Bioenergética: Flujo de Energía, Leyes y Componentes en los Seres Vivos

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Bioenergética: Flujo de Energía en la Vida

La bioenergética estudia el flujo de energía en los seres vivos. A continuación, se describen los conceptos clave y componentes:

Conceptos Básicos

  • Sistemas: Conjunto de individuos con características comunes.
  • Funcionamiento de Ecosistemas: Intercambio de energía y materia entre los componentes del ecosistema.
  • Trabajo: Fuerza que mueve un cuerpo a una distancia determinada.
  • Energía: Capacidad de realizar un trabajo. En los seres vivos, se mide en kcal (kilocalorías). Una kcal es la energía necesaria para aumentar 1°C la temperatura de un kilogramo de agua.
  • Equivalencia: 1 Kcal = 4186 J (Joules) = 0.004186 MJ (Mega Joules).

Tipos de Energía

  1. Mecánica: Puede ser potencial (energía almacenada) o cinética (energía en movimiento).
  2. Eléctrica
  3. Gravitacional
  4. Electromagnética
  5. Química
  6. Luminosa

Tipos de Sistemas

  1. Abierto: Intercambia materia y energía con su entorno (ej: cuerpo humano).
  2. Cerrado: Solo intercambia energía.
  3. Aislado: No hay intercambio de materia ni energía.

Leyes de la Termodinámica

Primera Ley de la Termodinámica

La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. En un sistema cerrado, la energía total es constante.

  • La energía que sale de un sistema se acumula o se transforma, pero no desaparece. En los seres vivos, hay pérdida de energía en forma de calor, detritus, catabolismo, respiración o combustión.
  • La forma principal de acumulación de energía en los seres vivos es el enlace carbono-carbono.
  • La energía química puede transformarse en calor, pero el calor no puede transformarse en energía química a menos que se agregue más energía.

Restricciones a la Transformación de Energía

  1. Ninguna transformación de energía es 100% eficiente, ya que parte se pierde como calor.
  2. El calor fluye espontáneamente de un cuerpo más caliente a uno más frío.

Segunda Ley de la Termodinámica

Los sistemas tienden a aumentar su entropía (medida del desorden). La entropía reduce la capacidad de realizar trabajo. Para reducir la entropía, se debe aumentar el trabajo.

  • Ningún proceso que implique transformación energética puede ocurrir espontáneamente sin que parte de la energía se degrade (pase de una forma con mayor capacidad de realizar trabajo a una con menor capacidad).
  • La vida es posible solo en un sistema abierto, al cual ingresa continuamente energía de alta calidad.
  • ΔS del sistema: Mide el desorden o la dispersión de energía dentro del sistema.
  • ΔS del universo: Es la suma de la entropía del sistema y del entorno: ΔS universo = ΔS sistema + ΔS alrededor.

Según la Segunda Ley de la Termodinámica:

  • Si ΔS del universo > 0: El proceso es espontáneo.
  • Si ΔS del universo < 0: El proceso no puede ocurrir espontáneamente.
  • Si ΔS del universo = 0: El sistema está en equilibrio.

Ley de Gibbs

Establece que la energía libre de un sistema (G) depende de la entalpía (H), la temperatura (T) y la entropía (S) según la ecuación:

∆G = ∆H – T∆S

  • Si (∆G < 0): La reacción es espontánea y exergónica (ej: luz solar).
  • Si (∆G > 0): La reacción es no espontánea y endergónica.
  • Si (∆G = 0): El sistema está en equilibrio.

Esta ley determina si un proceso ocurre espontáneamente o necesita energía externa.

Entropía: Es la energía transferida como calor (pérdida o ganancia) en relación con la temperatura del sistema. ∆S sistema = ∆Q / T

Bioenergética: Reacciones y Metabolismo

La bioenergética estudia cómo los organismos adquieren, utilizan y transfieren energía.

