termodinámica, bioenergética, biogénesis y mitocondria

7/31/2019 Termodinmica, bioenergtica, biognesis y mitocondria

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Raquel Romn

David Roca

Martn Ramrez


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La termodinmica es la rama de la fsica que se dedica al estudio delas relaciones entre el calor y el resto de las formas de energa.

En otras palabras, es la ciencia que estudia la transformacin de laenerga.


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Toda sustancia por encima de los 0 kelvin emite calor. Si dos sustancias encontacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitir mscalor y calentar a la ms fra. El equilibrio trmico se alcanza cuandoambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala sutemperatura.

El calor es el proceso que permite la transferencia de energa entrediferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que seencuentran a distintas temperaturas.

La energa puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre losque cabe resear la radiacin, la conduccin y la conveccin.

Equilibrio trmico , calor y cambiode temperatura


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Los principios fundamentales de la teora cintica son los siguientes: El nmero de molculas es grande y la separacin media entre ellas es grande

comparada con sus dimensiones. Por lo tanto ocupan un volumendespreciable en comparacin con el volumen del envase y se consideranmasas puntuales.

Las molculas obedecen las leyes de Newton, pero individualmente se

mueven en forma aleatoria, con diferentes velocidades cada una, pero conuna velocidad promedio que no cambia con el tiempo.

Las molculas realizan choques elsticos entre s, por lo tanto se conservatanto el momento lineal como la energa cintica de las molculas.

Las fuerzas entre molculas son despreciables, excepto durante el choque. Seconsidera que las fuerzas elctricas o nucleares entre las molculas son decorto alcance, por lo tanto solo se consideran las fuerzas impulsivas quesurgen durante el choque.

El gas es considerado puro, es decir todas las molculas son idnticas.

El gas se encuentra en equilibrio trmico con las paredes del envase.

Principios de la teora cinticamolecular


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La magnitud que designa la energa almacenada por un sistema departculas se denomina energa interna (U).

La energa interna es el resultado de la contribucin de la energa cinticade las molculas o tomos que lo constituyen, de sus energas derotacin, traslacin y vibracin, adems de la energa potencial

intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnticoy nuclear.

Propiedades Trmicas:

1. La capacidad calorfica y calor especfico

2. La dilatacin trmica3. La conductividad trmica

4. La refractariedad (Resistencia Trmica)

Energa interna(u)


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CAPACIDAD CALORFICA: La Capacidad Calorfica de una sustancia esuna magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dichasustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministrode calor. Est dada por la ecuacin:

C = Q/T [J/K]

Donde C es la capacidad calorfica, Q es el calor y T la variacin detemperatura.

CALOR ESPECFICO: O capacidad calorfica especfica, de una sustanciaes la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en unaunidad por unidad de masa, sin cambio de estado.

Calormetro: Es un instrumento que sirve para medir las cantidadesde calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve paradeterminar el calor especfico de un cuerpo.

La capacidad calorfica y calorespecfico


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Se denomina dilatacin trmica al aumento de longitud, volumen oalguna otra dimensin mtrica que sufre un cuerpo fsico debidoal aumento de temperatura que se provoca en l por cualquier medio.Hay 3 tipos:

1. Lineal:

2. Superficial:

3. Volumtrica:

La dilatacin trmica


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La conductividad trmica es una propiedad fsica de los materiales quemide la capacidad de conduccin de calor. En otras palabras laconductividad trmica es tambin la capacidad de una sustancia detransferir la energa cintica de sus molculas a otras molculasadyacentes o a substancias con las que est en contacto.

La conductividad trmica es elevada en metales y en general en cuerposcontinuos, es baja en polmeros, y muy baja en algunos materialesespeciales como la fibra de vidrio, que se denominan por ello aislantestrmicos.

Unidades en el sistema internacional: W/m K

1 W/m K=0,86 Kcal/m h C

La conductividad trmica


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La resistencia trmica (R) es la capacidad de un material para resistir elpaso de flujo de calor. Tambin podemos definirla como la oposicin alpaso del calor que presenta una capa de cierto espesor (e) de un materialaislante.

Es inversamente proporcional a la conductividad trmica y aumenta con

el espesor de material.Unidades en el sistema internacional: m2 K/W

1 m2 K/W=1,163 m2 h C/ Kcal.

La Refractariedad (Resistencia Trmica)


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Escala Celsius o centgrada: Propuesta por el cientfico sueco AndersCelsius (1701-1744). Eligi como puntos fijos el de fusin del hielo y el deebullicin del agua, con lo cual fij el valor del grado Celsius (C) como lacentsima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esosdos puntos fijos.

