Bioenergética y termorregulación

BIOENERGÉTICA Y
TERMORREGULACIÓN

Lic. Roy W. Morales Pérez
rwmorales@fucsalud.edu.co

Bioenergética
Estrategias tróficas de los
organismos

Los organismos vivos pueden ser
clasificados en función de la fuente de
obtención de materia, energía y si
realizan sus procesos vitales en
presencia o ausencia de oxígeno.

En función de la fuente de materia y
específicamente de carbono, los
organismos pueden clasificarse como
autótrofos y heterótrofos. Los
primeros emplean como fuente de
energía carbono inorgánico,
principalmente en forma de dióxido de
Los nutrientes son compuestos reducidos
carbono, mientras que los segundos lo con alto contenido de energía aprovechados
obtienen en forma orgánica a través de para realizar trabajo celular.
los diferentes biomoléculas.
Bioenergética y Termorregulación

Bioenergética
Estrategias tróficas de los
organismos

Por otra parte, en función de la fuente
de energía los organismos vivos pueden
clasificarse en fotótrofos o
quimiótrofos, si su fuente energética es
respectivamente la energía solar o la
energía química contenida en los enlaces
de compuestos químicos.

Por último, si requieren la presencia de
oxígeno para realizar los procesos vitales
los organismos vivos se denominan
aeróbicos, y si ésta condición no es
necesaria se conocen como
anaeróbicos.


Bioenergética
Los organismos heterotróficos como
el ser humano, obtienen energía a
partir del metabolismo de moléculas
orgánicas complejas presentes en el
medio ambiente. Cuando las fuentes
de dichas sustancias son limitadas o
se encuentran restringidas para su
consumo, puede conllevar a
desequilibrios energéticos en el
organismo producto del agotamiento de
reserva de energía que conducen a
estados de desnutrición e incluso a la
muerte por inanición. En el otro
extremo, cuando el almacenamiento de
energía es excesivo el organismo puede
desarrollar obesidad, y
consecuentemente enfermedades
cardiovasculares y diabetes mellitus
tipo II.

Bioenergética
La bioenergética estudia la
evolución de los sistemas biológicos
desde un estado inicial hasta la
consecución del equilibrio (estado de
un sistema en el que la composición y
propiedades de un sistema
permanecen constantes), permitiendo
predecir las transformaciones y
la cuantificación de las
variaciones termodinámicas.
Ciertamente el análisis
termodinámico clásico ofrece una
aproximación limitada al
comportamiento in vivo de un
sistema biológico, dado que éstos en
realidad están alejados del
equilibrio.


Bioenergética

El organismo humano es un
sistema alejado del
equilibrio, abierto (permite
la transferencia de materia
y energía con los
alrededores), con paredes
diatérmicas (permite el
intercambio de calor con el
ambiente circundante), y
móviles (permite el
intercambio de energía en
forma de trabajo).


Bioenergética
Leyes de la Termodinámica

 Ley Cero: dos cuerpos que se
encuentran en equilibrio térmico, lo
estarán con un tercero. La
transferencia espontánea de
energía en forma de calor entre
dos cuerpos se da del de mayor
temperatura hacia el de menor
temperatura.
 Primera Ley: la energía de un
sistema aislado se conserva.
 Segunda Ley: en un sistema
aislado la entropía es máxima
cuando todos los procesos
reversibles han terminado.

Bioenergética
Funciones de estado

Son propiedades de un sistema que Función de
dependen de las condiciones Cambio
Estado
específicas en las que éste se H  0 Sistema recibe energía Endotérmico
encuentre (P, T, V). Evalúan los H = 0 Sistema en equilibrio
Equilibrio
Entalpía (H) térmico
estados inicial y final, no el proceso de Sistema transfiere
H  0 Exotérmico
transición entre uno y otro estado. energía
S  0 Proceso espontáneo ---
S = 0 Cero absoluto ---
Entropía (S)
 Primera Ley: define la entalpía, H, S  0
Proceso no
---
como el cambio de calor de un espontáneo
Proceso no
sistema. Energía de
G  0
espontáneo
Endergónico

 Segunda Ley: la entropía, S, permite Gibbs (G) G = 0 Sistema en equilibrio Equilibrio
G  0 Proceso espontáneo Exergónico
medir el grado de libertad de un
sistema, señalando si un proceso es o
no espontáneo. La energía de Gibbs,  = Estado final – Estado inicial
G, señala si un proceso es o no  = Productos - Reactantes
favorable en términos energéticos.


