Autor: @madridbg, a través de Power Point 2010, utilizando imágenes de dominio público.
Bienvenido a todo aquellos lectores de la plataforma #Hive, que comparten la misma pasión sobre los contenidos de carácter científico orientados a los principios químicos como idea central de los fenómeno que forman nuestra cotidianidad. Esta entrega, está dirigida aquellos lectores que hacen vida en las comunidades #Stemsocial, #stem-espanol y #cervantes, quienes a diario promueven y apoyan temáticas de índole científico. Por consiguiente, la publicación hace referencia al uso del adenosin trifosfato (ATP) como monedad de intercambio en los diferentes proceso metabólico de nuestro cuerpo, así como los principios químicos presente en tal actividad.
INTRODUCCIÓN
A nivel metabólico se llevan a cabo muchas reacciones químicas, algunas catalizadas por enzimas, otras quizás no, por lo que el ser humano en su totalidad podemos denominarlo como una reacción ambulante, debido a que todo nuestro sistema, funciona usando como moneda energética las moléculas de adenosin trifosfato (ATP), la cual se comporta como materia prima o principal fuente de energía de nuestro cuerpo, necesaria para que se lleven a cabo el desarrollo de las diferentes funciones del organismo.
Químicamente la molécula de ATP, almacena toda la energía necesaria a través de los electrones de los grupos grupo fosfato y participa en los diferentes procesos celulares que producen energía (glucólisis, ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa) donde se invierte ATP para producir trasporte de electrones NADH (nicotinamida adenina dinucleótido reducido) y FADH2 (flavín adenín dinucleótido reducido) y obtener una ganancia neta en forma adenosin trifosfato.
La liberación de energía de las moléculas de ATP, radica en un proceso literalmente simple (hidrolisis del ATP) donde se produce una interacción ADP-ATP es decir, se produce una ruptura en la molécula y se libera la energía almacenada en los enlaces, dando como resultados moléculas adenosin difosfato (ADP) que puede ser transformada en la molécula de partida (ATP) en diferentes entornos del metabolismo. La energía obtenida, entra al sistema anabólico y catabólico de nuestro cuerpo y puede ser utilizada en la síntesis de macromoléculas como las proteínas, el ADN, ARN, entre otros.
Por consiguiente, partiendo de la premisa que el sistema metabólico de nuestro cuerpo es complejo, en esta publicación nos centraremos en el estudio de los procesos termodinámicos presente en la síntesis de proteína y su interacción con las moléculas de ATP, macromolécula que usaremos para ejemplificar el uso del adenosin trifosfato como moneda de intercambio.
FUNDAMENTACIÓN TERMODINÁMICA DE LA TEMÁTICA
En este apartado de la publicación, instruiremos al lector en el manejo de algunos fundamentos claves asociados a la termodinámica que permiten comprender las síntesis de proteína y su interacción con el ATP, aspectos que desarrollaremos a continuación:
SISTEMAS ESPONTÁNEOS VERSUS SISTEMAS NO ESPONTÁNEOS
Termodinámicamente, se pueden presentar dos tipos de sistemas los cuales responden a la segunda ley de la termodinámica, en referencia a los sistemas espontáneos, los podemos definir como aquel proceso que no necesita de la intervención externa para que se lleve a cabo, debido a que se produce bajo sus propias condiciones, por su parte los sistemas no espontáneos, hacen referencias aquellos que necesitan continuamente de algún factor externo para poder funcionar.
Un ejemplo práctico de estos sistemas, lo representan la formación de óxidos de hierro (Fe2O3), sobre la superficie de los materiales de hierro, proceso que ocurre espontáneamente hasta que todo el hierro metálico se convierta en óxido a menos que se apliquen los correctivos necesarios. Por su parte, el proceso inverso, hace referencia en la obtención de hierro a partir del óxido correspondiente, este no se lleva a cabo de forma espontánea ya que la reacción no procede sino se establecen las condiciones necesarias, siendo estas inducidas externamente.
Imagen 2. Formación de óxidos como proceso espontaneo. Autor: Uriel Shuraki en Pixabay. Editado por @madridbg, a través de Power Point 2010. Público.
JOSIAH GIBBS Y LA CONCEPTUALIZACIÓN DE LA ENERGÍA LIBRE
Josiah Willard Gibbs, fue un físico nacido 11 de febrero de 1839 en los Estados Unidos de América, aunque su nombre es poco conocido, fue uno de los precursores de la fundamentación de algunos principios termodinámicos, entre los que destacan lo relacionado con la adaptación realizada sobre el concepto de energía libre.
La conceptualización realizada por Gibbs parte del concepto de la segunda ley de la termodinámica, la cual establece que:
“La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse en el tiempo “ [2].
Cuantitativamente, el principio antes planteado está determinado por la interacción que tiene las variables asociadas al sistema de estudio con sus alrededores, lo cual en ocasiones es difícil de predecir y calcular ya que no se conoce el tipo de interacción que pueda ocurrir entre las variables antes mencionadas.