Escala Fahrenheit: Propuesta por Gabriel Fahrenheit en 1724. Los puntosfijos son los de ebullicin y fusin de una disolucin de cloruro amnicoen agua. As al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo elvalor 212. Para pasar de una a otra escala es preciso emplear la ecuacin:

t(F) = (9/5) * t(C) + 32 t(C) = (5/9) * [t(F) - 32]

Su utilizacin se circunscribe a los pases anglosajones y a Japn, aunqueexiste una marcada tendencia a la unificacin de sistemas en la escalaCelsius.

Escalas Trmicas


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Escala Kelvin o absoluta: En mbito cientfico se usa la llamada escala"absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord Kelvin. Es la escala escogida por el S.I.En ella el tamao de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de laescala se fija en el - 273,15 C. Este punto es llamado cero absoluto detemperaturas . La relacin con la escala Celsius viene dada por la ecuacin:

T(K) = t(

C) + 273,15 t(

C) = T(K) - 273,15T(K) = (5/9) * [t(F) + 459,67] t(F) = (9/5) * T(K) - 459,67

Escala Rankine: Se denomina Rankine (R) a la escala de temperatura que sedefine midiendo en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, por lo que carecede valores negativos. Esta escala fue propuesta por el fsico e ingeniero

escocs William Rankine en 1859. La escala Rankine tiene su punto de ceroabsoluto a 459,67 F y los intervalos de grado son idnticos al intervalo degrado Fahrenheit.

T(R) = t(F) + 459,67 t(F) = T(R) - 459,67

T(R) = (9/5) * [t(C) + 273,16] t(C) = (5/9) * [T(R) - 491,67]

Escalas Trmicas


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Escalas Trmicas


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A nivel microscpico la energa cintica promedio de las molculas de un gasdefine su temperatura. De acuerdo con la ley de Maxwell-Boltzmann para ungas ideal clsico la relacin entre la temperatura (T) de un gas y su energacintica media es:

Energa interna de un gas ideal: Para el caso de un gas ideal puededemostrarse que la energa interna depende exclusivamente de latemperatura, por lo que la energa interna es slo energa cintica, quedepende slo de la temperatura. Este hecho se conoce como la ley de Joule.La variacin de energa interna de un gas ideal (monoatmico o diatmico)entre dos estados A y B se calcula mediante la expresin:

Donde n es el nmero de moles y Cv la capacidad calorfica molar a volumenconstante. Las temperaturas deben ir expresadas en Kelvin.

Temperatura y Energa Cintica


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Cuando el agua cambia de estado lquido al slido se comporta en formainusual: en vez de contraerse o reducir su volumen, como el resto de loslquidos, se expande, es decir, las molculas de agua se organizan en elespacio, conformando una estructura molecular abierta.

Esto determina que el hielo sea menos denso que el agua lquida, y por lo

tanto flote en el agua. A 0 C la densidad del agua lquida es de 0,9999 g/cm3 y la del hielo de

0,92 g/cm3, es decir, un centmetro cbico de hielo pesa 0,92 gramos, un8% menos que un centmetro cbico de agua que pesara prcticamente 1gramo.

Comportamiento anmalo del agua


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Un sistema es como un conjunto de materia, que est limitado por una superficie,que le pone el observador, real o imaginaria. Ponemos unos ejemplos:

Un sistema abierto: Existe un intercambio de masa y de energa con losalrededores; es por ejemplo, un coche.

Un sistema cerrado: No existe un intercambio de masa con el medio, slo se

puede dar un intercambio de energa; un reloj de cuerda. Un sistema aislado: No existe el intercambio ni de masa y energa con los

alrededores. Un termo lleno de comida caliente es una aproximacin. El universoes un sistema aislado, ya que la variacin de energa es cero

Medio externo: Se llama medio externo o ambiente a todo aquello que no est en elsistema pero que puede influir en l. Por ejemplo, consideremos un sistema formadopor la taza y el agua, entonces el medio est formado por el mechero, el aire, etc.

Sistema y Ambiente


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En fsica, se denomina as a la evolucin de determinadas magnitudespropiamente termodinmicas relativas a un determinado sistema fsico. Desde el punto de vistade la termodinmica, estas transformaciones deben transcurrir desde un estadode equilibrio inicial a otro final. De una manera menos abstracta, un proceso termodinmicopuede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hastaotras condiciones finales, debidos a la desestabilizacin del sistema.

Foco trmico: Un foco trmico es un sistema que puede entregar y/o recibir calor, pero sincambiar su temperatura.

Contacto trmico: Se dice que dos sistema estn en contacto trmico cuando puede habertransferencia de calor de un sistema a otro.

Procesos Termodinmicos


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Variables termodinmicas:


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El principio cero de la termodinmica es una ley fenomenolgica parasistemas que se encuentran en equilibrio trmico. Fue formulado porprimera vez por Ralph H. Fowler.

