Termodinámica, bioenergética, biogénesis y mitocondria

Raquel Román David Roca Martín Ramírez

La termodinámica es la rama de la física que se dedica al estudio de las relaciones entre el calor y el resto de las formas de energía. En otras palabras, es la ciencia que estudia la transformación de la energía.

Equilibrio térmico , calor y cambio de temperatura •

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Toda sustancia por encima de los 0 kelvin emite calor. Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. El calor es el proceso que permite la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección.

Principios de la teoría cinética molecular Los principios fundamentales de la teoría cinética son los siguientes: •

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El número de moléculas es grande y la separación media entre ellas es grande comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumen despreciable en comparación con el volumen del envase y se consideran masas puntuales. Las moléculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se mueven en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero con una velocidad promedio que no cambia con el tiempo. Las moléculas realizan choques elásticos entre sí, por lo tanto se conserva tanto el momento lineal como la energía cinética de las moléculas. Las fuerzas entre moléculas son despreciables, excepto durante el choque. Se considera que las fuerzas eléctricas o nucleares entre las moléculas son de corto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas que surgen durante el choque.

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El gas es considerado puro, es decir todas las moléculas son idénticas.

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El gas se encuentra en equilibrio térmico con las paredes del envase.

Energía interna(u) •

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La magnitud que designa la energía almacenada por un sistema de partículas se denomina energía interna (U). La energía interna es el resultado de la contribución de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación, traslación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. Propiedades Térmicas:

1. La capacidad calorífica y calor específico 2. La dilatación térmica 3. La conductividad térmica 4. La refractariedad (Resistencia Térmica)

La capacidad calorífica y calor específico •

CAPACIDAD CALORÍFICA: La Capacidad Calorífica de una sustancia es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Está dada por la ecuación: C = Q/T [J/K]

Donde C es la capacidad calorífica, Q es el calor y T la variación de temperatura. •

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CALOR ESPECÍFICO: O capacidad calorífica específica, de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado. Calorímetro: Es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo.

La dilatación térmica •

Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. Hay 3 tipos:

1. Lineal:

2. Superficial:

3. Volumétrica:

La conductividad térmica •

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La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. La conductividad térmica es elevada en metales y en general en cuerpos continuos, es baja en polímeros, y muy baja en algunos materiales especiales como la fibra de vidrio, que se denominan por ello aislantes térmicos. Unidades en el sistema internacional: W/m K 1 W/m K=0,86 Kcal/m h ºC

La Refractariedad (Resistencia Térmica) •

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La resistencia térmica (R) es la capacidad de un material para resistir el paso de flujo de calor. También podemos definirla como la oposición al paso del calor que presenta una capa de cierto espesor (e) de un material aislante. Es inversamente proporcional a la conductividad térmica y aumenta con el espesor de material. Unidades en el sistema internacional: m2 K/W 1 m2 K/W=1,163 m2 h ºC/ Kcal.

Escalas Térmicas Escala Celsius o centígrada: Propuesta por el científico sueco Anders Celsius (1701-1744). Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, con lo cual fijó el valor del grado Celsius ( C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

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Escala Fahrenheit: Propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. Los puntos fijos son los de ebullición y fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuación:

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t( F) = (9/5) * t( C) + 32 ó t( C) = (5/9) * [t( F) - 32] °

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Su utilización se circunscribe a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la unificación de sistemas en la escala Celsius.

Escalas Térmicas •

Escala Kelvin o absoluta: En ámbito científico se usa la llamada escala "absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin. Es la escala escogida por el S.I. En ella el tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 C. Este punto es llamado cero absoluto de temperaturas . La relación con la escala Celsius viene dada por la ecuación: °

T(K) = t( C) + 273,15 ó t( C) = T(K) - 273,15 °

°

T(K) = (5/9) * [t( F) + 459,67] ó t( F) = (9/5) * T(K) - 459,67 °

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Escala Rankine: Se denomina Rankine (R) a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859. La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit. °

T(R) = t( F) + 459,67 ó t( F) = T(R) - 459,67 °

°

T(R) = (9/5) * [t( C) + 273,16] ó t( C) = (5/9) * [T(R) - 491,67] °

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Escalas Térmicas

Temperatura y Energía Cinética •

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A nivel microscópico la energía cinética promedio de las moléculas de un gas define su temperatura. De acuerdo con la ley de Maxwell-Boltzmann para un gas ideal clásico la relación entre la temperatura ( T ) de un gas y su energía cinética media es:

Energía interna de un gas ideal : Para el caso de un gas ideal puede demostrarse que la energía interna depende exclusivamente de la temperatura, por lo que la energía interna es sólo energía cinética, que depende sólo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule. La variación de energía interna de un gas ideal (monoatómico o diatómico) entre dos estados A y B se calcula mediante la expresión: •

Donde n es el número de moles y C v  la capacidad calorífica molar a volumen constante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin.