Tipos de Reacciones

  • Endergónicas: Los reactivos tienen menos energía libre que los productos (la reacción es energéticamente “cuesta arriba”).
  • Exergónicas: Los reactivos tienen más energía libre que los productos (la reacción es energéticamente “cuesta abajo”).
  • Endotérmicas: Absorben energía (luz o calor). La entalpía de los reactivos es menor que la de los productos.
  • Exotérmicas: Liberan energía (luz o calor).

Metabolismo

Conjunto de reacciones químicas que mantienen la homeostasis.

Ley del Diezmo Ecológico

Durante la transferencia de energía de un nivel trófico al siguiente, solo se transfiere alrededor del 10%. El 90% restante se metaboliza y se libera como calor, cumpliendo con las leyes de la termodinámica.

Niveles Tróficos y de Energía

  • Productores Primarios: Autótrofos (fotosintéticos o quimiosintéticos).
  • Descomponedores: Liberan nutrientes (protistas, bacterias y hongos).
  • Consumidores: Heterótrofos (obtienen energía de otros seres vivos).

Tipos de Nutrición Heterótrofa

  1. Holozoica: Ingestión de seres vivos o partes de ellos (animales).
  2. Saprofita: Absorción de nutrientes de materia orgánica en descomposición (descomponedores).
  3. Parasitaria: Obtención de nutrientes de un huésped vivo (ectoparásitos y endoparásitos).

Pirámide de Energía

  • La energía disminuye a medida que se asciende en la pirámide trófica.
  • En cada nivel, se transfiere aproximadamente el 10% de la energía.
  • La biomasa, el número y el tamaño de los organismos disminuyen hacia la cima de la pirámide.

Componentes Esenciales: Carbohidratos, Proteínas y Lípidos

Carbohidratos

Biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno (CH₂O)n. También se conocen como azúcares o glúcidos.

Clasificación

  1. Por grupo funcional:
    • Aldosas: Contienen un grupo aldehído (-CHO) (ej: glucosa).
    • Cetosas: Contienen un grupo cetona (C=O) (ej: fructosa).
  2. Por número de carbonos:
    • Triosas (3C), Tetrosas (4C), Pentosas (5C), Hexosas (6C).
  3. Por número de monómeros:
    • Monosacáridos: Unidades simples (glucosa, fructosa, galactosa).
    • Disacáridos: Dos monosacáridos unidos por enlace glucosídico (sacarosa, maltosa, lactosa).
    • Trisacáridos: Tres monosacáridos (rafinosa).
    • Polisacáridos: Cadenas largas de monosacáridos (glucógeno, almidón).

Función principal: Proveer y almacenar energía a corto plazo (4 kcal/g).

Enlaces glucosídicos:

  • α(1→4): Común en almidón y glucógeno. Forma cadenas lineales.
  • α(1→6): Crea ramificaciones en el glucógeno, facilitando el almacenamiento y liberación de energía.

Proteínas

Macromoléculas formadas por cadenas de al menos 50 aminoácidos unidos por enlaces peptídicos (4 kcal/g).

Enlace peptídico: Unión entre el grupo carboxilo (-COOH) de un aminoácido y el grupo amino (-NH2) de otro, liberando agua.

Clasificación según su Estructura

  1. Estructura Primaria: Secuencia lineal de aminoácidos.
  2. Estructura Secundaria: Disposición espacial (hélices alfa o láminas beta) estabilizada por puentes de hidrógeno.
  3. Estructura Terciaria: Plegamiento tridimensional debido a interacciones entre los radicales R.
  4. Estructura Cuaternaria: Asociación de dos o más cadenas polipeptídicas.

Funciones

  • Reserva: Almacenan nutrientes (ovoalbúmina, caseína, ferritina).
  • Estructural: Soporte y resistencia (colágeno, elastina, queratina, mucoproteínas).
  • Hormonal: Regulan procesos metabólicos (insulina, hormona del crecimiento, proteínas G).
  • Transporte: Mueven sustancias (hemoglobina, hemocianina, lipoproteínas).
  • Defensiva: Protección (inmunoglobulinas, fibrinógeno, trombina).
  • Contráctil: Movimiento (actina, miosina, tubulina).
  • Enzimática: Catalizan reacciones (enzimas).

