Este documento describe conceptos básicos de bioenergética y termodinámica. Explica que la bioenergética estudia la transferencia y utilización de energía en sistemas biológicos usando ideas de termodinámica como la energía libre. También describe que el metabolismo celular depende de procesos bioquímicos que proveen y usan compuestos de energía como el ATP para mantener funcionando los órganos.

1. BIOENERGETICA.
DEPARTAMENTO DE
FISIOLOGÍA CELULAR.
Dra. Carolina Rodríguez Navarro .

2. Bioenergética
 La
bioenergética
describe la
transferencia y
utilización de la
energía en los
sistemas
biológicos.

3.  Utiliza las ideas básicas de la
termodinámica, particularmente el
concepto de energía libre. Los cambios
en la energía libre (∆G) proveen una
cuantificación de la factibilidad
energética de una reacción química y
pueden proveer de una predicción de si
la reacción podrá suceder o no.

4.  El funcionamiento del organismo humano
depende de una variedad de procesos
bioquímicos que en conjunto representan el
metabolismo de las células corporales.
 Las reacciones químicas involucradas en el
metabolismo proveen (y utilizan) compuestos
de energía indispensables para mantener
trabajando todos nuestros órganos del
cuerpo.

5. Termodinámica
 Es el estudio de los cambios
energéticos que acompañan a los
acontecimientos del universo.

6. Trifosfato de adenosina
(ATP).
 Es un nucleótido constituido
mediante tres grupos
fosfatos. Posee un tercer
grupo de fosfato en un
enlace lineal (anhídrido), el
cual proporciona dos
enlaces ricos en energía, los
dos últimos grupos de
fosfatos representan enlaces
de alta energía (almacenan
un alto nivel de energía
química potencial).

7. Trifosfato de adenosina
(ATP).
 LA CANTIDAD DE
ENERGÍA QUE
CORRESPONDE AL
ENLACE DEL ÚLTIMO
RADICAL FOSFATO
CON EL RESTO DE LA
MOLÉCULA ES DE
UNAS 7,000 CALORÍAS
POR MOL, y la que
corresponde al penúltimo es
más elevada, 8,300 calorías
por mol.
 Al desdoblarse una molécula
de trifosfato de adenosina,
se libera suficiente energía
para los procesos
bioquímicos del cuerpo.

8.  Energética: es la parte de la física que
estudia las diversas formas de energía.
 Energía: es la capacidad de producir un
trabajo.
 Termodinámica: es la ciencia que estudia las
relaciones entre el calor y las demás formas
de energía. Toda transformación (cambio
químico o físico) implica un cambio
energético.

9.  PRIMER PRINCIPIO.
 La energía se conserva. La energía de un sistema
aislado permanece constante, o sea, la energía no
se crea ni se destruye, sólo se transforma de un tipo
a otro, es decir, siempre que desaparece una clase
de energía debe producirse una cantidad
exactamente equivalente de otra clase.
 Funciones termodinámicas de estado.
 Son magnitudes cuyas variaciones para un sistema
aislado dependen de los estados inicial y final, siendo
independientes del camino seguido.

10. Primera Ley de la
Termodinámica
 La energía no se puede crear ni
destruir:
 Fotosíntesis
 ∆E= Q-W
∆E= Energía interna
Q= Calor
W= Trabajo

11. Tipo de reacción
 En condiciones de volumen y presión
constantes:
 Exotérmicas
 Endotérmicas

12. Segunda ley de la termodinámica
 Los acontecimientos del universo
siempre proceden cuesta abajo, desde
un estado de energía mas alto a uno
mas bajo.
 Espontáneos
 Sin aporte de energía externa
 En una transformación energética cada
vez hay menor energía disponible para
efectuar trabajo adicional.

13.  SEGUNDO PRINCIPIO.
 La energía se degrada. No es posible transformar el
calor íntegramente en trabajo. Indica el sentido en
que tienen lugar las transformaciones
termodinámicas, es decir, ante dos fenómenos
posibles, marca cuál de los dos podrá producirse.
 El segundo principio permite la definición de nuevas
funciones termodinámicas de estado, entre ellas la
Entropía S. Mediante razonamientos termodinámicos
podríamos demostrar que en todo proceso
irreversible la entropía total crece.

14.  La energía no disponible para efectuar
un trabajo adicional luego de un
acontecimiento tiene un factor de
intensidad y un factor de capacidad.
 El factor de intensidad es la
temperatura (en grados) y el factor de
capacidad es la entropía (S) (calorías
por grado).
 El término para energía no disponible
es T∆S.