Bioenergética
Cambio energético en la combustión de Glucosa
El metabolismo celular es más
eficiente que el proceso de
combustión, en la medida que
transfiere una menor cantidad de
calor a los alrededores, el cual
representa una forma de
transferencia de energía no eficiente
para la célula. Los sistemas
biológicos han desarrollado
complejos y eficientes sistemas
(rutas metabólicas) que permiten
aprovechar la energía requerida en
los procesos vitales y almacenar la
no utilizada para efectuar trabajo
celular posteriormente.

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O (l)


Metabolismo

Entalpía de enlace.

Tipo Cantidad Energía

C-C 5 5348 kJ/mol= 1740 kJ/mol

C-H 7 7412 kJ/mol= 2884 kJ/mol

C-O 7 7360 kJ/mol= 2520 kJ/mol

O-H 5 5463 kJ/mol= 2315 kJ/mol

Energía de enlace 9459 kJ/mol
total


Metabolismo

Entalpía de Reacción.

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O (l)

H rxn= H reactantes – H productos
H rxn= [H (C6H12O6 ) + 6 H (O2 )] – [6 H (CO2) +6 H (H2O)]

H rxn= [9459 kJ/mol + 6 (495 kJ/mol)] – [6 (1486 kJ/mol) +6 (926 kJ/mol)]

H rxn= [9459 kJ/mol + 2970 kJ/mol] – [8916 kJ/mol + 5556 kJ/mol]

H rxn= 12490 kJ/mol – 14472kJ/mol

H rxn= - 2043 kJ/mol


Bioenergética
Cambio de Entalpia (H°)

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O (l)

H°rxn= [6H°f (CO2 (g)) + 6H°f (H2O (l))] – [H°f (C6H12O6 (s)) + 6H°f (O2 (g))]
H°rxn= [6 (-393,51 kJ/mol) + 6 (-285,83 kJ/mol] – [-1268,2 kJ/mol+ 6 (0 kJ/mol)]

H°rxn= [-2361.06 kJ/ml + (-1714,98 kJ/mol] – [-1268,2 kJ/mol]
H°rxn= -4076,04 kJ/mol +1268,2 kJ/mol = - 2807,84 kJ/mol


Bioenergética
Cambio de Entalpia (H°)


Bioenergética
Cambio de Energía Libre (G°)

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)  6 CO2 (g) + 6 H2O (l)

G°rxn= [6G°f (CO2 (g)) + 6G°f (H2O (l))] – [G°f (C6H12O6 (s)) + 6G°f (O2 (g))]
G°rxn= [6 (-394,4 kJ/mol) + 6 (-228,6 kJ/mol] – [-868 kJ/mol+ 6 (0 kJ/mol)]

H°rxn= [-2366.4 kJ/ml + (-1371,6 kJ/mol] – [-868 kJ/mol]
H°rxn= -3738 kJ/mol +868 kJ/mol = - 2870 kJ/mol


Bioenergética

Catálisis enzimática.

Un catalizador es una sustancia
que participa en una reacción
química acelerando o inhibiendo
su ocurrencia, sin sufrir al final
del proceso transformaciones en
su estructura o función.

 Disminuye la energía de
activación (Ea) del proceso.
 En consecuencia de lo anterior,
la velocidad del proceso se
aumenta.
 Ofrece una ruta de reacción
alternativa al producto.

Bioenergética

Equilibrio químico.

Equilibrio
Un sistema ha alcanzado el
equilibrio químico desde un punto
Cinético
de vista cinético cuando las
velocidades de formación de
reactivos y productos en un proceso
reversible son iguales,
permaneciendo constantes las
concentraciones en el tiempo. Por
otra parte, termodinámicamente
el estado de equilibrio se alcanza Equilibrio
cuando el la relación entre las termodinámico
cantidades de reactantes y
productos han alcanzado el estado
de menor energía y por tanto de
mayor estabilidad.


