Termodinámica

Rama de la física que estudia sistemas, describe los estados de

equilibrio
 Estados de equilibrio
• Se definen por magnitudes extensivas, magnitudes
no-extensivas y otras magnitudes:

• Energía interna, entropía, volumen o la composición

molar del sistema.
• Temperatura, presión, potencial químico
• Imanación, fuerza electromotriz y mecánica
de los medios continuos
Descripción macroscópica
• Cualquier cantidad de materia o radiación lo
suficientemente grande como para ser descrito por
parámetros macroscópicos (sin referencia a sus
componentes individuales)
• Se define entonces un sistema, donde se describe el
contorno (los límites), y de las interacciones que este
permite con el entorno (restricciones).
• Los contornos pueden permitir el paso de materia y
energía.
Sistema (termodinámica)
• Un sistema está sometido a restricciones y contornos, por
lo que los estados de equilibrio de ese sistema son
necesariamente coherentes con lo anterior.

• Evolución del sistema: cambio de restricciones = otro

estado de equilibrio
¿Cómo funciona la termodinámica?
• Compara los dos estados de equilibrio.

• Se estudian procesos de:

1. Intercambio de masa
2. Energía térmica
Sistema aislado
• No intercambia energía ni masa con su entorno.
Sistema cerrado
• Sólo puede intercambiar energía.
Sistema abierto
• Puede intercambiar materia y energía.
 Sistema móvil / rígido
• Las paredes permiten (o no) transferir energía en forma de trabajo mecánico.
Sistema diatérmico
• Transferencia de calor sin trabajo.
Sistema adiabático
• No hay transferencia de calor por las paredes.
Otros…

• Sistemas
en contacto térmico, permeables,
en contacto difusivo, homogéneo,
inhomogeneo etc…
Parámetros termodinámicos
• Variables que describen el macroestado del
sistema.
• Losmacroestados se pueden describir en
términos de un pequeño número de variables de
estado.
• Ej:
macroestado de un gas: masa, presión y
volumen lo describen totalmente
Variables
• Variables intensivas: independientes de la
masa

• Variables extensivas: proporcionales a la

masa
 Equilibrio termodinámico

Variables de estado  constantes a escala macroscópica.

• Los contornos pueden ser arbitrarios, pero la termodinámica sigue siendo válida.
 Primera ley
• Principio de conservación de la energía

• Trabajo sobre un sistema o intercambio de calor con otro,

la energía interna del sistema cambiará.

• Define el calor como la energía necesaria que debe

intercambiar el sistema para compensar las diferencias
entre trabajo y energía interna
Segunda ley
• Dirección de los procesos termodinámicos
• Imposibilidad de que ocurran en el sentido
contrario
• Elsentido de evolución de los procesos
reales es único ya que son irreversibles
Segunda ley
• Aumento de una magnitud física  S
•S = la entropía del sistema termodinámico
 También..
• Imposibilidadde convertir completamente toda la
energía de un tipo a otro sin pérdidas.

• Seimponen restricciones para las transferencias

de energía que hipotéticamente pudieran llevarse
a cabo teniendo en cuenta solo el primer
principio.
 Tercera ley
• La mayor parte de la termodinámica no requiere la
utilización de este postulado.
• El postulado de Nernst,
• Es imposible alcanzar una temperatura igual al cero
absoluto (?)
• Mediante un número finito de procesos
físicos.
Entonces…
•Amedida que un sistema X se aproxima al cero
absoluto  S tiende a un valor constante
específico
•Sde los sólidos cristalinos puros puede
considerarse cero bajo temperaturas iguales al
cero absoluto.
Resumen
• La primera ley de termodinámica habla
sobre la conservación de la energía entre
los procesos, mientras que la segunda ley
de la termodinámica trata sobre la
direccionalidad de los procesos, es decir, de
menor a mayor entropía (en el universo en
general).
En Biología?
¿Acaso un ser vivo no es un conjunto
de materia bastante ordenado?

• Para
que un proceso se lleve a cabo, de algún
modo debe aumentar la entropía del universo.
• Cada célula del sistema tiene su propia
organización interna; las células se organizan en
tejidos y los tejidos en órganos; y todo el sistema
sostiene un cuidadoso sistema de transporte e
intercambio que mantiene la vida.
Segunda ley

• Metabolismo
• Grandesy complejas biomoléculas se
convierten en muchas pequeñas
moléculas simples
Intercambios de energía
• Ej.:
Contraer los músculos de las piernas  uso de energía
química de moléculas complejas, se convierten a energía
cinética (también energía potencial)
Eficiencia???
Gran parte de la energía se transforma en calor.
Parte del calor mantiene tu cuerpo caliente, pero gran
parte se disipa en el ambiente circundante.
Esta transferencia de calor
aumenta la entropía del
entorno
Entropía en sistemas vivos
• Procesos disminuyen localmente la entropía: organización
cuerpos de los seres vivos.
• Disminución local de la entropía puede ocurrir solamente
con un gasto de energía = Calor
• Eneto de la disminución local de la entropía y del
aumento en el entorno de la entropía es:
Un incremento global en la entropía del universo
El alto grado de organización
de los seres vivos se mantiene
gracias a un suministro
constante de energía y se
compensa con un aumento en
la entropía del entorno.
Termodinámica Biológica