Aminoácidos

Compuestos orgánicos con un grupo amino (-NH2), un grupo carboxilo (-COOH) y una cadena lateral (R) variable.

Clasificación

  • Según su esencialidad:
    • Esenciales: No producidos por el cuerpo (histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano, valina).
    • No esenciales: Producidos por el cuerpo (alanina, asparagina, ácido aspártico, ácido glutámico, serina).
    • Condicionales: Generalmente no esenciales, pero pueden serlo bajo ciertas condiciones (arginina, cisteína).
  • Según sus propiedades químicas:
    • Neutros polares, neutros apolares, ácidos, básicos.
  • Según su importancia en el metabolismo:
    • Glucogénicos, cetogénicos, mixtos.

Funciones

  • Síntesis de proteínas.
  • Precursores de neurotransmisores (triptófano → serotonina).
  • Regulación del metabolismo (arginina en el ciclo de la urea).
  • Producción de energía en situaciones extremas.

Lípidos

Compuestos orgánicos formados por C, H, O, N, P, S. Insolubles en agua, solubles en solventes no polares (9 kcal/g).

Clasificación

  1. Lípidos Simples:
    • Grasas: Ésteres de ácidos grasos con glicerol.
    • Ceras: Ésteres de ácidos grasos con alcoholes monohídricos.
  2. Lípidos Complejos:
    • Fosfolípidos: Contienen un residuo de ácido fosfórico.
    • Glucolípidos: Contienen un ácido graso y un carbohidrato.
  3. Precursores y Derivados: Ácidos grasos, glicerol, esteroides, vitaminas liposolubles.

Tipos de Ácidos Grasos

  • Saturados: Ácido láurico (12:0), mirístico (14:0), palmítico (16:0), esteárico (18:0).
  • Insaturados: Ácido palmitoleico (16:1), oleico (18:1), linoleico (18:2), linolénico (18:3).

Clasificación según su Composición Química

  1. Saponificables:
    • Simples: Acilglicéridos (reserva energética), Céridos (estructural).
    • Complejos: Fosfolípidos (estructural), Glucolípidos (relación).
  2. Insaponificables:
    • Prostaglandinas: Mensajeros químicos.
    • Terpenos: Monoterpenos (geraniol), Diterpenos (vitaminas A y E), Triterpenos (escualeno), Tetraterpenos (β-caroteno), Politerpenos (caucho).
    • Esteroides: Esteroles (colesterol), Hormonas esteroideas (cortisol, aldosterona), Hormonas sexuales (progesterona, estradiol, testosterona).

Funciones de los Lípidos

  1. Almacenamiento de energía.
  2. Aislantes térmicos y protectores.
  3. Composición de membranas celulares.
  4. Transporte de vitaminas liposolubles.
  5. Regulación hormonal.

Vitaminas, Minerales, Coenzimas y Cofactores

Vitaminas

Nutrientes orgánicos esenciales que el cuerpo necesita en pequeñas cantidades y que se obtienen a través de la alimentación.

Vitamina A

  • Liposoluble: Sí
  • Fuentes: Vegetales (zanahorias, espinacas), Animales (hígado, lácteos)
  • Función: Visión, sistema inmunológico, salud de la piel.
  • Déficit: Ceguera nocturna, debilidad inmunológica.
  • Exceso: Toxicidad, daño hepático, malformaciones fetales.

Vitamina D

  • Liposoluble: Sí
  • Fuentes: Vegetales (hongos expuestos al sol, levadura), Animales (pescado graso, hígado)
  • Función: Regula absorción de calcio y fósforo, salud ósea.
  • Déficit: Raquitismo (niños), osteomalacia (adultos).
  • Exceso: Toxicidad, afecta riñones y huesos.

Vitamina E

  • Liposoluble: Sí
  • Fuentes: Vegetales (aceite de oliva, almendras), Animales (pescado, hígado)
  • Función: Antioxidante, protege células, fortalece sistema inmunológico.
  • Déficit: Debilidad muscular, daño neurológico.
  • Exceso: Generalmente no tóxica, puede interferir con coagulación.

