EL HOMBRE COMO SISTEMA TERMODINÁMICO

SISTEMA TERMODINÁMICO

UNIVERSO SISTEMA ALREDEDORES

UNIVERSO ALREDEDORES SISTEMA

ABIERTOS Intercambian materia y energía con los alrededores AISLADOS SISTEMAS CERRADOS ABIERTOS Intercambian materia y energía con los alrededores

SISTEMA TERMODINÁMICO

Se ocupa del intercambio entre las distintas formas de energía TERMODINÁMICA Se ocupa del intercambio entre las distintas formas de energía

BIOENERGETICA Intercambios de energía de los seres vivos con su medio ambiente  Cambios de energía en las reacciones químicas y procesos fisicoquímicos de los seres vivos

SERES VIVOS Sistemas termodinámicos abiertos en estado estacionario Máquinas químicas que operan a T y P constantes

Analogía entre seres vivos y otras máquinas

SERES VIVOS Sistemas termodinámicos abiertos en estado estacionario Máquinas químicas que operan a T y P constantes

EQUILIBRIO QUÍMICO A B Las concentraciones se mantienen constantes en función del tiempo  No tienen posibilidad de efectuar trabajo

ESTADO ESTACIONARIO A B C  Las velocidades de producción y degradación se igualan  Tienen capacidad de realizar trabajo

ENERGÍA INCORPORACIÓN UTILIZACIÓN DEGRADACIÓN

ENERGÍA UTILIZACIÓN DEGRADACIÓN Energía solar Alimentos INCORPORACIÓN AUTOTROFOS HETEROTROFOS UTILIZACIÓN DEGRADACIÓN Aumento de ENTROPÍA CALOR DESECHOS

Otros : vitaminas, minerales NUTRIENTES Hidratos de carbono Proteínas Aportan energía Lípidos Otros : vitaminas, minerales

METABOLISMO Suma de todas las transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo Procesos en los cuales se obtiene y utiliza la energía

ESTUDIO DE PROCESOS DE COMBUSTIÓN OXIDACIONES BIOLOGICAS Glucosa + O2 CO2 + H2O + calor ESTUDIO DE PROCESOS DE COMBUSTIÓN cámaras calorimétricas Liberación de calor Consumo de O2 Liberación de CO2

Calor de combustión de compuestos orgánicos Calor liberado en organismos Calor de combustión (kJ/g) (kJ/g) Hidratos de carbono 17,6 17,1 C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O Grasas 39,7 38,3 C3H5O3(C4OH7)3 + 18.5 O2  15CO2 + 13 H2O Proteínas 17,1 23,8 2 C6H13O2N +14.5 O2  12 CO2 + 13 H2O + N2 C6H13O2N+ 7.5 O2  5.5 CO2 + 5.5 H2O + 0.5 CO2(NH2)2

CALOR DE COMBUSTION DE ALIMENTOS UTILIZACION DE LA ENERGIA METABOLISMO BASAL CALOR DE COMBUSTION DE ALIMENTOS TRABAJO MECANICO

METABOLISMO BASAL Energía necesaria para el desarrollo de las funciones vitales y el mantenimiento de la temperatura corporal. Condiciones para determinaciónFunciones reducidas al mínimo  reposo muscular (posición acostada)  ayuno previo de 12 h despierto y en reposo mental  condiciones ambientales que constituyan un microclima térmicamente neutro (20-24C para un individuo ligeramente vestido)

Producción de calor basal de diversas especies animales en relación a su peso corporal elefante caballo hombre perro ganso conejo rata paloma ratón

RELACION DEL METABOLISMO BASAL CON LA SUPERFICIE CORPORAL Metabolismo basal/día = S x 24 h x 167 kJ/m2 h

Producción calórica (J/h) Producción calórica total de un hombre de 70 kg en diversas condiciones de actividad Condición Producción calórica (J/h) Durmiendo 272 Acostado 322 De pie 439 Caminando lento 837 Caminando ligero 1255 Corriendo 2385 Escribiendo a máquina 586 Trabajando en carpintería 1004

DU = q + w Primera Ley de la Termodinámica En todo cambio la energía no se crea ni se destruye, se transforma. DU = q + w

El individuo mantiene su peso constante Energía de alimentos Calor Trabajo Energía química Calor, trabajo El individuo mantiene su peso constante