Estudio de la dinámica bioquímica interna como:

hidrólisis de ATP, estabilidad de proteínas, unión
de ADN, difusión de membrana, cinética de
enzimas, etc…
Tipos de Energía
1. Energía Cinética (movimiento): Movimiento de la
masa o de las partículas

 La luz (movimiento de fotones)

 El calor (movimiento de moléculas)
 La electricidad
(movimiento de electrones)
 El movimiento de objetos
2. Energía Potencial (almacenada):

Es la capacidad de hacer trabajo en virtud de la posición o estado de una

masa o partícula.
• E. Química
• E. Eléctrica
• E. de Posición
Flujo de la Energía
Depende de:
• Cantidad de E inicialmente disponible
• Utilidad de la E
• Serige por la leyes de la
Termodinámica
 Pérdidas energéticas

• Nunca es 100% eficiente.

• En forma de luz y calor.
• Elcalor no puede ser
almacenado en las células o en
ninguna parte de los seres
vivos.
Fuentes de energía para la vida

99%
 Autótrofos
Fotosintetizadores Herbívoro
Consumidor 1º

Depredador
Depredador Consumidor 3º o 4º
Consumidor 2º o 3º
Insectívoro
Herbívoro
Consumidor 2º
Consumidor 1º

Hongos
Bacterias Descomponedores
Descomponedoras
Elementos Básicos
 Reacciones endergónicas o no
espontáneas
• Para que se lleven a cabo requieren de energía
proveniente del exterior.

Los productos tienen

más E que los reactivos,
los reactivos necesitan E
para llevar a cabo la
reacción
 Reacciones exergónicas o espontáneas

• Ocurren sin ninguna intervención externa

• Generan energía libre (disponible para hacer trabajo)

Reactivos tienen más

E que los productos,
se forman productos y
se libera E
Seres vivos
• Las formas de vida son sistemas altamente organizados
que requieren mucha energía para mantenerse, o sea es
una lucha constante contra la entropía según la segunda
ley de termodinámica.
• La mayoría de las reacciones en
seres vivos son endergónicas….
Las células compensan su pérdida
continua de energía empleando
fuentes de energía externas.
Reacciones Acopladas
• Sistemas vivientes utilizan
reacciones exergónicas
(proporcionan energía) para
impulsar las reacciones
endergónicas (requieren
energía).
• Ambas ocurren en lugares
distintos y la energía se
transfiere mediante
moléculas portadoras de
energía, como el ATP.
Metabolismo
• Lainfinidad de reacciones químicas que ocurren dentro
de las células, les permite crecer, moverse, mantenerse
y autorrepararse, reproducirse y reaccionar a los
estímulos.
Funciones
• La digestión de los nutrientes de los alimentos permite:
 Obtener energía química de uso inmediato (carbohidratos)
 Generar reservas energéticas (carbohidratos y lípidos)
• La construcción de biocompuestos y estructuras propias:
 Lípidos, proteínas, carbohidratos, enzimas, ADN, etc.
 Crecimiento: Construir y renovar estructuras (células, tejidos,
órganos, etc.).
• La eliminación de residuos tóxicos producidos por la actividad
celular
 Ácidos
 Peróxido de hidrógeno
• La reproducción del organismo
• Mamíferos y aves la regulación de la temperatura del organismo.
 Anabolismo
• Síntesis o formación de biomoléculas más complejas a
partir de otras moléculas más sencillas, con requerimiento
de energía.

Biosíntesis
Catabolismo
• Transformación de biomoléculas complejas en moléculas
sencillas, para obtener energía en forma de ATP.

Degradación
Paso de Energía en Sistemas Vivientes

• Reacciones acopladas no
necesitan ocurrir en el mismo
lugar para trabajar juntas
• La energía viaja por medio de
moléculas transportadoras
• El ATP es la principal
molécula transportadora.
• Otras: Flavín adenín
dinucleótido y
Nicotinamida adenina
dinucleótido
Adenosín Trifosfato
• Es un nucleótido que está formado por una base nitrogenada
(adenina), unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la
ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos
fosfato.
• Su fórmula es C10 H16 N5 O13 P3.
 ¿Cómo produce energía el ATP?
• Rompiéndose el enlace fosfato
• En los procesos reductivos se libera energía, cual es
utilizada para el metabolismo:

ATP ---------------------> ADP + Pi (ΔG = -7.7 kcal/mol)

Enzimas
 Barreras energéticas
• Una taza de glucosa aún en condiciones favorables de O 2 tardaría muchos años para
transformarse espontáneamente en H 2O y CO2.
 Energía de Activación
Las reacciones químicas no ocurren espontáneamente  E inicial para
comenzar

• El combustible y el comburente no producen fuego, es necesario un

primer aporte de energía (calor) para iniciar la combustión autosostenida.