Vitamina K

  • Liposoluble: Sí
  • Fuentes: Vegetales (hojas verdes), Animales (hígado, carne de res)
  • Función: Coagulación sanguínea, salud ósea.
  • Déficit: Sangrados, problemas de coagulación.
  • Exceso: Raro, puede interferir con anticoagulantes.

Vitamina C

  • Liposoluble: No (hidrosoluble)
  • Fuentes: Vegetales (naranjas, pimientos), Animales (hígado de res, en menor cantidad)
  • Función: Repara tejidos, absorbe hierro, refuerza sistema inmunológico.
  • Déficit: Escorbuto (encías sangrantes, debilidad, dolor articular).
  • Exceso: Malestar estomacal, diarrea.

Vitaminas del Complejo B

  1. Vitamina B1 (Tiamina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (arroz integral, semillas de girasol), Animales (cerdo, hígado)
    • Déficit: Beri-beri (problemas nerviosos y cardiovasculares).
    • Exceso: Generalmente no tóxica.
  2. Vitamina B2 (Riboflavina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (espinacas, almendras), Animales (leche, hígado)
    • Déficit: Dermatitis, queilosis, glositis.
    • Exceso: No se conoce toxicidad.
  3. Vitamina B3 (Niacina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (cacahuates, arroz integral), Animales (pavo, hígado)
    • Déficit: Pelagra (dermatitis, diarrea, demencia).
    • Exceso: Enrojecimiento de la piel, mareos, daño hepático.
  4. Vitamina B5 (Ácido Pantoténico)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (aguacate, brócoli), Animales (Pollo, huevos)
    • Déficit: Causa fatiga, irritabilidad y problemas digestivos  
    • Exceso: Generalmente no es tóxica, pero en dosis muy altas puede causar diarrea
  5. Vitamina B6 (Piridoxina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (plátanos, garbanzos), Animales (pavo, pescado)
    • Déficit: Anemia, irritabilidad, problemas de piel.
    • Exceso: Daño nervioso (neuropatía).
  6. Vitamina B7 (Biotina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (nueces, espinacas), Animales (hígado, huevos)
    • Déficit: Pérdida de cabello, erupciones, fatiga.
    • Exceso: No se conocen efectos tóxicos.
  7. Vitamina B9 (Ácido Fólico)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (espinacas, lentejas), Animales (hígado de pollo, carne de res)
    • Déficit: Anemia megaloblástica, defectos del tubo neural en el embarazo.
    • Exceso: Puede enmascarar deficiencia de B12.
  8. Vitamina B12 (Cobalamina)
    • Liposoluble: No (hidrosoluble)
    • Fuentes: Vegetales (no se encuentra en fuentes vegetales), Animales (pescado, carne de res)
    • Déficit: Anemia perniciosa, daño nervioso.
    • Exceso: Generalmente no tóxica, posible acné.

Minerales

Elementos inorgánicos esenciales para diversas funciones del organismo, obtenidos a través de la dieta.

Calcio (Ca)

  • Tipo: Macromineral
  • Fuentes: Vegetales (espinacas, brócoli), Animales (leche, queso)
  • Función: Formación de huesos y dientes, contracción muscular, transmisión nerviosa.
  • Déficit: Osteoporosis, debilidad muscular, espasmos.
  • Exceso: Cálculos renales, afecta absorción de otros minerales.

Fósforo (P)

  • Tipo: Macromineral
  • Fuentes: Vegetales (frutos secos, legumbres), Animales (carne, pescado)
  • Función: Formación de huesos y dientes, producción de energía celular.
  • Déficit: Afecta salud ósea y función muscular.
  • Exceso: Interfiere con absorción de calcio, problemas renales.

Magnesio (Mg)

  • Tipo: Macromineral
  • Fuentes: Vegetales (almendras, espinacas), Animales (pescado, carne de res)
  • Función: Contracción muscular, función nerviosa, formación de huesos.
  • Déficit: Debilidad muscular, calambres, arritmias.
  • Exceso: Diarrea, hipotensión, problemas cardíacos.

