bioenergética y termorregulación

BIOENERGÉTICA Y TERMORREGULACIÓN

Lic. Roy W. Morales Pérez [email protected]

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

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.


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

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.


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

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.


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


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

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

Cambio de Energía Libre (G°)


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

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.

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

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.

𝐾𝑒𝑞 =𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 𝑛

𝑅𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑚

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.


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

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

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.


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


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


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

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.



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 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.



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.



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


http://www.youtube.com/watch?v=Rl5EmUQdkuI&NR=1&feature=endscreen







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


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

establecimiento de un potencial

electroquímico a través de la

membrana plasmática.


http://www.youtube.com/watch?v=GTHWig1vOnY


http://www.youtube.com/watch?v=GTHWig1vOnY

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

Distribución

Biotransformación

Eliminación

Curva de niveles plasmáticos PL: Periodo de Latencia; TE: Tiempo Eficaz;

CME: Concentración Mínima Eficaz; CMT:

Concentración Mínima Tóxica; IE: Intensidad del

Efecto

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

menor grado de afinidad por la fase

lipídica o acuosa está definida por el

coeficiente de partición o reparto, el

cuál es un indicador de la mayor o

menor facilidad de un fármaco para

cruzar las membranas o circular por los

fluidos corporales.

𝑃 =𝑆𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑝í𝑑𝑖𝑐𝑎

𝑆𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑜𝑠𝑎

En la ecuación anterior, P es el coeficiente de

reparto, S fase lipídica y S fase acuosa, expresan

respectivamente la solubilidad en las membranas y

los fluidos corporales. Si P 1 entonces el fármaco

tiene mayor afinidad por la fase lipídica (membrana)

y si P 1, la afinidad del fármaco por la fase acuosa

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


http://bvs.sld.cu/revistas/ped/vol70_2_98/ped03298.pdf

















http://bvs.sld.cu/revistas/mil/vol28_1_99/mil08199.pdf

















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