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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
carbono, mientras que los segundos lo
obtienen en forma orgánica a través de
los diferentes biomoléculas.
Bioenergética y Termorregulación
Los nutrientes son compuestos reducidos
con alto contenido de energía aprovechados
para realizar trabajo celular.
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 y Termorregulación
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 y Termorregulación
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 y Termorregulación
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 y Termorregulación
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 y Termorregulación
Bioenergética
Funciones de estado
Son propiedades de un sistema que
dependen de las condiciones
específicas en las que éste se
encuentre (P, T, V). Evalúan los
estados inicial y final, no el proceso de
transición entre uno y otro estado.
Primera Ley: define la entalpía, H,
como el cambio de calor de un
sistema.
Segunda Ley: la entropía, S, permite
medir el grado de libertad de un
sistema, señalando si un proceso es o
no espontáneo. La energía de Gibbs,
G, señala si un proceso es o no
favorable en términos energéticos.
Bioenergética y Termorregulación
Función de
Estado Cambio
Entalpía (H)
H 0 Sistema recibe energía Endotérmico
H = 0 Sistema en equilibrio Equilibrio
térmico
H 0 Sistema transfiere
energía Exotérmico
Entropía (S)
S 0 Proceso espontáneo ---
S = 0 Cero absoluto ---
S 0 Proceso no
espontáneo ---
Energía de
Gibbs (G)
G 0 Proceso no
espontáneo Endergónico
G = 0 Sistema en equilibrio Equilibrio
G 0 Proceso espontáneo Exergónico
Bioenergética
= Estado final – Estado inicial
= Productos - Reactantes
Cambio energético en la combustión de Glucosa
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
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.
Entalpía de enlace.
Bioenergética y Termorregulación
Metabolismo
Tipo Cantidad Energía
C-C 5 5348 kJ/mol= 1740 kJ/mol
C-H 7 7412 kJ/mol= 2884 kJ/mol
C-O 7 7360 kJ/mol= 2520 kJ/mol
O-H 5 5463 kJ/mol= 2315 kJ/mol
Energía de enlace
total
9459 kJ/mol
Bioenergética y Termorregulación
Metabolismo
Entalpía de Reacción.
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
H rxn= [H (C6H12O6 ) + 6 H (O2 )] – [6 H (CO2) +6 H (H2O)]
H rxn= H reactantes – H productos
H rxn= [9459 kJ/mol + 2970 kJ/mol] – [8916 kJ/mol + 5556 kJ/mol]
H rxn= [9459 kJ/mol + 6 (495 kJ/mol)] – [6 (1486 kJ/mol) +6 (926 kJ/mol)]
H rxn= 12490 kJ/mol – 14472kJ/mol
H rxn= - 2043 kJ/mol
Cambio de Entalpia (H°)
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
H°rxn= [6 (-393,51 kJ/mol) + 6 (-285,83 kJ/mol] – [-1268,2 kJ/mol+ 6 (0 kJ/mol)]
H°rxn= [6H°f (CO2 (g)) + 6H°f (H2O (l))] – [H°f (C6H12O6 (s)) + 6H°f (O2 (g))]
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
Cambio de Entalpia (H°)
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
Cambio de Energía Libre (G°)
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
C6H12O6 (s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
G°rxn= [6 (-394,4 kJ/mol) + 6 (-228,6 kJ/mol] – [-868 kJ/mol+ 6 (0 kJ/mol)]
G°rxn= [6G°f (CO2 (g)) + 6G°f (H2O (l))] – [G°f (C6H12O6 (s)) + 6G°f (O2 (g))]
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 y Termorregulación
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 y Termorregulación
Bioenergética
Equilibrio químico.
Un sistema ha alcanzado el
equilibrio químico desde un punto
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
cuando el la relación entre las
cantidades de reactantes y
productos han alcanzado el estado
de menor energía y por tanto de
mayor estabilidad.
Equilibrio
termodinámico
Equilibrio
Cinético
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
Constante de equilibrio Keq
La ley de acción de masas establece que
para una reacción reversible en equilibrio y a
unas condiciones constantes (T, P, pH), una
relación determinada de concentraciones de
reactantes y productos tiene un valor
constante.
La constante de equilibrio Keq, está
definida por el cociente cuyo numerador se
obtiene multiplicando las concentraciones de
equilibrio de los productos, cada una elevada
a una potencia igual a su coeficiente
estequiométrico en la ecuación balanceada.
El denominador se obtiene aplicando el
mismo proceso anterior, pero para las
concentraciones de equilibrio de los
reactantes.
La magnitud de la constante de
equilibrio indica si una reacción en
equilibrio es favorable hacia la
formación de productos o reactivos
Valor de
Keq
Proceso favorable
Keq 1 La concentración de equilibrio
de los reactantes es mayor.
Keq 1 La concentración de equilibrio
de los productos es mayor.
Keq = 1 Las concentraciones de
equilibrio de reactantes y
productos son las mismas.
Funciones de trayectoria
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 y Termorregulación
Función Cambio
Calor (q)
dq 0 Sistema recibe calor
dq = 0 Sistema en equilibrio térmico
dq 0 Sistema transfiere calor
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 y Termorregulación
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)
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética
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.
Bioenergética y Termorregulación
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.
Bioenergética y Termorregulación
Ciclo ATP/ ADP
Metabolismo
Bioenergética y Termorregulación
Metabolismo
Bioenergética y Termorregulación
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
Bioenergética y Termorregulación
La energía es empleada por el
organismo en:
Metabolismo basal: consumo
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.
MACRONUTRIENTE ENERGÍA
PROPORCIONADA ENERGÍA
REQUERIDA
Carbohidrato 4 kcal/g 6%
Lípido 9 kcal/g 16%
Proteína 4 kcal/g 30%
Metabolismo
Bioenergética y Termorregulación
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
Hombres
Poco o ningún ejercicio MB 1,20
Ligera MB 1,55
Moderada MB 1,77
Intensa MB 2,10
Mujer
Poco o ningún ejercicio MB 1,20
Ligera MB 1,56
Moderada MB 1,64
Intensa MB 1,82
Metabolismo
Termorregulación
Bioenergética y 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
Bioenergética y 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
Bioenergética y 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.
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=5O-kmiTBgUI&feature=related
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=qi6StUl_rBw&feature=related
Termorregulación
Bioenergética y 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
Bioenergética y Termorregulación
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