15. Factores de potencia y capacidad en las
mediciones de energía
Tipo de energía
Factor de
potencia
Factor de
capacidad
Mecánica
Caída de una roca Altura Masa
Compresión Presión Volumen
Estiramiento Tensión Longitud
Eléctrica
Movimiento de iones Potencial eléctrico (voltaje) Carga
Osmótica
Movimiento de agua hacia el
interior de la célula Concentración de solutos Masa
Energía no disponible para
ejercer trabajo Temperatura Entropía

16. ENTROPÍA
 El término entropía, que significa literalmente
“cambio en”, fue utilizado en 1851 por
primera vez por Rudolf Clausius, uno de los
formuladores de la segunda ley de la
termodinámica. Una definición rigurosa de la
entropía necesita consideraciones
estadísticas y probabilísticas. Aun así, su
naturaleza puede ser ilustrada
cualitativamente con los siguientes ejemplos,
cada uno de ellos demuestra un aspecto de
la entropía.

17.  La Entropía se define como la medida del
desorden de un sistema. La entropía del
universo va en aumento, ya que los procesos
corrientes son todos irreversibles. El
desorden va en aumento hasta que todas las
demás formas de energía se transformen en
calórica y se llegue a una uniformidad total, lo
que significa el acercamiento progresivo al
caos.

18. Entropía
 La energía total del universo debe
incrementarse; el desorden dentro de
una parte del universo (sistema) puede
disminuir a expensas de su entorno
 Los organismos vivos tienen la
capacidad de disminuir su propia
entropía incrementando la entropía de
su ambiente.

19.  Al aumentar la temperatura, la entropía y el
desorden crecen. Un sólido tiene la
ordenación máxima (red cristalina) y por lo
tanto, la entropía mínima. Si lo calentamos
funde, desordenándose sus moléculas, es
decir, la entropía en el líquido es mayor que
en el sólido. Al calentar el líquido se vaporiza,
desordenándose mucho más, y la entropía
sigue creciendo.

21. Tercera ley de la
termodinámica
 El cero absoluto (-273.15 °C), al entropía es cero, y la inmensa
mayoría de los seres vivos viven a temperaturas mucho
mayores. Debido a lo anterior, los seres vivos son sistemas
que poseen cierto grado de entropía. Esta cantidad no es tan
baja como lo es en un sólido, ni intermedia como se esperaría
para un líquido, estamos de hecho muy lejos de ser tan
entrópicos como un gas; la entropía de nuestros cuerpos es la
suma de la entropía de las moléculas que nos constituyen en
los tres estados de la materia y sus diferentes grados de
transformación en calor.
 La entropía de los seres vivos es tal que depende incluso del
estado metabólico particular, una mujer embarazada posee un
grado de entropía diferente al que posee cuando no está
embarazada.
 Uno de los principios termodinámicos dice que la energía del
universo crece, en el caso de los seres vivos, al morir su
posterior descomposición (putrefacción), alterará el orden de
los alrededores haciendo que la entropía del universo aumente.

22.  TERCER PRINCIPIO.
 La entropía en el cero absoluto es nula para
un sólido cristalino. Significa que los sólidos
cristalinos enfriados a 0° K tienen una
ordenación perfecta, y los átomos no oscilan
en sus posiciones de equilibrio. Este cero
absoluto es prácticamente inalcanzable. Este
principio también recibe el nombre de
Principio de Nernst, que afirma que el cero
absoluto no puede alcanzarse mediante un
número finito de operaciones.

23.  TERMOQUIMICA.
 Es la parte de la termodinámica que
estudia los cambios energéticos que
acompañan a las reacciones químicas.

24.  Una reacción se llama Exoergónica
cuando al producirse libera energía.
 Una reacción Endoergónica es cuando
al producirse absorbe energía.
 Si la energía es calórica, las reacciones
se llaman Exotérmicas cuando
desprenden calor y Endotérmicas
cuando absorben calor.

