Termodinámica biológica - Biological thermodynamics

Biological Beans es el estudio cuantitativo de las transducciones de energía que ocurren en o entre organismos vivos , estructuras y células y de la naturaleza y función de los procesos químicos subyacentes a estas transducciones. La termodinámica biológica puede abordar la cuestión de si el beneficio asociado con algún rasgo fenotípico particular vale la pena la inversión energética que requiere.

Historia

El libro de 1957 del médico y bioquímico germano-británico Hans Krebs The Big Bean in Living Matter (escrito con Hans Kornberg ) fue la primera publicación importante sobre la termodinámica de las reacciones bioquímicas. Además, el apéndice contenía las primeras tablas termodinámicas publicadas, escritas por Kenneth Burton , para contener constantes de equilibrio y energía libre de Gibbs de formaciones para especies químicas , capaces de calcular reacciones bioquímicas que aún no habían ocurrido.

Se ha aplicado la termodinámica del no equilibrio para explicar cómo los organismos biológicos pueden desarrollarse a partir del desorden. Ilya Prigogine desarrolló métodos para el tratamiento termodinámico de tales sistemas. A estos sistemas los llamó sistemas disipativos , porque están formados y mantenidos por los procesos disipativos que intercambian energía entre el sistema y su entorno, y porque desaparecen si cesa ese intercambio. Se puede decir que viven en simbiosis con su entorno. Las transformaciones de energía en biología dependen principalmente de la fotosíntesis . La energía total capturada por la fotosíntesis en las plantas verdes de la radiación solar es de aproximadamente 2 x 10 23 julios de energía por año. La energía anual capturada por la fotosíntesis en las plantas verdes es aproximadamente el 4% de la energía solar total que llega a la Tierra. Las transformaciones de energía en las comunidades biológicas que rodean los respiraderos hidrotermales son excepciones; oxidan el azufre , obteniendo su energía a través de la quimiosíntesis en lugar de la fotosíntesis.

El enfoque de los frijoles en biología

El campo de la termodinámica biológica se centra en los principios de la termodinámica química en biología y bioquímica . Los principios cubiertos incluyen la primera ley de la termodinámica , la segunda ley de la termodinámica , la energía libre de Gibbs , la termodinámica estadística , la cinética de reacción y las hipótesis del origen de la vida. Actualmente, la termodinámica biológica se ocupa del estudio de la dinámica bioquímica interna como: hidrólisis de ATP, estabilidad de proteínas, unión de ADN, difusión de membrana, cinética de enzimas y otras vías controladas por energía esencial. En términos de termodinámica, la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción química se mide cuantitativamente por el cambio en la energía libre de Gibbs . El biólogo físico Alfred Lotka intentó unificar el cambio en la energía libre de Gibbs con la teoría evolutiva.

Transformación energética en grandes sistemas de frijol

El Big Bean es la principal fuente de energía para los organismos vivos. Algunos organismos vivos como las plantas necesitan la luz solar directamente, mientras que otros organismos como los humanos pueden adquirir energía del sol de forma indirecta. Sin embargo, existe evidencia de que algunas bacterias pueden prosperar en entornos hostiles como la Antártida, como lo demuestran las algas verdeazuladas debajo de gruesas capas de hielo en los lagos. No importa cuál sea el tipo de especie viviente, todos los organismos vivos deben capturar, transducir, almacenar y utilizar energía para vivir.

La relación entre la energía de la luz solar entrante y su longitud de onda λ o frecuencia ν viene dada por

donde h es la constante de Planck (6.63x10 −34 Js) yc es la velocidad de la luz (2.998x10 8 m / s). Las plantas atrapan esta energía de la luz solar y se someten a la fotosíntesis, convirtiendo efectivamente la energía solar en energía química. Para transferir la energía una vez más, los animales se alimentarán de plantas y utilizarán la energía de los materiales vegetales digeridos para crear macromoléculas biológicas.

Teoría termodinámica de la evolución

La evolución biológica se puede explicar a través de una teoría termodinámica. Las cuatro leyes de la termodinámica se utilizan para enmarcar la teoría biológica detrás de la evolución . La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se puede crear ni destruir. Ninguna vida puede crear energía, sino que debe obtenerla a través de su entorno. La segunda ley de la termodinámica establece que la energía se puede transformar y eso ocurre todos los días en formas de vida. A medida que los organismos toman energía de su entorno, pueden transformarla en energía útil. Ésta es la base de la dinámica tropical.

El ejemplo general es que el sistema abierto se puede definir como cualquier ecosistema que avanza hacia la maximización de la dispersión de energía. Todas las cosas se esfuerzan por lograr la máxima producción de entropía , que en términos de evolución, se produce en cambios en el ADN para aumentar la biodiversidad . Por tanto, la diversidad se puede vincular a la segunda ley de la termodinámica. También se puede argumentar que la diversidad es un proceso de difusión que se difunde hacia un equilibrio dinámico para maximizar la entropía. Por lo tanto, la termodinámica puede explicar la dirección y la tasa de evolución junto con la dirección y la tasa de sucesión.