Constituye una gran importancia experimental, pues permite construirinstrumentos que midan la temperatura de un sistema, pero no lo es

tanto para la propia estructura de la teora termodinmica. El principio establece que existe una determinada propiedad,

denominada temperatura emprica , que es comn para todos los estadosde equilibrio que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Leyes de la Termodinmica


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Primera Ley: Tambin conocida como principio de conservacin de laenerga para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobreun sistema o bien ste intercambia calor con otro, la energa interna delsistema cambiar.

Fue propuesta por Nicolas Lonard Sadi Carnot en 1824, en su

obra Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las mquinasadecuadas para desarrollar esta potencia, en la que expuso los dosprimeros principios de la termodinmica.

Se resume en: La energa no se crea ni se destruye, slo se transforma



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Tipos de procesos

Isotrmico: proceso a temperatura constante.

Isobrico: proceso a presin constante.

Isomtrico o isocrico: proceso a volumen constante.

Isentlpico: proceso a entalpa constante.

Isentrpico: proceso a entropa constante.

Adiabtico: proceso en el que no hay intercambio de calor con suentorno.

Diatermo: Proceso en el que hay intercambio de calor con su entorno.

Procesos Termodinmicos Bsicos


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La segunda ley de la termodinmica, expresa que:

La cantidad de entropa del universo tiende a incrementarse en el tiempo.

La Entropa: (simbolizada como S) Es una magnitud fsica que permitedeterminar la parte de la energa que no puede utilizarse paraproducir trabajo. La entropa describe lo irreversible de los

sistemas termodinmicos. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre en1850; y Ludwig Boltzmann, quien encontr la manera de expresarmatemticamente este concepto, desde el punto de vista de laprobabilidad.

Es el grado de desorden que poseen las molculas que integran un

cuerpo.



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Enunciado de Clausius: No es posible ningn proceso cuyo nicoresultado sea la extraccin de calor de un recipiente a una ciertatemperatura y la absorcin de una cantidad igual de calor por unrecipiente a temperatura ms elevada.

Enunciado de Kelvin: No existe ningn dispositivo que, operando

por ciclos, absorba calor de una nica fuente, y lo convierta ntegramenteen trabajo.

Enunciado de KelvinPlanck: Es imposible construir una mquinatrmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que laabsorcin de energa desde un depsito, y la realizacin de una cantidadigual de trabajo

Segunda ley de la Termodinmica


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La bioenergtica es la parte de la biologa muy relacionada con la fsica,que se encarga del estudio de los procesos de absorcin, transformaciny entrega de energa en los sistemas biolgicos.

Un objetivo general de la Bioenergtica, es predecir si ciertos procesosson posibles o no; en general, la cintica cuantifica qu tan rpido

ocurre la reaccin qumica.


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Es el conjunto de cambio de sustancias y transformaciones de energaque tiene lugar en los seres vivos.

Es el conjunto de transformaciones que experimenta la materia externadesde su absorcin o adicin al citoplasma, hasta su eliminacin delmismo.

Tiene 2 Fases: Anabolismo: Consiste en la sntesis de componentes celulares a

partir de precursores de baja masa molecular.

Catabolismo: consiste en la transformacinde biomolculas complejas en molculas sencillas y en elalmacenamiento adecuado de la energa qumica desprendida enforma de enlaces de fosfato y de molculas de adenosn trifosfato.

Metabolismo


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O entalpa libre es un potencial termodinmico, es decir, una funcin deestado extensiva con unidades de energa, que da la condicin deequilibrio y de espontaneidad para una reaccin qumica (a presin ytemperatura constantes).

Sirve para calcular si una reaccin ocurre de forma espontnea tomando

en cuenta slo las variables del sistema. Se define como:

Para un proceso a temperatura y presin constante:

Energa (libre) de Gibbs


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La biognesis tiene dos significados. Por un lado es el proceso delos seres vivos que produce otros seres vivos. Ejemplo, una araa ponehuevos, lo cual produce ms araas.

Un segundo significado fue dado por el sacerdote jesuita, cientfico yfilsofo francs Pierre Teilhard de Chardin par a significar de por s elorigen de la vida.


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En la segunda mitad del siglo XIX, Louis Pasteur realiz una serie deexperimentos que probaron definitivamente que tambin los microbios seoriginaban a partir de otros microrganismos.

Utiliz dos frascos de cuello de cisne. En cada uno de ellos meticantidades iguales de caldo nutritivo y los hizo hervir para poder eliminar

los posibles microrganismos presentes. Pasado un tiempo observ que ninguno de los caldos presentaba seal

alguna de la presencia de algn microrganismo y cort el tubo de uno delos matraces. El matraz abierto tard poco en descomponerse, mientrasque el cerrado permaneci en su estado inicial. Pasteur demostr as quelos microrganismos tampoco provenan de la generacin espontnea.