Comportamiento anómalo del agua •

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Cuando el agua cambia de estado líquido al sólido se comporta en forma inusual: en vez de contraerse o reducir su volumen, como el resto de los líquidos, se expande, es decir, las moléculas de agua se organizan en el espacio, conformando una estructura molecular abierta. Esto determina que el hielo sea menos denso que el agua líquida, y por lo tanto flote en el agua. A 0º C la densidad del agua líquida es de 0,9999 g/cm3 y la del hielo de 0,92 g/cm3, es decir, un centímetro cúbico de hielo pesa 0,92 gramos, un 8% menos que un centímetro cúbico de agua que pesaría prácticamente 1 gramo.

Sistema y Ambiente Un sistema es como un conjunto de materia, que está limitado por una superficie, que le pone el observador, real o imaginaria. Ponemos unos ejemplos: •

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Un sistema abierto: Existe un intercambio de masa y de energía con los alrededores; es por ejemplo, un coche. Un sistema cerrado: No existe un intercambio de masa con el medio, sólo se puede dar un intercambio de energía; un reloj de cuerda. Un sistema aislado: No existe el intercambio ni de masa y energía con los alrededores. Un termo lleno de comida caliente es una aproximación. El universo es un sistema aislado, ya que la variación de energía es cero

Medio externo: Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no está en el sistema pero que puede influir en él. Por ejemplo, consideremos un sistema formado por la taza y el agua, entonces el medio está formado por el mechero, el aire, etc.

Procesos Termodinámicos •

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En física, se denomina así a la evolución de determinadas magnitudes propiamente termodinámicas relativas a un determinado sistema físico. Desde el punto de vista de la termodinámica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estado de equilibrio inicial a otro final. De una manera menos abstracta, un proceso termodinámico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la d esestabilización del sistema. Foco térmico: Un foco térmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sin cambiar su temperatura. Contacto térmico: Se dice que dos sistema están en contacto térmico cuando puede haber transferencia de calor de un sistema a o tro.

Variables termodinámicas:

Leyes de la Termodinámica •

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El principio cero de la termodinámica es una ley fenomenológica para sistemas que se encuentran en equilibrio térmico. Fue formulado por primera vez por Ralph H. Fowler. Constituye una gran importancia experimental, pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema, pero no lo es tanto para la propia estructura de la teoría termodinámica. El principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica , que es común para todos los estados de equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Leyes de la Termodinámica •

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Primera Ley: También conocida como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Fue propuesta por Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, en su obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar esta potencia , en la que expuso los dos primeros principios de la termodinámica. Se resume en: “La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma” 

Procesos Termodinámicos Básicos Tipos de procesos •

Isotérmico: proceso a temperatura constante.

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Isobárico: proceso a presión constante.

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Isométrico o isocórico: proceso a volumen constante.

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Isentálpico: proceso a entalpía constante.

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Isentrópico: proceso a entropía constante.

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Adiabático: proceso en el que no hay intercambio de calor con su entorno. Diatermo: Proceso en el que hay intercambio de calor con su entorno.

Leyes de la Termodinámica •

La segunda ley de la termodinámica, expresa que:

“La •

cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tie mpo.”

La Entropía: (simbolizada como S) Es una magnitud física que permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre en 1850; y Ludwig Boltzmann, quien encontró la manera de expresar matemáticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad. Es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo. •

Segunda ley de la Termodinámica •

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Enunciado de Clausius: «No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada». Enunciado de Kelvin: No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente, y lo convierta íntegramente en trabajo. Enunciado de Kelvin—Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito, y la realización de una cantidad igual de trabajo

La bioenergética es la parte de la biología muy relacionada con la física, que se encarga del estudio de los procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. Un objetivo general de la Bioenergética, es predecir si ciertos procesos son posibles o no; en general, la cinética cuantifica qué tan rápido ocurre la reacción química.

Metabolismo •

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Es el conjunto de cambio de sustancias y transformaciones de energía que tiene lugar en los seres vivos. Es el conjunto de transformaciones que experimenta la materia externa desde su absorción o adición al citoplasma, hasta su eliminación del mismo. Tiene 2 Fases: •

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Anabolismo: Consiste en la síntesis de componentes celulares a partir de precursores de baja masa molecular. Catabolismo: consiste en la transformación de biomoléculas complejas en moléculas sencillas y en el almacenamiento adecuado de la energía química desprendida en forma de enlaces de fosfato y de moléculas de adenosín trifosfato.

Energía (libre) de Gibbs •

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O entalpía libre es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). Sirve para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta sólo las variables del sistema. Se define como:

Para un proceso a temperatura y presión constante:

La biogénesis tiene dos significados. Por un lado es el proceso de los seres vivos que produce otros seres vivos. Ejemplo, una araña pone huevos, lo cual produce más arañas. Un segundo significado fue dado por el sacerdote jesuita, científico y filósofo francés Pierre Teilhard de Chardin par a significar de por sí el origen de la vida.