Bioenergética

Constante de equilibrio Keq 𝑛
𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠
𝐾 𝑒𝑞 = 𝑚
𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
La ley de acción de masas establece que
para una reacción reversible en equilibrio y a La magnitud de la constante de
unas condiciones constantes (T, P, pH), una equilibrio indica si una reacción en
relación determinada de concentraciones de equilibrio es favorable hacia la
formación de productos o reactivos
reactantes y productos tiene un valor
constante.
La constante de equilibrio Keq, está Valor de Proceso favorable
definida por el cociente cuyo numerador se Keq
obtiene multiplicando las concentraciones de La concentración de equilibrio
equilibrio de los productos, cada una elevada Keq  1 de los reactantes es mayor.
a una potencia igual a su coeficiente La concentración de equilibrio
estequiométrico en la ecuación balanceada. Keq  1 de los productos es mayor.
El denominador se obtiene aplicando el Las concentraciones de
mismo proceso anterior, pero para las Keq = 1 equilibrio de reactantes y
productos son las mismas.
concentraciones de equilibrio de los
reactantes.

Bioenergética

Funciones de trayectoria Función Cambio
dq  0 Sistema recibe calor
Calor (q) dq = 0 Sistema en equilibrio térmico
dq  0 Sistema transfiere calor
Son propiedades de un
sistema que dependen del
proceso de transición entre un
estado inicial a uno final.

 Primera Ley: el calor, q, se
define como una forma de
transferencia de energía. Este
puede transferirse a través de
los procesos de conducción,
convección y/o radiación.


Bioenergética

Cuantificación de la energía

En el S.I. la unidad
correspondiente a la magnitud
energía es el joule, J; mientras que
en el S.T.U corresponde a la cal.
1 cal = 4,187 J

Aunque ya en desuso, la cal aún
se emplea para indicar el valor
energético de los alimentos. Así, se
define una caloría alimenticia, Cal,
como:
1 Cal = 1000 cal=1 kcal= 4,187 kJ


Bioenergética
Temperatura

Se define como la
energía cinética
promedio de las
partículas de un
sistema.

K= °C + 273,15

°F= (°C*1,8)+32

°C= 5/9 (°F-32)

Metabolismo
Las transformaciones reguladas de
biomoléculas que suceden al interior del
organismo a través de procesos
específicos se conoce como metabolismo.
Estos procesos permiten cubrir las
necesidades vitales de la célula y por
tanto de un organismo, y en términos
generales pueden clasificarse como:

 Catabólicos: degradación de
biomoléculas complejas a metabolitos
más simples con la concomitante
producción de energía .

 Anabólicos: síntesis de moléculas
complejas a partir de metabolitos
simples, lo que requiere el consumo
de energía.


Metabolismo
La hidrólisis de fosfatos de
alta energía, p.ej., trifosfato
de adenosina, ATP, conlleva
la liberación de energía que
puede ser utilizada en
procesos bioquímicos
endergónicos. El ATP,
principal intermediario
energético puede ser
generado a partir de
fosfagénos, sustancias que
almacenan fosfatos de alta
energía.
Ciclo ATP/ ADP
ATP ⇌ ADP + Pi Δ𝐺° = −31 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙


Metabolismo


Metabolismo
Para realizar las funciones vitales y
actividades diarias, los organismos
heterotróficos obtienen su energía de
los alimentos, los cuales contienen
biomoléculas (carbohidratos, lípidos
y proteínas) que al metabolizarse
liberan energía química.

Las calorías (Cal) indican la energía
aportada por los alimentos que un
organismo ingiere en su dieta.

Calorías vacías: aquellas que
aportan energía pero que tienen
escaso valor nutritivo.

Calorías negativas: en su proceso de
digestión consumen más energía que
la que producen.


Metabolismo
ENERGÍA ENERGÍA
MACRONUTRIENTE
PROPORCIONADA REQUERIDA La energía es empleada por el
Carbohidrato 4 kcal/g 6% organismo en:

Lípido 9 kcal/g 16%
 Metabolismo basal: consumo
Proteína 4 kcal/g 30% energético mínimo para realizar las
actividades vitales.
 Actividad física: actividades
diversas p.ej., deportes, que
demandan entre un 15% a un 30%
de la energía total diaria,
considerando si se realiza actividad
mínima, moderada o intensa.
 Situaciones estresantes: consumo
energético requerido para hacer
frente a enfermedades o
recuperación posquirúrgica.


Metabolismo
El requerimiento energético basal depende entre otros factores de la
edad, talla y sexo de la persona, y su valor se reporta en kcal/día. Para
calcular un valor aproximado de ésta, pueden emplearse las
ecuaciones de Harris- Benedict.

