bioenergética y termorregulación
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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
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
predecir si un proceso es o no
espontáneo. De igual forma, la energía de Gibbs, G, predice la
espontaneidad de un proceso teniendo
en cuenta la condición del sistema.
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
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 J = 4,184 cal
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= 4,18 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
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.
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Ciclo ATP/ ADP
ATP ⇌ ADP + Pi Δ𝐺° = −31 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
Metabolismo
Bioenergética y Termorregulación
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.
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Transporte a través 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.
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Transporte a través 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.
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Transporte a través 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.
Bioenergética y Termorregulación
Transporte a través de membrana
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=Rl5EmU
QdkuI&NR=1&feature=endscreen
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=s0p1ztrbXPY
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=GTHWig1vOnY
Bioenergética y Termorregulación
Bioenergética y Termorregulación
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.
Ver video en YouTube:
http://www.youtube.com/watch?v=STzOiRqzzL4
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
Introducción a la bioquímica: salud, enfermedad y terapéutica.
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.
Murray, R. et al. (2009). Harper Bioquímica. México D.F.: Mc Graw- Hill.
Lectura Complementaria
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/ped/vol70_2_98/ped03298.pdf