Estimad@s Clientes y/o amantes del LEAN:
Vamos a profundizar un poco en el escrito de la semana pasada
sobre el ciclo biológico de la energía
Si levantamos una especie de VSM ( Value Stream Mapping ) de
la energía que necesitamos para movernos, para el funcionamiento del sistema
nervioso ( bomba de NA+/K+ y para generar calor en nuestro cuerpo, el resumen
sería el siguiente:
-El sol es la fuente origen de esta energía
-La energía solar queda empaquetada como energía química en
el proceso de fotosíntesis, llevado a cabo por las plantas: la energía queda en
los enlaces de las moléculas generadas
-Al comer, incorporamos esta energía a nuestro cuerpo
-La ruptura de los enlaces de las moléculas de los alimentos
permite recuperar esa energía procedente del sol
-La molécula de ATP de la que hablamos en el escrito
anterior proporciona esta energía a nuestras células para que puedan llevar a
cabo sus funciones
La obtención y la
utilización de energía en los seres vivos
El metabolismo implica
intercambios de materia y energía entre un ser vivo y el medio ambiente que le
rodea.
En su conjunto se van a producir reacciones bioquímicas que degradan sustancias y en las que se libera energía (CATABOLISMO) y reacciones bioquímicas donde se sintetizan sustancias(ANABOLISMO) y en la que se utiliza parte de la energía liberada en las reacciones anteriores.
En su conjunto se van a producir reacciones bioquímicas que degradan sustancias y en las que se libera energía (CATABOLISMO) y reacciones bioquímicas donde se sintetizan sustancias(ANABOLISMO) y en la que se utiliza parte de la energía liberada en las reacciones anteriores.
Sin embargo, parte de la energía producida o liberada en el
Catabolismo se transforma en calor, energía no aprovechable por otros sistemas
vivos, siendo devuelta al medio ambiente y aumentando la entropía, como en
cualquier otro sistema universal.
Si partimos de la energía inicial que entra en el
Ecosistema, la LUZ), se observa que sufre diversas transformaciones:
- Primeramente
es captada por los seres
autótrofos y transformada en energía química de enlace dentro
de las moléculas elaboradas por ellos (glucosa, almidón, ...).
- Posteriormente,
mediante la ruptura de estas moléculas se libera la energía pudiendo ser
transformada en calor, en energía cinética o en energía de enlace formando
otras moléculas consideradas como "monedas de intercambio
energético": el ATP).
El siguiente esquema representa de forma sencilla el flujo
de energético y el ciclo material en los seres vivos:
¿Y para qué quieren tanta Energía los Seres Vivos?
La respuesta es obvia y sencilla: PARA VIVIR.
- Esto
implica moverse ("energía
cinética") para buscar el alimento, el agua o sencillamente para
buscar pareja;
- También
implica el recibir estímulos y preparar y producir respuestas ("energía para el
funcionamiento del Sistema Nervioso": bomba de Na+ / K+ ,
...) y poder adaptarse a los cambios producidos en el medio;
- También
se utiliza para producir luz (bioluminiscencia) como los peces de las
grandes profundidades o los gusanos de luz;
- Y sobre todo CALOR , energía
que se pierde al escaparse de los individuos y que no puede ser
aprovechada por otros seres vivos. Entre los seres vivos que más calor
producen están las Aves, y los Mamíferos (seres Homeotermos)
Uno de los procesos biológicos que mejor se han estudiado en
el que se produce gran cantidad de energía en forma de ATP es el Ciclo de Krebs
En resumen se trata de un conjunto de reacciones de
oxidación-reducción, y descarboxilaciones, que conllevan la síntesis de ATP en
el interior de las Mitocondrias.
Los Glúcidos, grasas y proteínas, mediante transformaciones previas (vías
metabólicas de las Hexosas-fosfato, vía de Embden-Meyerhof, ...) llegan a
convertirse en Acetil-CoA,
molécula protagonista del Ciclo de Krebs.
Mediante este Ciclo, a partir de una molécula de glucosa se
obtienen 36 ATP (263 Kcal), lo que supone un 38% de la energía contenida en
dicha molécula. Si en vez de glucosa, lo que se oxida es una molécula de ácido
palmítico (ácido
graso contenido en las grasas), se obtienen 129 ATP (941 Kcal) lo
que representa un 40% de eficacia.
