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BIOENERGÉTICA: Introducción:  Termodinámica: ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia y sus intercambios de energía.  Los sistemas biológicos son capaces de formar biomoléculas que interaccionan para producir organismos complejos

La energía de las moléculas: Las diferentes formas de la energía y su transformación:  La energía se define como la capacidad de producir cambio y se mide por la cantidad de trabajo realizado durante este período de cambio  No se puede definir en términos de tamaño, forma o masa.  La presencia de energía solo se releva cuando se ha inducido el cambio  Existe en muchas formas que pueden interconvertirse:  La energía potencial indica la cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía almacenada en un determinado lugar.  La energía de combustión es la energía contenida en los enlaces de carbono de los combustibles, y que resulta liberada en un proceso de combustión (oxidación). Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, lo que transformará su estructura química.  La célula es capaz de transformar la energía química de los nutrientes, de manera que, durante su proceso de combustión, se libera toda la energía de las moléculas y se utiliza para realizar un trabajo celular. La energía de los nutrientes:  La energía proviene de los nutrientes y de la energía almacenada en el organismo.  Los azúcares, lípidos y proteínas son los tres tipos de componentes con valor energético que se utilizan como combustible en los seres vivos.  El rendimiento energético que tiene un nutriente también va a depender de lo eficiente que sea su proceso digestivo.  No solo es importante el contenido calórico de un nutriente, sino que se obtendrá más energía del mismo cuando más eficiente sea el proceso digestivo, y se produzca una mayor absorción. La combustión de los nutrientes libera energía:  Una molécula muy reducida puede sufrir un proceso de combustión (oxidación en presencia de oxígeno) hasta que alcanza un estado oxidado.

 Los electrones contenidos en los enlaces de la molécula reducida son transferidos al oxígeno, por lo que la pérdida de electrones de la molécula hace que tenga menos energía en sus enlaces.  Normalmente este proceso sucede en moléculas compuestas de carbono.  El nutriente será transformado en la forma más estable y menos energética del carbono, el dióxido de carbono, que será liberado a la atmósfera, para la transformación y utilización de la energía.

Funciones de estado: Los sistemas biológicos:  Un sistema se puede definir como toda parte del universo que se delimita mentalmente, es decir, la porción de materia cuyas propiedades se estudian  Todo lo que rodea al sistema constituye el ambiente o entorno  El conjunto formado por el sistema y el entorno se denomina universo  Las sustancias que intervienen en una reacción química constituyen el sistema termodinámico, que evoluciona desde un estado inicial (reactivos) hasta un estado final (productos)  El entorno será el medio donde tiene lugar la reacción química.  El universo será el conjunto de los reactivos y productos presentes en una solución la atmósfera circulante.  Una función de estado o variable de estado es una magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema en equilibro. Entalpía o calor a presión constante:  La entalpía es el contenido de calor interno del sistema reaccionante a presión constante  Refleja el número y el tipo de enlaces que contiene una molécula  El incremento de entalpía de un sistema expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico.  Es la cantidad de energía que ese sistema puede intercambiar con su entorno  Las reacciones podrán ser de dos tipos:  Endotérmicas: absorben calor del entorno en donde transcurre la reacción (variación de entalpía positiva). El contenido calórico es menor en los reactivos que en los productos.  Exotérmicas: liberan calor del entorno (variación de entalpía negativa). El contenido calórico es mayor en los reactivos que en los productos. Entropía o grado de libertad:  Es una función de estado y mide el grado de desorden o de libertad de un sistema.  Los sistemas desordenados tienen una entropía elevada.