• E de activación  E cinética mínima que necesita un sistema

para poder iniciar un determinado proceso o reacción.
 Enzimas

• Son biocatalizadores de naturaleza

proteica, que aceleran la velocidad de una
reacción química al bajar la energía de
activación necesaria para que esta ocurra.
• Todas las reacciones del metabolismo
celular se realizan gracias a la acción de
catalizadores o enzimas
Las Enzimas…
• Acelerande cientos a millones de veces la
velocidad una reacción.
• Lasenzimas no se modifican o se pierden
cuando intervienen en una reacción.
• Elmismo tipo de enzima cataliza hacia la
derecha y hacia la izquierda cuando es
reversible.
• Laenzimas tienen sustratos específicos, son
selectivas.
Enzimas selectivas
 Su selectividad determina cuáles son los procesos
químicos que se llevan a cabo en una célula.
 Cada enzima posee una forma tridimensional única, y
dicha forma determina la especificidad de esa enzima.
Sustrato - enzima (centro activo)
 Reactivos
• Se denominan sustratos
• Se unen al sitio activo: tiene uno o varios sitios
activos, donde se forma el complejo de transición
(reacción reversible), enzima – sustrato.
• Cuando se forman los productos de la reacción,
enzima se regenera de nuevo y queda libre para
volver a combinarse con otra molécula de
sustrato.
• Unaenzima puede actuar sobre millones de
moléculas de sustrato.
 Enzima
Sitio Sustrato “S”
(sacarasa)
activo (sacarosa)

Glucosa Fructosa 1

4
Enzima “E” disponible
Productos con sitio activo
son vacío
liberados

2
Sustrato
Convertido en
Sustrato se
Productos “P”
une a enzima
Complejo “E-S”
 Inhibidores

Reversibles Irreversibles

Enlace covalente
inactiva
Competitivos posibilidad de
interactuar con
el sustrato
No
competitivos
 • Ciertospesticidas son tóxicos para los insectos porque
inhiben irreversiblemente ciertas enzimas claves en el
sistema nervioso.

Muchos antibióticos inhiben enzimas que son

esenciales para la supervivencia de las bacterias que
causan enfermedades

Penicilina inhibe a una enzima que las bacterias

usan para construir sus paredes celulares
Factores de actividad:
Temperatura
• Las enzimas son desactivadas por las altas temperaturas
(50 a 60 °C)  Se desnaturalizan.
• Las reacciones ocurren muy lento o se suspenden a bajas
temperaturas.
 pH

• Un pH alto o bajo se puede producir la desnaturalización de la

enzima y en consecuencia su inactivación
 Cofactores o Activadores
• Muchas enzimas requieren cofactores no proteicos para realizar sus
actividades:
 Muchos cofactores son moléculas orgánicas (ARN) llamadas coenzimas
 Otros son sustancias inorgánicas: iones de zinc, hierro, magnesio, manganeso,
cobre
 Grupos enzimáticos, funciones y ejemplos
Grupo Acción ejemplos
1. Oxidoreductasas Catalizan reacciones de oxidorreducción. Tras la acción Dehidrogenasas
catálica quedan modificados en su grado de oxidación por lo Aminooxidasa
que debe ser transformados antes de volver a actuar de Deaminasas
nuevo. Catalasas
2. Transferasas Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertas Transaldolasas
moléculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar en Transcetolasas
procesos de interconversiones de azucares, de aminoácidos, Transaminasas
etc
3. Hidrolasas Verifican reacciones de hidrólisis con la consiguiente Glucosidasas
obtención de monómeros a partir de polímeros. Suele ser de Lipasas
tipo digestivo, por lo que normalmente actúan en primer lugar Peptidasas
Esterasas
Fosfatasas
4. Isomerasas Actúan sobre determinadas moléculas obteniendo de ellas sus Isomerasas de azúcar
isómeros de función o de posición. Suelen actuar en procesos Epimerasas
de interconversion Mutasas
5. Liasas Realizan la degradación o síntesis (entonces se llaman Aldolasas
sintetasas) de los enlaces denominados fuertes sin ir Decarboxilasas
acoplados a sustancias de alto valor energético.
6. Ligasas Realizan la degradación o síntesis de los enlaces fuertes Carboxilasas
mediante el acoplamiento a sustancias ricas en energía como Peptidosintetasas
los nucleosidos del ATP