Preguntas y
respuestas sobre la obtención de energía por el cuerpo humano
- ¿Por
qué los alimentos nos dan energía? Las sustancias que componen a los
alimentos (carbohidratos, grasas y proteínas), pueden proporcionar a los
organismos vivos diferentes cantidades de energía al degradarse.
- ¿qué
es una biomolécula? Las biomoléculas están constituidas principalmente por
carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno, y en menor medida fósforo y
sulfuro. Suelen incorporarse otros elementos, pero en menor frecuencia.
Las biomoléculas cuentan con estos elementos en sus estructuras ya que les
permiten el equilibrio perfecto para la formación de enlaces covalentes
entre ellos mismos, también permite la formación de esqueletos
tridimensionales, la formación de enlaces múltiples y la creación de
variados elementos.
- Biomoléculas
orgánicas: Son moléculas con una estructura a base de carbono. Podemos
dividirlas en cinco grandes grupos: • Lípidos. • Carbohidratos • Proteínas
• Ácido nucléico (ADN y ARN) • vitaminas Tipos de biomoléculas:
- ¿qué
son los carbohidratos? —
son elementos principales en la alimentación. —
se encuentran principalmente en azúcares, almidones y fibra. —
su función principal de los carbohidratos es el aporte energético.
- Estructura
molecular: El componente básico de todos los hidratos de carbono es una
molécula de azúcar, una simple unión de carbono, hidrógeno y oxígeno.
Almidones y fibras son esencialmente cadenas de moléculas de azúcar.
Algunos contienen cientos de azúcares. Algunas cadenas son lineales, otras
complejas.
- ¿qué
son los lípidos? son biomoléculas orgánicas formadas por carbono e
hidrógeno y generalmente también oxígeno; pero en porcentajes mucho más
bajos. Además pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre.
- Principales
características: 1. Son insolubles en agua 2. Son solubles en disolventes
orgánicos, como éter, cloroformo, benceno, etc. funciones: • reservan
energía • Facilitan las reacciones químicas que se producen en los seres
vivos. • Recubren órganos y les dan consistencia.
- ¿Qué
son las proteínas? Las proteínas son macromoléculas compuestas por
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. La mayoría también contienen
azufre y fósforo. Las mismas están formadas por la unión de varios
aminoácidos.
- Funciones:
•Son esenciales para el crecimiento. •Proporcionan los aminoácidos
fundamentales. •Son materia prima para la formación de los jugos
digestivos, hormonas, proteínas plasmáticas, hemoglobina, vitaminas y
enzimas. •Actúan como catalizadores biológicos acelerando la velocidad de
las reacciones químicas del metabolismo. Son las enzimas. •Actúan como
transporte de gases como oxígeno y dióxido de carbono en sangre. •Actúan
como defensa, los anticuerpos son proteínas de defensa natural contra
infecciones o agentes extraños.
- ¿qué
es el ADP? ADP son la siglas del compuesto químico denominado: Adenosín
difosfato, que en la química es reconocido como un nucleótido difosfato, y
no es más que un compuesto químico que surge de la unión de un nucléosido
y dos cadenas fosfato.
- ¿qué
es el ATP? El trifosfato de adenosina es un nucleótido fundamental en la
obtención de energía celular. 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. Es la principal
fuente de energía para la mayoría de funciones celulares.
- • es
considerado por los biólogos como la moneda de energía para la vida. • Es
una molécula de alta energía que almacena la energía que necesitamos para
realizar casi todo lo que hacemos. • Está presente en el citoplasma y en
el nucleoplasma de cada célula. • Esencialmente todos los mecanismos
fisiológicos que requieren energía para su ejecución, la obtienen
directamente desde el ATP almacenado. • es destacable por su capacidad
para entrar en muchas reacciones acopladas, tanto en los alimentos para
extraer la energía, como con las reacciones en otros procesos fisiológicos
para proporcionarles energía.
- ¿Qué
es el ciclo de Krebs? • es un ciclo metabólico de importancia fundamental
en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de
respiración celular. • Es responsables de la degradación y desasimilación
de los carbohidratos, las grasas y las proteínas para obtener energía.
- ¿Qué
importancia tienen los enlaces químicos en el almacenamiento de energía? —
Los enlaces tienen mucha importancia ya que dentro de ellos se guarda la
energía. —
El ATP y el ADP son importantes para la biología, ya que los enlaces que
forman los grupos fosfatos son muy ricos en energía (de hecho son
moléculas que se dedican al transporte de energía), la cual se acumula al
momento de su unión y es liberada con facilidad cuando el enlace se rompe.