En tal sentido, Gibbs planteada una ecuación matemática que responde a la segunda ley de la termodinámica, donde las variables quedan implícitas y donde se puede determinar la espontaneidad de una reacción.
Ecuación 1. Arreglo realizado por Gibbs en correspondencia con la energía libre. Autor: @madridbg, a través de Power Point 2010. Adaptada de McMURRY, (2008).
Donde ΔG, representa la variación de la energía Gibbs, T, la temperatura y ΔS universo la variación de la entropía en el universo. Al analizar la ecuación propuesta, se puede observar que tienen que considerarse como variables constante la presión y la temperatura y donde los aspectos relacionados con el entorno no son tomados en cuenta. En este particular, Gibbs establece que:
1. ΔG < 0 La reacción es espontanea en la dirección en la que se ha escrito la ecuación química. 2. ΔG > 0 La reacción es no espontanea. La reacción es espontanea en la dirección opuesta. 3. ΔG = 0 El sistema está en equilibrio. No hay un cambio neto. [1]
TERMODINÁMICA APLICADA A LOS SERES VIVOS
Para poder instruir al lector sobre la aplicabilidad de los procesos termodinámicos, en el metabolismo de los seres vivos, se hace necesario abordar conceptualmente lo referido a las reacciones de acoplamiento, el cual consiste en producir una reacción no favorable, a partir de reacciones favorables termodinámicamente hablando.
Imagen 3. Representación analógica de una reacción de acoplamiento. Autor: sdvigger en Pixabay. Editado por @madridbg, a través de Power Point 2010. Público.
A sabiendas que las reacciones metabólicas suelen ser desfavorables de acuerdo a la variación de energía y por ende las clasificamos en endergónicas (absorben energía) y exergónicas (liberan energía). De allí radica la importancia de las reacciones de acoplamiento, ya que a través de estas, proceso que eran improbables de llevan a cabo con mucha facilidad en los sistemas biológicos, un ejemplo práctico de lo anterior, lo representa el funcionamiento enzimático el cual permite que se lleve a cabo un gran número de reacciones consideradas como no espontaneas.
Metabólicamente, las síntesis de ATP, proviene de la trasformación que nuestra célula produce sobre la glucosa, molécula extraída de los diferentes alimentos que consumimos de acuerdo a la siguiente ecuación:
Ecuación 2. Obtención de energía proveniente de la ruptura de la molécula de glucosa Autor: @madridbg, a través de Power Point 2010. Adaptada de Chang (2010).
Si analizamos la ecuación, podemos observar que la energía que se libera es muy alta, por lo que en nuestro cuerpo dicha reacción no se lleva a cabo ya que estaríamos sobrecargando nuestras células, al igual que ocurre si nuestra computadora la enchufamos en un regulador en base a 220 voltio, aun sabiendo que el equipo esta capacitados para recibir 110 voltios, los resultados serían catastróficos.
Imagen 4. Los alimentos representan la materia prima en la obtención de glucosa. Autor: Bernadette Wurzinger en Pixabay. Editado por @madridbg, a través de Power Point 2010. Público.
Por consiguiente, nuestro organismo con ayuda de las enzimas degradan la molécula de glucosa en varias partes como mecanismos de liberación de la energía contenida en sus enlaces, debido a que nuestro sistema es eficiente la energía liberada se utiliza en la formación de ATP a partir de ADP.
Ecuación 3. Interacción entre el ADP-ATP y el almacenamiento de energía. Autor: @madridbg, a través de Power Point 2010. Adaptada de Petrucci (2003).
Imagen 5. Representación de la molécula del ATP. Autor: OpenStax College, (2013). Editado por @madridbg, a través de Power Point 2010. Público.
A partir de la formación de ATP se almacenan cierta cantidad de energía que puede ser utilizado en la síntesis de proteínas ya que su formación es no espontaneas. Es necesario recordar que las proteínas, son grandes moléculas poliméricas constituidas estructuralmente por aminoácidos, donde la variación de energía libre se rige por la unión individual de cada una de estas sustancias.
Un ejemplo práctico de este proceso se observa en la ecuación 4, donde la unión de los aminoácidos alanina con glicina es un proceso no espontaneo, pero indispensable en la formación de los péptidos que darán origen a las proteinas, por lo que es necesario recurrir a la energía del ATP y generar una reacción de acoplamientos la cual permite que la unión se desarrolle con normalidad.
Ecuación 4. Reacción de acoplamiento que permite en desarrollo de reacciones no espontaneas. Autor: @madridbg, a través de Power Point 2010. Adaptada de Chang (2010).
Por consiguiente, a nivel metabólico cada vez que se produzca una reacción no espontanea se debe recurrir al ATP, para que inyecte la cantidad de energía necesaria para que el proceso se lleve a cabo, los ATP consumidos son restablecidos por el mismo sistema a través de la respiración celular.
