Las leyes energéticas y su importancia en los seres vivos

Todo ser viviente cumple una función en la tierra pero para ello requiere de materia prima para poder cumplir su labor sea cual sea. Es decir, para ello debe estar provisto de energía entiéndase por esta la materia prima de todo ser viviente para realizar una función en específica o bien para su correcto funcionamiento dentro de un área determinada. Por ejemplo para los seres humanos y los animales la energía la obtenemos mediante el metabolismo y el complejo proceso que realiza el cuerpo humano para procesar los alimentos contener en el cuerpo la materia hecha energía y desechar los residuos, al igual que los animales. En el caso de las plantas sucede algo muy similar pero de complejo sumario que es uno de los mayores descubrimientos hechos por el hombre en su ansiedad de descubrir el mundo que lo rodea. Este proceso de transformación de nutrientes absorbidos por las plantas a través de sus raíces recibe el nombre de FOTOSÍNTESIS. Es un complejo proceso en donde ciertos elementos como la luz del sol, juegan un papel imprescindible durante todo el transcurso del mismo y cabe destacar que este proceso ocurre en cuestiones de segundos. A pesar de ser complejo y corto, ocurre continuamente.

Bien mientras el estudio de la fotosíntesis sigue siendo un constante resurgir de ideas hay otro proceso o más bien leyes que rigen el comportamiento de la energía en un sistema y que de ello va a depender no solo eso sino también el trabajo que realiza un sistema durante la transmisión de energía con su entorno aunque no necesariamente se transfiere energía al medio, también se puede recibir sin retribuir. El ramo de la ciencia física que estudia estos cambios de energía es la termodinámica y cuyos principios son de irrelevante importancia suprema para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería debido a la descripción y relación de las propiedades y cambios de la materia así como sus intercambios energéticos Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.

Leyes de la termodinámica

Este principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental:

— pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema.

— pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez esta dentro del físico químico y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

Esta ley se expresa como: Eint = Q – W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) – Trabajo efectuado por el sistema (W).

Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema está en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, el volumen, temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.

Hay algunas preguntas importantes que no puede decir la primera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energía se conserva en todos los procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámica dependen de la segunda ley.

CICLO DE CALVIN BENSON

El Ciclo de Calvin (o de los tres carbonos) se desarrolla en estroma de los cloroplastos (¿donde ocurrirá en los procariotas?). El anhídrido carbónico es fijado en la molécula ribulosa 1,5 bifosfato (RuBP). La RuBP tiene 5 carbonos en su molécula. Seis moléculas de anhídrido carbónico entran en el Ciclo de Calvin y, eventualmente, producen una molécula de glucosa.

El primer producto estable del ciclo es el ácido 3- fosfoglicérico (PGA), molécula de tres carbonos. Globalmente 6 moléculas de RuBP (ribulosa bifosfato) se combinan con 6 de anhídrido carbónico y dan 12 de 3-fosfoglicérico. La enzima que cataliza esta reacción es la RuBP carboxilasa (la rubisco), posiblemente la proteína más abundante del mundo y se encuentra en la superficie de las membrana tilacoideas.
La energía del ATP y el NADPH generados por los fotosistemas se usan para «pegar» fosfatos (fosforilar) al 3-PGA y reducirlo a fosfogliceraldehido o PGAL, también de tres carbonos.

Del total de 12 moléculas transformadas, dos moléculas de 3-PGAL salen del ciclo para convertirse en glucosa. Las moléculas restantes de PGAL son convertidas por medio del ATP en 6 moléculas de RuBP (5 carbonos), que recomienzan el ciclo.
Recuerde la complejidad de los seres vivos, al igual que en el ciclo de Krebs cada reacción es catalizada por una enzima específica.

IMPORTANCIA DE LA FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la Biosfera por varios motivos:

 La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos.

 Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos.

 En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante.

 La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora.

 De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural.

 El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis.

Entonces se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.

RESPIRACIÓN

La respiración es un proceso catabólico en el que se oxida una molécula combustible, la glucosa, cuya energía es atrapada en forma de ATP (fuente universal de energía).
La respiración puede ser anaeróbica en ausencia del oxígeno (glucólisis) o aeróbica en presencia de oxígeno molecular.

La reacción general de oxidación de la glucosa es:

C6 H 12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O + 686 Kcal * mol-1 (1)

Esto significa que 180 g (1 mol) de glucosa es oxidada por 192 g (6moles) de oxígeno, con la formación de 264 g (6moles) de CO2, 108 g (6 moles) de agua y la liberación de 686 Kcal * mol-1 (2872 KJ * mol-1), ésta es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre (DGo) negativa, y representa la respiración aeróbica. Esto significa que por cada mol de oxígeno absorbido (32g.), se producen 114 Kcal de energía. De la ecuación (1) se deduce que la respiración se puede medir por la cantidad de oxígeno absorbido o de anhídrido carbónico liberado.