 Los sistemas ricos en información son sistemas muy ordenados y tienen niveles de entropía bajos  En las reacciones exotérmicas aumenta la entropía del entorno, ya que liberan calor al entorno provocando un mayor desorden. Ocurre lo contrario con las reacciones endotérmicas, puesto que, al absorber calor del entorno, las moléculas del entorno estarán menos libres. La energía libre de Gibbs indica si una reacción es favorable energéticamente:  Se ocupa solo de las variaciones del sistema, sin necesidad de medir el entorno.  Permite predecir la dirección de las reacciones químicas, su posición exacta en el equilibrio y la cantidad de trabajo que pueden llevar a cabo, a temperatura y presión constantes.  Se determina mediante la medida de las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio.  Una reacción exotérmica que incremente la entropía ocurre espontáneamente.  Una reacción endotérmica ocurrirá espontáneamente si el valor de temperatura por la variación de entropía es mayor que la variación de entalpía, aun cuando el proceso sea endotérmico.

Metabolismo y bioenergética:  Las dos grandes vías del metabolismo celular, catabolismo y anabolismo, están necesariamente conectadas a través de moléculas con funciones muy definidas.  En las dos vías metabólicas se producen reacciones de oxidación-reducción:  En las vías catabólicas, donde se realizan reacciones de oxidación, los electrones se irán cediendo a moléculas oxidadas que, a su vez, se irán reduciendo  En las vías anabólicas, las moléculas irán captando los electrones de estas moléculas reducidas.  La principal molécula transportadora de energía es el ATP, y las moléculas transportadoras de electrones serán nucleótidos como el NADH y el NADPH. Son coenzimas.  Existen muchas coenzimas encargadas de transportar grupos funcionales como el acetilo, el metilo, etc. Moléculas transportadoras de energía:  El reciclaje del ATP es el punto central del metabolismo: los procesos catabólicos liberan la energía potencial de los alimentos y la capturan en el intermediario reactivo, el ATP; los procesos anabólicos utilizan la energía almacenada en el ATP para realizar su trabajo.  Las reacciones que tienen lugar en las vías catabólicas irán transfiriendo la energía contenida en sus enlaces hacia una forma química utilizable.

 En la reacción opuesta de la síntesis de ATP, la célula necesita mucha energía para poder llevar a cabo la reacción. Todas las vías catabólicas la energía para transferirla a la vía de síntesis de ATP, y así tener siempre energía para el momento que se requiera.  La energía almacenada en el ATP podrá ser utilizada para multitud de reacciones. Moléculas transportadoras de electrones:  En una ruta catabólica se produce la oxidación de una molécula, como la glucosa, que transfiere sus electrones a una molécula final aceptora de electrones, como el oxígeno.  Este paso no es directo, si no que hasta alcanzar el destino final los electrones contenidos en los enlaces de la glucosa irán pasando de una molécula a otra, de forma que los carbonos de la glucosa perderán todos los electrones posibles hasta llegar a su estado de oxidación final (CO2).  Muchas de las reacciones de oxidación en las vías catabólicas se darán gracias a las coenzimas o moléculas transportadoras de electrones que serán capaces de aceptar electrones de las moléculas que se oxidan en las vías catabólicas  Los principales transportadores de electrones son el NAD+ y el NADP+. Tienen la misma función: actuar de intercambiador de electrones en un sistema de oxidación-reducción.  Tienen bien diferenciadas sus funciones como coenzimas: el NAD+ ayuda a catalizar las reacciones implicadas en el catabolismo, aceptando los electrones de las moléculas que se oxidan; el NADP+ actúa en las reacciones anabólicas donando los electrones ricos en energía necesarios para las moléculas que se van a sintetizar.  Otras coenzimas que también desempeñan un importante papel en el metabolismo celular son el FAD y el FMN. Transportador de grupo acetilo:  La coenzima A es un transportador primordial para transferir grupo acetilo.  Es importante tener en cuenta que la hidrólisis de ATP es necesaria para activar estos transportadores, ya que la unión del grupo acetilo a la CoA se realiza mediante enlace tioéster (enlace rico en energía) y esta unión solo es posible gracias a la hidrólisis del ATP.  Estas moléculas transportadoras de grupos requieren la energía del enlace fosfoanhídrico para ser activadas y poder así transferir un grupo posteriormente, en una reacción favorable, a otra molécula....