- ¿podemos
producir nuestra propia fuente de energía sin consumir alimentos? —
Los alimentos son la única fuente de energía, —
Los requerimientos de energía de un individuo, o cualquier organismo superior,
deben ser proporcionados por los alimentos.
- ¿cuántas
calorías necesita una persona? Calorías adecuadas para adolescentes:
Mujeres: entre 1800 y 2400 Hombres: entre 2200 y 3200 Calorías adecuadas
para adultos: Hombres: 3000 aproximadamente Mujeres: 2200 aproximadamente
El flujo de
energía en el ciclo biológico
El flujo de energía en el ciclo biológico es mayor a la
cantidad de la suma de los intercambios de energía realizados por todas las
máquinas existentes construidas por el hombre y que consumen combustible. Los
sistemas de transformación de energía de las células vivas son más eficientes y
más perfeccionados en el estado presente de la ingeniería humana. Por ejemplo, el hombre aún no ha podido construir una
máquina solar capaz de operar tan fácil y eficientemente como una hoja verde de
las plantas. Todas las células vivas están dotadas con dispositivos de
dimensiones moleculares extremadamente complejos, eficientes y sorprendentes
para la transformación de la energía. Una célula simple puede contener muchas
clases diferentes de sistemas de transformación de energía y muchos grupos de
cada tipo. Las unidades moleculares, básicas en la organización de los sistemas
de transformación de energía celulares, son moléculas de enzimas, que son
proteínas especializadas capaces de catalizar las reacciones químicas
específicas en la célula. La energía se transforma de un tipo a otro en tres grandes
pasos durante su flujo en el mundo biológico: la fotosíntesis, la respiración y
la biosíntesis. A medida que estas funciones se realizan, la energía finalmente
fluye al medio ambiente en una forma disipada, menos útil. Hay otras vías,
menos obvias y más sutiles en que la utilización y transformación de la energía
por los organismos vivos es muy interesante, pero no se indican las razones de
la naturaleza de este trabajo, por el momento. Las trasformaciones de la
energía en las células vivas tienen un amplio intervalo de manifestación, son
fundamentales a la vida y presentan un campo vasto de estudio. La fotosíntesis consiste en la
absorción de la energía radiante por la clorofila, la conversión de la energía
de la luz absorbida en energía química, y la utilización de esta energía para
la reducción del dióxido de carbono de la atmósfera para formar glucosa.
En este proceso se forma oxígeno molecular que pasa a la atmósfera. La
estequiometría y los datos termodinámicos de la reacción son los siguientes: seis
moles de bióxido de carbono y seis moles de agua forman un mol de glucosa y
seis moles de oxígeno: el cambio de energía libre es de 686 mil cal/mol; 673
mil cal/mol de entalpia, y el cambio de entropía es de -43.6 cal/mol. Es decir,
termodinámicamente no es permitido por el gran aumento de la energía libre y
con una disminución de la entropía. El hecho que este proceso se realice en las
plantas verdes se debe a que la gran cantidad de energía necesaria es
proporcionada por la energía de la luz, que es capturada por la clorofila.
Realmente la fotosíntesis es un proceso complejo, cuyo mecanismo molecular
completo no se conoce bien todavía, pero sí comprende más de un ciento de pasos
químicos secuenciales en la producción fotosintética de un mol de glucosa a
partir del dióxido de carbono y agua, cada una de las cuales está catalizada
por una clase específica de moléculas enzimáticas. La glucosa formada en la
fotosíntesis puede convertirse enzimáticamente con reacciones secundarias en
otros componentes que contienen carbono: celulosa, proteínas, lípidos, en
proceso de biosíntesis requiriendo a su vez de gran cantidad de energía.
Asimismo la glucosa puede ser oxidada por las plantas para dar bióxido de
carbono y agua, y utilizar la energía para sus propias necesidades. Los
carbohidratos, proteínas y lípidos de las plantas pueden ser utilizadas como
alimento por las células del mundo animal, así como por las células de las
plantas que no realizan la fotosíntesis. Los procesos que se realizan se pueden
resumir al considerar la existencia de un ciclo de carbono, un ciclo de oxígeno
y un ciclo de agua entre el mundo animal y el mundo vegetal. El contenido de
agua en la biosfera es muy grande, como lo es también el contenido de oxígeno.