APORTES DE LA TEMÁTICA
A través de la temática se pudo instruir al lector en el sobre algunos aspectos de interés termodinámico, de igual forma se abordaron fundamentos que rigen la bioquímica en los procesos metabólicos y se conoció la importación de adenosin trifosfato (ATP) en las reacciones de acoplamientos, indispensable para la vida del ser humano.
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA
[1] Chang, R. (2010). Química. Decima edicion. McGraw-hill Interamericana editores. ISBN: 978-607-15-0307-7.
[2] Gómez, T. (2005). Termodinámica. TECNUN. Notas de clase. Campus tecnológico de la Universidad de Navarra.
[3] Lavoie J y Col. (1995). La modulación de la termorresistencia celular y la estabilidad del filamento de actina acompaña a los cambios inducidos por la fosforilación en la estructura oligomérica de la proteína de choque térmico. Mol Cell Biol. 15. 505-16.
[4] McMURRY E., John y Fay C., Robert. (2008). Química general. Quinta edición PEARSON EDUCACIÓN, México, 2009 ISBN: 978-970-26 1286-5.
[5] Ralph, H. Petrucci, William S. Harwood, E. Geoffrey Herring. (2003). QUIMICA GENERAL. Octava edición. PEARSON EDUCACIÓN. S.A., Madrid.
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Gracias @rodear a, y al equipo de enlace proyecto por la valoración positiva que realizan a cada uno de mis publicaciones. Saludos
Interesante trabajo, aunque no soy consumidor de este tipo de contenidos, me hizo recordar la Universidad y mis clases de física. Gran contribución. Saludos..!
Mi estimado @fermionico es un gusto saber saber que le haya gustado mi publicación mas allá de que no es su fuerte, eso sin duda me motiva a seguir trabajando, pues es un indicativo que estamos haciendo las cosas como es debido. Saludos y nos estamos leyendo.
Gracias mi estimado amigo y profesor por esta entrega completa relacionada a la termodinámica aplicada al metabolismo. Saludos y gracias por compartir esta información valiosa para todos.
Saludos @carlos84, gracias por visitar mi blog, es un gusto saber que te hay gustados la temática acerca de la termodinámica aplicada al metabolismo ya que sus leyes son aplicadas a diferentes ámbitos de nuestra vida. Nos seguimos leyendo.
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Gracias @steemstem por la valoración positiva que realizan sobre mis publicaciones, sin duda es un motivo para seguir trabajando y creciendo junto con ustedes en la plataforma #hive. Saludos
Saludos mi estimado @rbalzan79, gracias por tan motivadores palabras, es grato saber que el trabajo que realizamos con dedicación y esfuerzo es valorado por diferentes miembros de la comunidad. Saludos
Buenas noches.
Recordar los conceptos básicos de la termodinámica, aplicados a la respiración celular es muy reconfortante para mí.
Después de quince años disfrutando la jubilación, volver a revisar lo que enseñé a mis alumnos de bachillerato (4to y 5to), por tanto tiempo, es muy grato.
No estoy enterado si este tema se estudia hoy en día a ese nivel, o solo lo tratan a nivel universitario.
Desconozco los programas actuales de biología y química, lo que se suma a las pérdidas constantes de clase.
En todo caso, ese es un tópico fundamental para entender todo el metabolismo, la genética y el funcionamiento del cuerpo humano.
Las imágenes son muy didácticas. Felicitaciones. aliriera
Mi estimada @aliriera, es grato saber que le haya gustado la publicación y mas que le haya traído tan buenos recuerdos, como dice el dicho recordar es vivir. A nivel de media diversificada son pocos los profesores que llegan a ese contenidos por cuestiones de tiempo y en muchos casos desmotivación, mas que todo lo aplicamos a nivel universitario. Saludos
Mi estimada @aliriera, es grato saber que le haya gustado la publicación y mas que le haya traído tan buenos recuerdos, como dice el dicho recordar es vivir. A nivel de media diversificada son pocos los profesores que llegan a ese contenidos por cuestiones de tiempo y en muchos casos desmotivación, mas que todo lo aplicamos a nivel universitario. Saludos
Su post ha sido valorado por @ramonycajal
Gracias @ramonycajal por el continuo trabajo de curación que realizan día con día, sin duda su aporte permite el crecimiento de la plataforma. Saludos
¡Felicitaciones!
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Atentamente
El equipo de curación del PROYECTO ENTROPÍA
Gracias @entropia por la valoración positiva que realizan en cada uno de mis publicaciones. Saludos
Saludos @ muy buen contenido para repasar los conceptos básicos de la termodinámica y muy bueno para establecer su relación con la respiración celular, muy importante para comprender como funciona el metabolismo, lo que resulta muy didáctico.
Saludos @emiliomoron, de antemanos gracias por pasar por mi blog y tomarte el tiempo de leer mis publicaciones, es gusto saber que te haya gustado y mas cuando tu te desenvuelve en el área de química. Con respecto al contenido es conocido los alcances que tienen las leyes de la termodinámica y su aplicabilidad en diferentes aspectos de nuestra cotidianidad.