Louis Pasteur (1822-1895)


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Postulada por Francesco Redi.

Postulados de la Teora

La biognesis es aquella teora en la que la vida solamente se origina de una vidapreexistente.

Todos los organismos visibles surgen slo de grmenes del mismo tipo y nunca de

materia inorgnica. Si la vida alguna vez se origin de materia inorgnica, tuvo que aparecer en la

forma de una clula organizada, ya que la investigacin cientfica ha establecido ala clula como la unidad ms simple y pequea de vida independiente visible.

Teora de la Biognesis


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Es una antigua teora biolgica de abiognesis que defiende que poda surgirvida compleja, de manera espontnea a partir de la materia inorgnica.

La generacin espontnea antiguamente era una creencia profundamentearraigada descrita por Aristteles. La observacin superficial indicaba quesurgan gusanos del fango, moscas de la carne podrida, organismos de los

lugares hmedos, etc. As, la idea de que la vida se estaba originandocontinuamente a partir de esos restos de materia orgnica se establecicomo lugar comn en la ciencia.

Fueron Francesco Redi (1668), Spallanzani (1769) y finalmente, Louis Pasteur(siglo XIX) quienes refutaron y dieron fin a la teora de la generacinespontnea.

Teora de la Generacin Espontnea


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La mitocondria es un orgnulo de gran tamao cuya funcin principal esla respiracin celular aerbica. Slo se encuentra en clulas eucariotas.

Es el nico orgnulo, junto con cloroplastos de clulas vegetales, quepresenta un sistema gentico propio. Mutaciones en el ADN mitocondrial

producen mltiples enfermedades


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La teora endosimbitica describe el paso de las clulasprocariotas (bacterias o arqueas, no nucleadas) a las clulas eucariotas(clulas nucleadas constituyentes de todos los pluricelulares) medianteincorporaciones simbiogenticas.

Fue propuesta por Lynn Margulis (segunda mitad del siglo XX).

Teora de la Endosimbiosis


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Primera incorporacin simbiogentica: Una bacteria consumidora de azufre(arquea fermentadora o termoacidfila), se habra fusionado con una bacterianadadora (espiroqueta). El resultado sera el primer eucarionte (unicelulareucariota) y ancestro nico de todos los pluricelulares. El ncleoplasma de laclulas de animales, plantas y hongos sera el resultado de la unin de estasdos bacterias.

Segunda incorporacin simbiogentica: Este nuevo organismo todava eraanaerbico. Una nueva incorporacin dotara a este primigenio eucarionte dela capacidad para metabolizar oxigeno. Este nuevo endosombionte, seconvertira en las actuales mitocondrias y peroxisomas presentes en lasclulas eucariotas de los pluricelulares, posibilitando su xito en un medio ricoen oxgeno. Los animales y hongos somos el resultado de esta segundaincorporacin.

Tercera incorporacin simbiogentica: Esta tercera incorporacin origin elReino vegetal, Estos nuevos pluricelulares, las plantas, con su xito,contribuyeron y contribuyen al xito de animales y hongos.

Teora de la Endosimbiosis


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Estructura


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A la mitocondria, se le considera la central energtica de las clulas, ahse lleva a cabo el metabolismo oxidativo de los eucariontes: actividadesde piruvato deshidrogenasa, enzimas del ciclo del cido ctrico, oxidacinde los cidos grasos y las enzimas y protenas redox que llevan a cabo eltransporte de electrones y la fosforilacin oxidativa.

La principal funcin de las mitocondrias es la oxidacinde metabolitos (ciclo de Krebs, beta-oxidacin de cidos grasos) y laobtencin de ATP mediante la fosforilacin oxidativa, que es dependientede la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en lamitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por laclula.

Funcin Biolgica


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El ADN mitocondrial es independiente del ADN nuclear.

Es hereditario nicamente por la madre, ya que al ser independiente delADN nuclear, el espermatozoide no aporta un ADN mitocondrial y aunquelo hiciese, este es degradado.

Gracias a este ADN es casi posible predeterminar el origen del hombre.

Luego de estudios se dio lugar a la TEORA DEL ORIGEN COMN, quedice que los humanos modernos se originaron en frica hace 200.000-250.000 aos, comenzando a emigrar de ese continente desde hace100.000 y 60.000 aos. Las especies que habitaban ya fuera de frica(Homo erectus y Neanderthal), tambin tuvieron su origen comn

africano, seguramente del Homo ergaster. Luego los remplaz el HomoSapiens.

ADN Mitocondrial y Homo Sapiens


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termodinámica, bioenergética, biogénesis y mitocondria

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