CICLO RESPIRATORIO

Las tres funciones básicas de la respiración son:

• Aportar oxígeno para las necesidades de energía del cuerpo.

• Eliminar el dióxido de carbono.

• Ayudar a mantener el pH del plasma sanguíneo.

La mecánica del ciclo respiratorio consiste en procesos alternados de inspiración y espiración. Durante la inspiración, los músculos esqueléticos como el diafragma e intercostales externos se contraen. Así, aumenta el volumen de la cavidad torácica, desciende la presión intrapleurla, y entra aire en los pulmones.

 Espiración: En una respiración en reposo, los músculos inspiratorios se relajan, causando que el volumen de la cavidad torácica y los pulmones se reduzcan. Esta reducción fuerza el aire a salir hacia la atmósfera. Normalmente la espiración es pasiva. Durante el ejercicio o espiración forzada (ejemplo, tos) la espiración se vuelve un evento activo y depende de la activación de los músculos espiratorios que bajan la caja torácica y comprimen los pulmones.

Una manera de determinar la actividad respiratoria es usando el neumógrafo que convierte la expansión y contracción del pecho en cambios de voltaje que aparecen como onda: aumento del voltaje = inspiración; disminución del voltaje = espiración. Otra forma de medir la respiración es colocando un transductor de temperatura cerca de la nariz. La temperatura del aire que entra en la nariz es frío durante la inspiración y caliente durante la espiración.

 Hiperventilación: El ritmo respiratorio y la profundidad aumenta, así que los pulmones se deshacen más rápidamente del dióxido de carbono de lo que se está produciendo. Los iones de hidrogeno son eliminados de los fluidos corporales y el pH se hace más elevado. Esto tiende a bajar la ventilación hasta que los niveles de dióxido de carbono e iones de hidrogeno se hacen normales.

 Hipoventilación (respiración baja o lenta): Se gana dióxido de carbono en los fluidos corporales (hipercapnia) ya que los pulmones fallan en remover el dióxido de carbono tan rápidamente como se está produciendo, disminuyendo el pH de la sangre. La retroalimentación de los quimiorreceptores causa que la ventilación aumente hasta que los niveles de dióxido de carbono y pH regresen a valores normales.

FASES DE LA RESPIRACIÓN

Comprende dos fases:

• PRIMERA FASE:

Se oxida la glucosa (azúcar) y no depende del oxígeno, por lo que recibe el nombre de respiración anaeróbica y glucólisis, reacción que se lleva a cabo en el citoplasma de la célula.

• SEGUNDA FASE:

Se realiza con la intervención del oxígeno y recibe el nombre de respiración aeróbica o el ciclo de krebs y se realiza en estructuras especiales de las células llamadas mitocondrias.

La respiración toma y consume este oxígeno liberando dióxido de carbono (y además agua). El oxígeno es necesario en los seres vivos aeróbicos para la respiración celular, y como un subproducto de este metabolismo de energía es que se desecha el CO2 (dióxido de carbono).

Si te fijas ambos procesos son parte de un ciclo necesario para la vida de plantas y animales, donde se complementan mutuamente. Se puede decir que ambos procesos son parte de una relación dinámica, macro ecológica.

CICLO DE KREBS

El ciclo de Krebs también conocido como ciclo del ácido cítrico es la vía común final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y las cadenas de carbono de los aminoácidos.

La primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos (ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico).

El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, en consecuencia se reducen otras moléculas: de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4 carbonos el ácido oxalacético.

El proceso completo puede describirse como un ciclo de oxalacético a oxalacético, donde dos átomos de carbono se adicionan como acetilo y dos átomos de carbono (pero no los mismos) se pierden como CO2.

IMPORTANCIA DE LA RESPIRACIÓN

La respiración es de vital importancia y es la que nos ayuda a entrar en un estado de relajación en el cual podremos visualizar mejor o imaginar mejor lo que queramos para nuestra vida y de ese modo crear la corriente de energía positiva para que esto se realice.

FERMENTACIÓN

Es un proceso natural que ocurre en determinados compuestos o elementos a partir de la acción de diferentes actores y que se podría simplificar como un proceso de oxidación incompleta. La fermentación es el proceso que se da en algunos alimentos tales como el pan, las bebidas alcohólicas, el yogurt, etc., y que tiene como agente principal a la levadura o a diferentes compuestos químicos que suplen su acción.
La fermentación es realizada por diferentes bacterias y microorganismos en medios anaeróbicos, es decir, en los que falta aire, por eso es un proceso de oxidación incompleta. Las bacterias o microorganismos, así como también las levaduras, se alimentan de algún tipo de componente natural y se multiplican, cambiando la composición del producto inicial. En el caso de las levaduras que se utilizan para hacer fermentar el pan, las mismas requieren de la presencia de azúcar o glucosa ya que es esta la que se convierte en su alimento y les permite crecer en tamaño. Lo mismo sucede con la fermentación alcohólica que da bebidas como el vino o la cerveza.