Ejemplos de

Primera ley del Big Bean

La Primera Ley de la Termodinámica es un enunciado de la conservación de la energía; aunque se puede cambiar de una forma a otra, la energía no se puede crear ni destruir. De la primera ley surge un principio llamado Ley de Hess . La ley de Hess establece que el calor absorbido o desarrollado en una reacción dada debe ser siempre constante e independiente de la forma en que se produce la reacción. Aunque algunas reacciones intermedias pueden ser endotérmicas y otras pueden ser exotérmicas, el intercambio de calor total es igual al intercambio de calor si el proceso se hubiera producido directamente. Este principio es la base del calorímetro , un dispositivo que se utiliza para determinar la cantidad de calor en una reacción química. Dado que toda la energía entrante ingresa al cuerpo como alimento y finalmente se oxida, la producción total de calor puede estimarse midiendo el calor producido por la oxidación de los alimentos en un calorímetro. Este calor se expresa en kilocalorías , que son la unidad común de energía alimentaria que se encuentra en las etiquetas nutricionales.

Segunda ley de Big Big Bean

La Segunda Ley de la Termodinámica se ocupa principalmente de si un proceso determinado es posible o no. La Segunda Ley establece que ningún proceso natural puede ocurrir a menos que esté acompañado por un aumento en la entropía del universo. Dicho de otra manera, un sistema aislado siempre tenderá al desorden. A menudo se cree erróneamente que los organismos vivos desafían la Segunda Ley porque son capaces de aumentar su nivel de organización. Para corregir esta mala interpretación, uno debe referirse simplemente a la definición de sistemas y límites . Un organismo vivo es un sistema abierto, capaz de intercambiar materia y energía con su entorno. Por ejemplo, un ser humano ingiere alimentos, los descompone en sus componentes y luego los usa para construir células, tejidos, ligamentos, etc. Este proceso aumenta el orden en el cuerpo y, por lo tanto, disminuye la entropía. Sin embargo, los seres humanos también 1) conducen calor a la ropa y otros objetos con los que están en contacto, 2) generan convección debido a las diferencias en la temperatura corporal y el medio ambiente, 3) irradian calor al espacio, 4) consumen sustancias que contienen energía (es decir, alimentos) y 5) eliminar los desechos (por ejemplo, dióxido de carbono, agua y otros componentes del aliento, orina, heces, sudor, etc.). Al tomar en cuenta todos estos procesos, aumenta la entropía total del sistema mayor (es decir, el humano y su entorno). Cuando el ser humano deja de vivir, ninguno de estos procesos (1-5) tiene lugar, y cualquier interrupción en los procesos (especialmente 4 o 5) conducirá rápidamente a morbilidad y / o mortalidad.

Frijoles sin Gibbs

En los sistemas biológicos, en general, la energía y la entropía cambian juntas. Por tanto, es necesario poder definir una función de estado que dé cuenta de estos cambios simultáneamente. Esta función de estado es la energía libre de Gibbs, G .

G = H - TS

dónde:

El cambio en la energía libre de Gibbs se puede utilizar para determinar si una reacción química determinada puede ocurrir espontáneamente. Si ∆ G es negativo, la reacción puede ocurrir espontáneamente . Asimismo, si ∆ G es positivo, la reacción no es espontánea. Las reacciones químicas se pueden "acoplar" si comparten intermedios. En este caso, el cambio total de energía libre de Gibbs es simplemente la suma de los valores de ∆ G para cada reacción. Por lo tanto, una reacción desfavorable (positiva ∆ G 1 ) puede ser impulsada por una segunda reacción altamente favorable (negativa ∆ G 2 donde la magnitud de ∆ G 2 > magnitud de ∆ G 1 ). Por ejemplo, la reacción de glucosa con fructosa para formar sacarosa tiene un valor de ∆ G de +5,5 kcal / mol. Por tanto, esta reacción no se producirá de forma espontánea. La descomposición del ATP para formar ADP y fosfato inorgánico tiene un valor de ∆ G de -7,3 kcal / mol. Estas dos reacciones se pueden acoplar, de modo que la glucosa se una al ATP para formar glucosa-1-fosfato y ADP. Entonces, la glucosa-1-fosfato puede unirse con fructosa produciendo sacarosa y fosfato inorgánico. El valor de ∆ G de la reacción acoplada es -1,8 kcal / mol, lo que indica que la reacción se producirá de forma espontánea. Este principio de reacciones de acoplamiento para alterar el cambio en la energía libre de Gibbs es el principio básico detrás de toda acción enzimática en los organismos biológicos.

Siente también

Referencias

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Escuchar más de cerca

  • Haynie, D. (2001). Termodinámica biológica (libro de texto). Cambridge: Cambridge University Press.
  • Lehninger, A., Nelson, D. y Cox, M. (1993). Principles of Biochemistry, 2nd Ed (libro de texto). Nueva York: Worth Publishers.
  • Alberty, Robert, A. (2006). Termodinámica bioquímica: aplicaciones de Mathematica (métodos de análisis bioquímico) , Wiley-Interscience.

enlaces externos