 Metabolismo basal:

Hombres: 66,473 + (13,751 x masa (kg)) + (5,0033 x estatura (cm)) - (6,55 x edad (años))
Mujeres: 655,1 + (9,463 x masa (kg)) + (1,8 x estatura (cm)) - (4,6756 x edad (años))

 Requerimiento energético diario:
Exigencia de actividad Cálculo
Poco o ningún ejercicio MB  1,20
Ligera MB  1,55
Hombres
Moderada MB  1,77
Intensa MB  2,10
Poco o ningún ejercicio MB  1,20
Ligera MB  1,56
Mujer
Moderada MB  1,64
Intensa MB  1,82


Transporte a través
de membrana

En 1972 S. J. Singer y
Garth Nicolson
desarrollaron el modelo de
mosaico fluido para
explicar la estructura y
función de la membrana
plasmática. Este modelo
permite, entre otras cosas
explicar la naturaleza
semipermeable de ésta
membrana lo que permite el
intercambio selectivo de
sustancias entre el medio
intracelular y extracelular.


de membrana
A través de la membrana celular se
realizan procesos de difusión y
transporte de diferentes sustratos.
Teniendo en cuenta si estos
procesos requieren o no energía
para llevarse a acabo, se clasifican
en transporte activo y transporte
pasivo respectivamente. Dentro de
los últimos, se incluyen la difusión
simple y la difusión facilitada
que transportan sustratos a favor
de un gradiente de concentración.
Los canales iónicos y las proteínas
transportadoras son fundamentales
para que ocurra la difusión
facilitada.

de membrana

De otra parte, si el proceso de
transporte de sustrato ocurre en
contra de un gradiente electroquímico
el proceso es endergónico y por tanto
debe existir un suministro de energía
para que este se realice. Este proceso
se conoce como transporte activo, y se
denomina transporte activo
primario si la fuente primaria de
energía proviene de la hidrólisis de
ATP, o transporte activo secundario
cuando el transportador acopla el
proceso endergónico con uno de tipo
exergónico.


de membrana
Los procesos acoplados en el
transporte activo secundario
pueden movilizan simultáneamente
sustratos de diferente identidad
química bien sea en el mismo
sentido o en sentidos opuestos.
Cuando ocurre el primer tipo de
cotransporte el proceso se
denomina como simporte, mientras
que si ocurre el segundo caso el
proceso se define como antiporte.
Valga señalar que los procesos que
transportan un solo tipo de sustrato
se denominan uniporte, y se llevan
a cabo comúnmente en la difusión
simple facilitada y en el transporte
activo primario.

de membrana

Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=Rl5EmU
QdkuI&NR=1&feature=endscreen

http://www.youtube.com/watch?v=s0p1ztrbXPY

http://www.youtube.com/watch?v=STzOiRqzzL4


de membrana
Bomba sodio- potasio
(Na+- K+ ATPasa)

Proteína transmembrana que
realiza un intercambio
electrogénico de tipo antiporte
entre el MEC y el MIC de iones
sodio y potasio (contra
gradiente). Entre sus
principales funciones se
cuentan, el mantenimiento
osmótico de la célula, el
transporte de nutrientes y el http://www.youtube.com/watch?v=GTHWig1vOnY

establecimiento de un potencial
electroquímico a través de la
membrana plasmática. Bioenergética y Termorregulación

Farmacocinética

La farmacocinética estudia
el movimiento de los
fármacos en el organismo y
permite conocer su
concentración en la biofase,
en función de la dosis y
tiempo transcurrido desde su
administración. Se denomina
biofase al medio en el cual el
fármaco ésta en condiciones
de interactuar con sus
receptores para ejercer su
efecto biológico.


Farmacocinética

Un fármaco es una sustancia
química que se utiliza para prevenir,
diagnosticar o tratar una
enfermedad o para modificar
procesos fisiológicos. La
farmacocinética permite conocer la
dosificación y los intervalos de
dosificación de los fármacos.