Sodio (Na)

  • Tipo: Macromineral
  • Fuentes: Vegetales (apio, remolacha), Animales (carne, lácteos)
  • Función: Equilibrio de líquidos, función nerviosa.
  • Déficit: Deshidratación, calambres, baja presión arterial.
  • Exceso: Hipertensión, problemas cardiovasculares.

Potasio (K)

  • Tipo de mineral: Macromineral  
  • Fuentes vegetales: Plátanos, papas  
  • Fuentes animales: Pescado, carne de res  
  • Función principal: Mantiene el equilibrio de líquidos y participa en la función muscular y nerviosa  
  • Déficit: Puede causar debilidad muscular, fatiga y alteraciones cardíacas  
  • Exceso: Puede causar arritmias cardíacas y problemas renales

Cloro (Cl)

  • Tipo de mineral: Macromineral  
  • Fuentes vegetales: Vegetales de hoja verde, tomates  
  • Fuentes animales: Carne, productos lácteos  
  • Función principal: Ayuda a mantener el equilibrio de líquidos y participa en la digestión, en la forma de ácido clorhídrico  
  • Déficit: Es raro, pero puede causar alteraciones en el equilibrio de líquidos  
  • Exceso: Puede contribuir a la hipertensión

Hierro (Fe)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Espinacas, lentejas  
  • Fuentes animales: Carne roja, hígado  
  • Función principal: Esencial para la formación de hemoglobina y el transporte de oxígeno en la sangre  
  • Déficit: Causa anemia, fatiga y debilidad  
  • Exceso: Puede dañar el hígado y el corazón, y causar problemas digestivos

Yodo (I)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Algas marinas, brócoli  
  • Fuentes animales: Pescado, mariscos  
  • Función principal: Esencial para la síntesis de hormonas tiroideas, que regulan el metabolismo  
  • Déficit: Puede causar bocio y alteraciones en el metabolismo  
  • Exceso: Puede alterar la función tiroidea y causar hipertiroidismo

Zinc (Zn)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Semillas de calabaza, garbanzos  
  • Fuentes animales: Carne de res, mariscos  
  • Función principal: Participa en la función inmunológica, la cicatrización de heridas y la síntesis de proteínas  
  • Déficit: Causa pérdida de apetito, retraso en el crecimiento y debilidad inmunológica  
  • Exceso: Puede afectar la absorción de cobre y causar problemas gastrointestinales

Cobre (Cu)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Frutos secos, semillas  
  • Fuentes animales: Hígado, mariscos  
  • Función principal: Esencial para la form de hemoglobina y el mantenimiento de los vasos sanguíneos  
  • Déficit: P anemia y debilidad del sistema inmunológico  
  • Exceso: Puede ser tóxico, afectando el hígado y los riñones

Manganeso (Mn)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Nueces, avena  
  • Fuentes animales: Pavo, cordero  
  • Función principal: Participa en la formación de huesos, en la cicatrización de heridas y en el metabolismo de carbohidratos  
  • Déficit: Puede causar problemas en el metabolismo y retraso en el crecimiento  
  • Exceso: Puede causar daño neurológico y afectar el sistema nervioso

Selenio (Se)

  • Tipo de mineral: Micromineral  
  • Fuentes vegetales: Nueces de Brasil, arroz integral  
  • Fuentes animales: Pescado, carne de res  
  • Función principal: Actúa como antioxidante, protegiendo las células del daño  
  • Déficit: Puede afectar el sistema inmunológico y la función cardiaca  
  • Exceso: toxicidad, con síntomas como mal aliento, caída del cabello y problemas gastrointestinales

Clasificación General de Minerales:

  • Macrominerales: Necesarios en mayores cantidades (calcio, fósforo, magnesio, sodio, potasio, cloro).
  • Microminerales: Necesarios en menores cantidades (hierro, yodo, zinc, cobre, manganeso, selenio).

Coenzimas y Cofactores

  • Coenzima: Molécula orgánica no proteica que se une a una enzima para ayudar en reacciones químicas. Muchas derivan de vitaminas.
  • Cofactor: Sustancia (orgánica o inorgánica) requerida para que una enzima ejerza su actividad.