Louis Pasteur (1822-1895) •

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En la segunda mitad del siglo XIX, Louis Pasteur realizó una serie de experimentos que probaron definitivamente que también los microbios se originaban a partir de otros microrganismos. Utilizó dos frascos de cuello de cisne. En cada uno de ellos metió cantidades iguales de caldo nutritivo y los hizo hervir para poder eliminar los posibles microrganismos presentes. Pasado un tiempo observó que ninguno de los caldos presentaba señal alguna de la presencia de algún microrganismo y cortó el tubo de uno de los matraces. El matraz abierto tardó poco en descomponerse, mientras que el cerrado permaneció en su estado inicial. Pasteur demostró así que los microrganismos tampoco provenían de la generación espontánea.

Teoría de la Biogénesis •

Postulada por Francesco Redi.

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Postulados de la Teoría •

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La biogénesis es aquella teoría en la que la vida solamente se origina de una vida preexistente. Todos los organismos visibles surgen sólo de gérmenes del mismo tipo y nunca de materia inorgánica. Si la vida alguna vez se originó de materia inorgánica, tuvo que aparecer en la forma de una célula organizada, ya que la investigación científica ha establecido a la célula como la unidad más simple y pequeña de vida independiente visible.

Teoría de la Generación Espontánea Es una antigua teoría biológica de abiogénesis que defiende que podía surgir vida compleja, de manera espontánea a partir de la materia inorgánica. La generación espontánea antiguamente era una creencia profundamente arraigada descrita por Aristóteles. La observación superficial indicaba que surgían gusanos del fango, moscas de la carne podrida, organismos de los lugares húmedos, etc. Así, la idea de que la vida se estaba originando continuamente a partir de esos restos de materia orgánica se estableció como lugar común en la ciencia. Fueron Francesco Redi (1668), Spallanzani (1769) y finalmente, Louis Pasteur (siglo XIX) quienes refutaron y dieron fin a la teoría de la generación espontánea.

La mitocondria es un orgánulo de gran tamaño cuya función principal es la respiración celular aeróbica. Sólo se encuentra en células eucariotas. Es el único orgánulo, junto con cloroplastos de células vegetales, que presenta un sistema genético propio. Mutaciones en el ADN mitocondrial producen múltiples enfermedades

Teoría de la Endosimbiosis •

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La teoría endosimbiótica describe el paso de las células procariotas (bacterias o arqueas, no nucleadas) a las células eucariotas (células nucleadas constituyentes de todos los pluricelulares) mediante incorporaciones simbiogenéticas. Fue propuesta por Lynn Margulis (segunda mitad del siglo XX).

Teoría de la Endosimbiosis •

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Primera incorporación simbiogenética: Una bacteria consumidora de azufre (arquea fermentadora o termoacidófila), se habría fusionado con una bacteria nadadora (espiroqueta). El resultado sería el primer eucarionte (unicelular eucariota) y ancestro único de todos los pluricelulares. El núcleoplasma de la células de animales, plantas y hongos sería el resultado de la unión de estas dos bacterias. Segunda incorporación simbiogenética: Este nuevo organismo todavía era anaeróbico. Una nueva incorporación dotaría a este primigenio eucarionte de la capacidad para metabolizar oxigeno. Este nuevo endosombionte, se convertiría en las actuales mitocondrias y peroxisomas presentes en las células eucariotas de los pluricelulares, posibilitando su éxito en un medio rico en oxígeno. Los animales y hongos somos el resultado de esta segunda incorporación. Tercera incorporación simbiogenética: Esta tercera incorporación originó el Reino vegetal, Estos nuevos pluricelulares, las plantas, con su éxito, contribuyeron y contribuyen al éxito de animales y hongos.

Estructura

Función Biológica •

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A la mitocondria, se le considera la central energética de las células, ahí se lleva a cabo el metabolismo oxidativo de los eucariontes: actividades de piruvato deshidrogenasa, enzimas del ciclo del ácido cítrico, oxidación de los ácidos grasos y las enzimas y proteínas redox que llevan a cabo el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. La principal función de las mitocondrias es la oxidación de metabolitos (ciclo de Krebs, beta-oxidación de ácidos grasos) y la obtención de ATP mediante la fosforilación oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por la célula.

ADN Mitocondrial y Homo Sapiens •

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El ADN mitocondrial es independiente del ADN nuclear. Es hereditario únicamente por la madre, ya que al ser independiente del ADN nuclear, el espermatozoide no aporta un ADN mitocondrial y aunque lo hiciese, este es degradado. Gracias a este ADN es casi posible predeterminar el origen del hombre. Luego de estudios se dio lugar a la TEORÍA DEL ORIGEN COMÚN, que dice que los humanos modernos se originaron en África hace 200.000250.000 años, comenzando a emigrar de ese continente desde hace 100.000 y 60.000 años. Las especies que habitaban ya fuera de África (Homo erectus y Neanderthal), también tuvieron su origen común africano, seguramente del Homo ergaster. Luego los remplazó el Homo Sapiens.