25. Reacción exoergónica
 Si el ∆G es un número negativo, hay una pérdida neta de energía y la
reacción sucede espontáneamente en la dirección que está escrita,
de tal manera que A se transforma en B, la reacción se denomina
exergónica. El signo negativo proviene de la menor energía de los
productos:
 A → B;
(Reactivo → producto);
(inicial → final)

26. Reacción endoergónica
 Si el ∆G es un número positivo, hay una ganancia neta de
energía, y la reacción NO forma espontáneamente B en A, la
reacción se denomina endergónica y necesita de un aporte de
energía del medio para producir B a partir de A. El signo
positivo proviene de la mayor energía de los productos:
 B → A

27. Energía libre
 La dirección y cantidad a la cual
procede una reacción está determinada
por el grado energía libre que dos
factores cambian durante la reacción.
Estos factores son la entalpía (∆H, una
medida del cambio de calor entre los
reactivos y productos de la reacción) y
la entropía (∆S, una medida del
cambio en el desorden de los reactivos
y productos)

28. ENERGÍA LIBRE DE GIBBS.
 Es la porción del potencial total de
energía de un sistema natural
disponible para la ejecución de un
trabajo.
 Es una función termodinámica del
estado, cuya disminución en un sistema
mide el trabajo útil desarrollado por él.

30. Cambio en la energía libre
 El cambio en la energía libre se puede
presentar en dos formas ∆G y ∆G°. El
primero (sin el subíndice °) es la forma
mas general porque predice el cambio
en la energía libre y por tanto la
dirección de la reacción a cualquier
concentración de reactivos y productos.

31. Cambio en la energía libres
estándar
 ∆G°, es el cambio en energía libre
cuando la concentración de reactivos y
productos es de 1 mol L-1, aunque
esta representación es de un estado no
fisiológico, es útil para comparar
cambios de energía en diferentes
reacciones, de hecho puede ser
determinada a partir de la
cuantificación de la constante de
equilibrio (k).

32.  El cambio en la energía libre ∆G, puede
se utilizado para predecir la dirección
de una reacción a presión y
temperatura constantes; existen tres
casos para ello, considere la reacción:
 A  B
 a.- ∆Γ νεγατιϖο
 b.- ∆Γ ποσιτιϖο
 c.- ∆Γ εσ χερο

33. Sistema equilibrado
 ∆G igual a cero significa que los
reactivos y productos están en
equilibrio. Note que cuando una
reacción procede espontáneamente,
i.e. la energía libre se está perdiendo,
la reacción continúa hasta que ∆G es
cero y se establece el equilibrio, i.e. no
hay cambio neto de energía.

34. ∆G en dirección contraria
 La energía libre de la reacción hacia
delante (A → B) es igual en magnitud
pero de signo contrario a la reacción
reversa (B ← A).
 Todas las reacciones en los
organismos son reversibles.
 La velocidad de una reacción es
proporcional a la concentración de los
reactantes.

35. Cambio en la energía libre
estándar
 ∆G° es el cambio en la energía libre
estándar porque es igual al cambio en
la energía libre ∆G, bajo condiciones
estándar, es decir cuando los reactivos
y productos están a una concentración
de 1.0 mol L-1 (1.0 M).

36. Unidades de medida
 1 cal= 4.186 J
 1 J= 0.239 cal
 Caloría nutricional= 1 kcal ó C

37.  Matemáticamente G = H – TS
 G= energía libre
 H= la entalpía
 T= la temperatura
 S= entropía del sistema.
 Para estudiar las variaciones de energía libre se
considera como cero el valor de la energía libre de
los elementos simples a 25° C y en su estado
natural. La función de energía libre resulta de gran
utilidad para estudiar los equilibrios químicos que se
producen entre sustancias capaces de realizar
reacciones reversibles.

38. LEY DE HESS.
 El efecto calórico de un sistema reaccionante
depende sólo de los estados inicial y final, y
es independiente de los intermedios.
 Esta ley permite calcular la totalidad térmica
de ciertas reacciones que, por no ser
completa y estequiométricas (productos
finales definidos y únicos) no puede ser
hallada directamente.

39.  Para que la ley de Hess sea
rigurosamente cierta es necesario que
los procesos tengan lugar a volumen y
a presión constantes, en cuyo caso el
calor desprendido corresponderá,
respectivamente, a la disminución de la
energía interna o de la entalpía, ambas
funciones de estado y, por tanto,
independientes del camino seguido.

40.  La entalpía es una variable de estado, (que sólo
depende de los estados inicial y final) que se define
como la suma de la energía interna de un sistema
termodinámico y el producto de su volumen y su
presión.
 La entalpía total de un sistema no puede ser
medida directamente, al igual que la energía interna,
en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí
puede ser medida experimentalmente. El cambio de
la entalpía del sistema causado por un proceso
llevado a cabo a presión constante, es igual al calor
absorbido por el sistema durante dicho proceso.

41.  Entalpía. Es una función termodinámica
de estado que se representa por la
siguiente fórmula:
 H = U + PV
 H= entalpía
 U= energía interna
 P= presión
 V= volumen.