INTRODUCCIÓN A LA BIOENERGÉTICA

La termodinámica (Del griego: thermer, calor y Dynamis, potencia) es la rama de la ciencia física que se refiere a los cambios de energía.

En termodinámica se define un sistema, como la parte del universo que interesa y que se elige estudiar. Puede tratarse de una célula bacteriana, una placa Petri que contenga nutrientes y millones de células, todo el laboratorio donde se encuentra la placa, la tierra o el universo entero. Un sistema debe tener límites definidos, el resto del universo fuera del sistema es el entorno.

Sistema aislado: Es aquel rodeado por una frontera que impide el intercambio de energía, en cualquiera de sus formas, y de materia con el medio.

Sistema cerrado: No permite el intercambio de materia pero si de energía con el medio.

Sistema abierto: Es aquel que permite el intercambio tanto de materia como de energía con el medio.

Los organismos vivos, que capturan nutrientes, liberan productos de desecho y generan trabajo y calor, constituyen ejemplos de sistemas abiertos. Si se hallara un organismo confinado en el interior de un recipiente perfectamente aislado, constituirá, junto con el recipiente, un sistema cerrado.

Primera ley de la termodinámica

Esta primera ley establece que la energía del universo, el sistema mas su entorno, es , la constante. No puede haber un cambio de energía en el universo. En pocas palabras, la energía no se puede crear ni destruir; sin embargo se puede convertir (transformar) de una forma a otra y las células son capaces de transformar energía.

Segunda Ley de la termodinámica

Todos los cambios físicos y químicos tienden a evolucionar en la dirección en la que la energía útil experimente una degradación irreversible hacia una forma al azar y desordenada.

En esencia esta ley establece que, cualquier cambio físico y químico, una cierta cantidad de energía se transforma en una forma de energía desordenada llamada entropía S, Es decir, si un proceso se genera de manera espontánea, la entropía total de un sistema debe aumentar, y esta entropía es incapaz de realizar trabajo en su medio.

Entropía.

En todo proceso espontáneo la entropía del universo, o sea, el sistema mas su entorno, se incrementa. La entropía entonces se pude considerar como una medida de desorden o de lo aleatorio.

El cambio neto en entropía para todo el proceso es positivo, la entropía de un sistema definido, por ejemplo de una célula, puede disminuir, con tal del que el aumento en el orden del sistema se sobrecompense por incremento de la entropía del entorno.

Para cualquier cambio de un sistema la entropía del universo, es decir el sistema mas su entorno debe aumentar. La tendencia hacia el incremento de la entropía actúa como una fuerza que dirige a los sistemas al equilibrio.

Puesto que los seres vivos no modifican su orden interno cuando metabolizan sus alimentos, sino por lo contrario, aumentan su complejidad y ordenamiento conforme realizan sus procesos metabólicos, se puede considerar que la entropía del medio ambiente de los seres vivos es la que se incrementa durante el proceso vital. El metabolismo mantiene un orden estructural del organismo, extrayendo la energía libre de los alimentos y liberando calor (energía útil), el cual aumenta el desorden del medio; es así como los organismos vivos satisfacen la segunda ley de la termodinámica.

De otra manera, en cualquier proceso químico o físico, la entropía “el desorden energético” del universo tiende a aumentar. Esta segunda ley de la termodinámica también dice que los procesos son termodinámicamente son favorables, siendo una característica de estos su irreversibilidad.

En la oxidación de la glucosa la entropía no es solo un estado o condición de la energía sino también de la materia. Los organismos aeróbicos extraen energía libre de la glucosa obtenida de su entorno. Para obtener esta energía oxidan la glucosa con el oxigeno molecular que también obtienen de su entorno. En este proceso los alrededores han experimentado un incremento de entropía mientras que el propio organismo permanece en estado estacionario y no experimenta ningún cambio en su orden interno.

Tercera Ley de la termodinámica

Se enuncia la tercera ley de la termodinámica como: Tercera Ley: "La entropía de los cristales perfectos de todos los elementos y compuestos es cero en el cero absoluto de temperatura" Es posible relacionar la entropía con el modelo molecular de los estados de la materia, es decir si pensamos que en el estado gaseoso las moléculas están en constante aumento, en el líquido solo se mueven entre ellas y en el sólido las partículas solo vibran, entonces podemos intuir que: S(gases) > S(líquidos) > S(sólidos) Si observamos que la tendencia de la entropía está relacionada con el estado de agregación del sistema (orden) y sabemos que éste está relacionado con la temperatura, entonces tendrá que existir una temperatura a la cual los cristales tendrán una entropía nula.

Energía libre de Gibbs





La energía libre G es la magnitud termodinámica (función de estado), que incluye la entalpía y la entropía.


En las condiciones en las cuales se desenvuelven los seres vivos, las reacciones químicas se realizan en un medio en el cual la temperatura y la presión se mantienen constantes. Solo una fracción de la energía liberada en los procesos bioquímicos es disponible para realizar trabajo de algún tipo. A esta fracción se le denomina energía libre y se denomina con la letra G (en honor de J. W. Gibbs ). La energía libre de Gibbs es la función termodinámica mas importante en bioquímica.



¿Qué es bioenergética?



Es el estudio de los cambios de energía que acompañan a los procesos biológicos, relación que ayuda a entender las complejidades del metabolismo. Estudia también el procedimiento, el consumo de energía dentro de los sistemas biológicos, la transformación y el empleo de la energía por las células vivientes.


Los sistemas no biológicos pueden utilizar energía calorífica para realizar trabajo, pero los sistemas biológicos son esencialmente isotérmicos y emplean la energía química para impulsar los procesos vitales.



Trabajo



El trabajo puede adoptar muchas formas, en un órgano, en una bacteria, en una célula, en cualquiera que sea el caso, se ejerce una fuerza contra una resistencia para producir un desplazamiento, por ejemplo, el levantamiento de un peso mediante la contracción de un músculo, así se realiza trabajo.


Se designa el trabajo con el símbolo w. Un valor positivo indica que el sistema realiza trabajo sobre sus alrededores. Un valor negativo significa que los alrededores realizan trabajo sobre el sistema.