INGESTA: Análisis de los alimentos Contenido calórico (kJ/g) Total (kJ) 69 g proteínas 17,1 1180 76 g grasas 39,3 2987 300 g glúcidos 17,1 5130 9297 ENERGÍA LIBERADA: Calorimetría directa 9207 kJ/día

Crecimiento, embarazo Calor Trabajo Energía de alimentos Energía química Energía química de sustancias de reserva Crecimiento, embarazo

Pérdida de peso Energía de alimentos Calor Trabajo Energía química de sustancias de reserva Calor, Trabajo Pérdida de peso

Segunda Ley de la Termodinámica Todo proceso espontáneo resulta en un incremento neto de entropía, o desorden, del sistema más sus alrededores S= función entropía dS = dq/T DSu = DSs + DSalr

Organismo vivo Los organismos vivos presentan un alto grado de orden Nutrientes Organismo vivo Calor Aumento de Entropía Luz solar

Disminución de entropía Aumento de energía libre CRECIMIENTO Célula Disminución de entropía Aumento de energía libre Alrededores Aumento de entropía Disminución de energía libre Aumento de entropía Disminución de energía libre Universo

Energía libre constante ESTADO ESTACIONARIO Célula Entropía constante Energía libre constante Alrededores Aumento de entropía Disminución de energía libre Aumento de entropía Disminución de energía libre Universo

Disminución de energía libre DEGRADACION Célula Aumento de entropía Disminución de energía libre Alrededores Entropía constante Energía libre constante Aumento de entropía Disminución de energía libre Universo

Sistema cerrado Sistema abierto Evoluciona hacia el equilibrio Estado estacionario No mantiene la vida Mantiene la vida

REACCIONES DE DEGRADACIÓN CATABÓLICAS LIBERAN ENERGÍA REACCIONES DE SÍNTESIS ANABÓLICAS REQUIEREN ENERGÍA

? COMO HACEN LOS SERES VIVOS PARA LLEVAR A CABO REACCIONES ANABÓLICAS Y PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGÍA A TRAVES DE REACCIONES ACOPLADAS Elementos 1 Una reacción que libera energía 2 Una reacción que requiera energía 3 Un intermediario común

(Liberan energía libre) REACCIONES ENDERGÓNICAS REACCIONES ACOPLADAS REACCIONES EXERGÓNICAS (Liberan energía libre) REACCIONES ENDERGÓNICAS (Requieren energía libre) ATP TRANSPORTADOR DE ENERGíA DESDE LOS PROCESOS CELULARES PRODUCTORES DE ENERGíA A LOS PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGÍA

Utilización de la energía libre para realizar trabajo mecánico y químico

A + B C + D D + E F + G REACCIONES ACOPLADAS PARA QUE DOS REACCIONES PUEDAN ACOPLARSE ES NECESARIO QUE TENGAN UN INTERMEDIARIO COMUN A + B C + D D + E F + G

Fosforilación de la glucosa acoplada a la hidrólisis del ATP EJEMPLO Fosforilación de la glucosa acoplada a la hidrólisis del ATP DGº´(kJ mol-1) REACCION 1 ATP + H2O ADP + fosfato -30,9 Glucosa + fosfato Glucosa-6-P + H2O +16,7 REACCION 2 -14,2 ATP + glucosa Glucosa-6-P + ADP Una reacción que libere energía ( DG<O) REACCION 1 Elementos Una reacción que requiera energía (DG>O) REACCION 2 Un intermediario común fosfato

EFICIENCIA Eficiencia: energía producida rendimiento máximo NO TODA LA ENERGIA LIBERADA EN UNA REACCION EXERGONICA PUEDE SER UTILIZADA PARA REALIZAR UNA REACCION ENDERGONICA EFICIENCIA Eficiencia: energía producida rendimiento máximo

Perfil de energía libre en la respiración aeróbica

Eficiencia Eficiencia: energía producida x 100 rendimiento máximo C6H12O6 + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O DG°´ = -2868 kJ mol-1 38 ADP + 38 Pi 38 ATP DG°´ = +1160 kJ mol-1 Eficiencia: energía producida x 100 rendimiento máximo | +1160| kJ mol-1 | -2868| kJ mol-1 41% = =

El ATP como intermediario

Gracias