciclo interdependiente en el que los
organismos autotróficos utilizan el dióxido
de carbono atmosférico para construir
biomoléculas orgánicas, generando algunos
de ellos oxígeno a partir de agua. Así,
carbono, oxígeno y agua se ciclan
constantemente entre los mundos heterotrófico y autotrófico, con la energía solar
con fuerza motriz.
Todos los organismos vivos necesitan también una fuente de nitrógeno, necesaria
para la síntesis de aminoácidos, nucleótidos y otros compuestos. Las plantas
pueden, generalmente, utilizar amoniaco o nitratos como única fuente de
nitrógeno, pero los animales vertebrados deben obtener nitrógeno en forma de
aminoácidos u otros compuestos
orgánicos. Sólo unos cuantos organismos,
las cianobacterias y muchas especies de
bacterias del suelo que viven
simbióticamente en las raíces de algunas
plantas, son capaces de convertir (“fijar”)
nitrógeno atmosférico en amoniaco. Otras
bacterias (las bacterias nitrificantes) oxidan
el amoniaco a nitritos y nitratos, y otras
convierten el nitrato en N2. Las bacterias
anamox convierten amoniaco y el nitrito en
Ciclo del Carbono
Ciclo del Nitrógeno

5. N2. Además de los ciclos globales del carbono y del oxígeno, en la biosfera opera
un ciclo del nitrógeno en el que se transforman cantidades de nitrógeno. El ciclado
del carbono, oxígeno y nitrógeno, en el que intervienen todas las especies,
dependen de un equilibrio adecuado entre las actividades de los productores.
(Autótrofos) y los consumidores (heterótrofos)
Estos ciclos de materia son impulsados por un enorme flujo de energía hacia y a
través de la biosfera, que empieza con la captura de energía solar por los
organismos fotosintéticos y la utilización de esta energía para generar glúcidos y
otros nutrientes orgánicos ricos en energía; estos nutriente se utilizan a su vez
como fuentes de energía para los organismos heterotróficos.
En los procesos metabólicos, y en todas las transformaciones de energía, se
produce una pérdida de energía útil (energía libre) y en un aumento inevitable de
la cantidad de energía no utilizable (calor y entropía). Por tanto, la energía fluye en
una sola dirección a través de la biosfera; los organismos vivos no pueden
regenerar energía útil a partir de energía disipada en forma de calor y entropía.
Carbono, oxígeno y nitrógeno se reciclan continuamente, pero la energía se
transforma en formas no utilizables.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
 NELSON, D.L. Y COX, M.M. (2005). LEHNINGER PRINCIPIOS DE BIOQUÍMICA. 4ª EDICIÓN.
ED. OMEGA.