 Liberación
 Absorción
Curva de niveles plasmáticos
 Distribución PL: Periodo de Latencia; TE: Tiempo Eficaz;
CME: Concentración Mínima Eficaz; CMT:
 Biotransformación Concentración Mínima Tóxica; IE: Intensidad del
Efecto

 Eliminación

Farmacocinética
Antes de realizar la acción farmacológica,
los fármacos deben cruzar las
membranas celulares. Ello implica que
deben ser liposolubles (lipofílicos -
hidrofóbicos) e hidrosolubles (lipofóbicos
- hidrofílicos) para ser transportados a
través de las capas lipídicas que
constituyen las membranas y de los
fluidos corporales que son de naturaleza
acuosa. Las sustancias que tienen este
doble carácter en la solubilidad se
denominan anfipáticas, y su mayor o 𝑆 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑝í𝑑𝑖𝑐𝑎
menor grado de afinidad por la fase 𝑃=
𝑆 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑜𝑠𝑎
lipídica o acuosa está definida por el
coeficiente de partición o reparto, el En la ecuación anterior, P es el coeficiente de
reparto, S fase lipídica y S fase acuosa, expresan
cuál es un indicador de la mayor o respectivamente la solubilidad en las membranas y
menor facilidad de un fármaco para los fluidos corporales. Si P  1 entonces el fármaco
tiene mayor afinidad por la fase lipídica (membrana)
cruzar las membranas o circular por los y si P  1, la afinidad del fármaco por la fase acuosa
fluidos corporales. será mayor.


Farmacocinética

El coeficiente de reparto, y por tanto la
absorción de un fármaco, depende de su valor
de pKa y del pH del medio como puede verse en
la tabla. Valga señalar por el momento que
cuando el valor de pH es menor que el pKa, la
fracción no disociada del fármaco es mayor que
la disociada, lo que aumenta la liposolubilidad
del fármaco.


Termorregulación

Los organismos que son capaces
de regular su temperatura de
forma independiente de las
condiciones ambientales en las
que se encuentran se conocen
como homeotermos.

Este proceso homeostático se
denomina termorregulación y es
de cabal importancia para
adelantar las funciones vitales, ya
que p.ej., las enzimas que
participan en las diversas rutas
metabólicas realizan su acción a
una determinada temperatura.


Termorregulación

La termorregulación mantiene la
temperatura corporal dentro de un
margen estrecho, mediante mecanismos
que disipan calor (termólisis) o que
generan calor (termogénesis). Para el
ser humano este rango corresponde a
temperaturas entre 36,5 °C a 37,5°C.

Para disipar energía, el organismo
emplea mecanismos internos como la
sudoración, evaporación, vasodilatación
cutánea; y mecanismo externos a través
de la transferencia de energía calorífica
por medio de la radiación, la conducción
o la convección.


Termorregulación

Así mismo, el organismo puede
conservar energía a través de
mecanismos internos como la
vasoconstricción cutánea, piloerección,
espasmos musculares o incrementando
la actividad metabólica.

http://www.youtube.com/watch?v=5O-kmiTBgUI&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=qi6StUl_rBw&feature=related


Termorregulación

El centro termorregulador del cuerpo
humano se localiza en el hipotálamo y
registra los cambios de temperatura de la
sangre a través de termoreceptores
localizados a nivel cutáneo e
hipotalámico.

Una hormona que cumple un importante
rol en el proceso de termorregulación es
la hormona tiroidea (T4, tiroxina y T3
triyodotironina), dado que participa en el
proceso de regulación de la termogénesis
al aumentar la demanda de oxígeno en
consecuencia de la estimulación de la
bomba de sodio/potasio.


Bibliografía
Feduchi, E. et al. (2011). Bioquímica. Conceptos Básicos. Madrid: Editorial Médica Panamericana.

Holum, J. (2000). Fundamentos de Química General, Orgánica y Bioquímica para Ciencias de la
Salud. México D.F.: Limusa Wiley.

Lozano, J.A. et al. (2000). Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud. España: Mc
Graw Hill- Interamericana.

Lorenzo, P, et al. (2008). Farmacología básica y clínica. 18ed. Buenos Aires- Madrid: Editorial Médica
Panamericana.

Murray, R. et al. (2009). Harper Bioquímica. México D.F.: Mc Graw- Hill.

Lectura Complementaria
Álpizar, L. Medina, E. (1998). La fiebre: conceptos básicos. Revista Cubana Pediatría. 70 (2), pp. 79-
83. Disponible en: : http://bvs.sld.cu/revistas/ped/vol70_2_98/ped03298.pdf

Álpizar, L. Medina, E. (1999). Fisiopatología de la fiebre. Revista Cubana de Medicina Militar. 28 (1),
pp. 49- 54. Disponible en: http://bvs.sld.cu/revistas/mil/vol28_1_99/mil08199.pdf


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