En cambio el contenido de dióxido de carbono es pequeño, aproximadamente de
0.03 por ciento. El ciclo de masa y los procesos de energía en los mundos
vegetal y animal están indicados en el diagrama que se anexa.
Ciclo del carbono
El ciclo del carbono son las
transformaciones químicas de compuestos que contienen carbono en
los intercambios entre biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera.
Se inicia cuando las plantas o algas toman el dióxido de carbono (CO2) y lo
utilizan para producir glucosa a través de la fotosíntesis. Es un ciclo de gran
importancia para la supervivencia de los seres vivos en nuestro planeta, debido
a que de él depende la producción de materia orgánica que es el alimento básico
y fundamental de todo ser vivo.
El carbono es un componente esencial para los vegetales y
animales. Interviene en la fotosíntesis
bajo la forma de CO2 (dióxido de carbono) o de H2CO3 (ácido carbónico), tal como se encuentran en la
atmósfera. Forma parte de compuestos como: la glucosa,
carbohidrato fundamental para la realización de procesos como la respiración y
la alimentación de los seres vivos, y del cual se derivan sucesivamente la
mayoría de los demás alimentos.
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que
los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y
la hidrosfera.
Este gas está en la atmósfera en una concentración de menos del 0,03% y cada
año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen
en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico
se renueva en la atmósfera cada 21 años.
La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace
cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los
alimentos produciendo
CO2. En el conjunto de la biosfera la
mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los
organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles. Sin
embargo, hay que tener en cuenta que los vegetales son productores netos de
oxígeno libre y consumidores netos de CO2. Ello explica la baja
proporción en volumen de CO2 (menos del 0,03 % en volumen)
y la mayor proporción de oxígeno (21 %) en la atmósfera lo cual era
completamente a la inversa en la era azoica, cuando los vegetales no existían.
Los productos finales de la combustión son
CO2 y vapor de agua. El proceso de la fotosíntesis por
parte de los vegetales facilitó la vida tanto de los vegetales como de los
animales.
Los vegetales verdes que contienen clorofila toman
el CO2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno,
además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos. Como
todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente,
no es posible siquiera imaginar la cantidad de CO2 empleada en
la fotosíntesis.
En la medida que el CO2 es consumido por las
plantas, también es reemplazado por medio de la respiración de los seres vivos,
por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de
combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.
En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos
fenómenos naturales como los incendios.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del
agua.
Ciclo del oxígeno
El ciclo del oxígeno es la cadena de
reacciones y procesos que describen la circulación del oxígeno en
la biosferaterrestre.
Al respirar los animales y los seres humanos tomamos del
aire el oxígeno que las plantas producen y luego exhalamos gas
carbónico. Las plantas, a su vez, toman el gas carbónico que los animales y
los seres humanos exhalamos, para utilizarlo en el proceso de la fotosíntesis.
Las plantas son las únicas capaces de convertir el dióxido de carbono (CO2) en
oxigeno. Plantas, animales y seres humanos intercambian oxígeno y gas carbónico
todo el tiempo, los vuelven a usar y los reciclan. A esto se le llama el ‘ciclo
del oxígeno’.
El oxígeno molecular presente en la atmósfera y el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En la respiración celular se reduce oxígeno para la producción de energía y generándose dióxido de carbono, y en el proceso de fotosíntesis se origina oxígeno y glucosa a partir de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.
Atmósfera
El O2 le confiere un carácter oxidante a
la atmósfera. Se formó por fotólisis de H2O,
formándose H2 y O2:
H2O + hν → 1/2O2.
El oxígeno molecular presente en la atmósfera y
el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En
la respiración celular se reduce oxígeno para
la producción de energía y generándose dióxido de carbono, y en el proceso
de fotosíntesis se origina oxígeno y glucosa a partir
de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.
Hidrósfera y atmósfera química básica estructura lítica
El oxígeno es ligeramente soluble en agua, disminuyendo su
solubilidad con la temperatura. Condiciona las propiedades rédox de los sistemas acuáticos. Oxida
materia biorgánica dando el dióxido de carbono y agua.
El dióxido de carbono también es ligeramente soluble en agua
dando carbonatos;
condiciona las propiedades ácido-base de
los sistemas acuáticos. Una parte importante del dióxido de carbono atmosférico
es captado por los océanos quedando en los fondos marinos como carbonato de calcio.
Que disfrutéis cada hora del fin de semana
Un cordial saludo
Alvaro Ballesteros
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