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                      TERMODINÁMICA EN REACCIONES BIOQUÍMICAS 

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                      TERMODINÁMICA EN REACCIONES BIOQUÍMICAS 

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                                       Reacciones Bioquímicas 

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                                       Reacciones Bioquímicas 

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Es una reacción química que se lleva a cabo dentro de los organismos vivos. El conjunto de reacciones bioquímicas de un organismo es su metabolismo. Aunque los sistemas biológicos son muy complejos, sus reacciones químicas aun se rigen por los conceptos fundamentales de la termodinámica (Melo and Cuamatzi 2020).

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Termodinámica bioquímica es el estudio de los cambios de energía que ocurren en las reacciones bioquímicas  (Romero).

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Todas las reacciones bioquímicas son aceleradas catalíticamente por sustancias de naturaleza protéica. Los biocatalizadores (enzimas) son indispensables para la vida, se encuentran presentes en todas las células y actúan en cantidades mínimas. Son sustancias específicas que actúan bajo condiciones fisiológicas específicas de temperatura, presión, acidez y otros factores presentes en los organismos vivos (Macías, et al., 2018)
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Las reacciones bioquímicas ocurren a alta velocidad gracias a las enzimas.

Ocurren a temperaturas constantes, casi siempre a 37°C

Presión debe ser constante

Sus reactantes son en general, proteínas, ácidos grasos, glucosa, etc. denominadas biomoléculas

Las reacciones bioquímicas son reguladas y regulables de acuerdo a ciertas circunstancias, por ejemplo, la cantidad y velocidad de producción de insulina es regulada de acuerdo a la cantidad de glucosa presente en la sangre (Instituto para el Desarrollo y Actualización de Profesionales)

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Reacciones catabólicas: Son reacciones exotérmicas que ocurren en los seres vivos. Estas reacciones separan las moléculas en unidades más pequeñas y liberan energía,como por ejemplo, la reacción química donde ocurre la ruptura de la glucosa, que libera energía necesaria paraque las células puedan llevar a cabo sus procesos.

Reacciones anabólicas: Son las reacciones endotérmicas en los organismos. Estas construyen moléculas más grandes a partir de otras más pequeñas, como por ejemplo, la unión de aminoácidos para formar una proteína (CK-12, 2015).

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Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando ΔG es negativo o es exergónico, cuando ΔG=0 el proceso esta en equilibrio  

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Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando ΔG es negativo o es exergónico, cuando ΔG=0 el proceso esta en equilibrio  

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Uno de los procesos bioquímicos donde se encuentra la termodinámica es en la "Oxidación de la glucosa" (Excmo Sr Presidente and Sras).

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El ΔG representa el máximo de trabajo útil que puede proporcionar una reacción. Para el caso de la glucosa podríamos obtener hasta 2823 KJ/mol de glucosa oxidada hasta CO2 y H2O. El primer punto que debemos destacar es que no importa si la glucosa se quema en el aire o se metaboliza en nuestras células: por cada 180.15 g = 1 mol de glucosa que reacciona con el oxigeno, se desprenden 2823 KJ  de energía (del Campo 2009).

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La conversión de trifosfato de adenosina ATP, en difosfato de adenosina ADP es una reacción bioquímica muy importante, de la misma manera que es considerado por los biólogos como la moneda de energía para la vida (Galindo Ramírez & Flores Urbina, 2006). Se puede presentar todo el proceso de la siguiente manera:

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Esta conversión constituye un importante proceso de almacenamiento y utilización de energía a nivel subcelular y constituye una molécula rica en energía debido a que su unidad trifosfato contiene dos enlaces fosfoanhídrido (Berg et al., 2002). Principalmente, la reacción representada anteriormente nos indica que la molécula del ATP se divide en moléculas de ADP y de fosfato, a su vez que se liberan 24.3 KJ de energía  por mol de ATP(David W. Ball, 2004).

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Este estado incluye el requisito de que una solución acuosa sea neutra (ni ácida, ni básica), con un pH de 7. Además se debe emplear el índice primo ( ' ) en una función de estado para significar que se refiere a una reacción en el estado estándar de bioquímica (Ball, 2004).

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Es muy importante mencionar  que el ∆G de una reacción depende únicamente de la diferencia entre la energía libre de los productos (estado final) y la energía libre de los reactantes (estado inicial). (Padilla, 2016)

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La relación entre ΔG0' y keq' es

ΔG0' = - R T ln keq' = - R T 2.030 log₁₀ keq'

donde

R = 8.315 [J mol⁻¹ K⁻¹] (la constante molar de los gases)
T = temperatura [K]

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Una reacción será favorable si

ΔG 0' < 0

Sin embargo, la reacción puede necesitar un catalizador para que ocurra en una plazo de tiempo razonable, este catalizador toma el nombre de "enzima".

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Los principios de la termodinámica aplicados en el metabolismo celular    

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Los principios de la termodinámica aplicados en el metabolismo celular    

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La primera reacción de la glucólisis es la formación de la glucosa 1-fosfato a partir de glucosa, esta es una reacción desfavorable a partir del punto de vista termodinámico, como se explica a continuación (Vargas, Garz et al. 2017):

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Ejemplos de cambios de energía libre bajo condiciones estándares

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Ejemplos de cambios de energía libre bajo condiciones estándares

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(símbolo S) es la medida de desorden de alguna cosa. Representa el estado más probable de todas las posibilidades estadísticas del sistema, por lo tanto el concepto tiene múltiples aplicaciones  (Romero).

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En química (y por ende en Bioquímica) hay tres grandes conceptos basados en la idea de la entropía (Malpica):

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En química (y por ende en Bioquímica) hay tres grandes conceptos basados en la idea de la entropía (Malpica):

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1. Estados Intramoleculares (Grados de libertad)

Cuanto más grados de libertad tenga una molécula, es decir cuanto más se mueva una molécula en el espacio, se tendrá mayor grado de desorden y por ende mayor entropía.

2. Estructuras Intermoleculares

A menudo se crean estructuras nuevas cuando las moléculas interaccionan una con otra mediante la formación de enlaces no covalentes

3. Número de posibilidades

Mientras más moléculas estén presente, existirá mayor número de posibilidades diferentes para distribuir las moléculas en el espacio, lo que significa un mayor grado de desorden de acuerdo a la estadística.

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Cuando los productos de la reacción son menos complejos y más desordenados que los reactantes se dice que la reacción procede con una ganancia en entropía: Por ejemplo, la oxidación de la glucosa (Malpica):

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Bajos las condiciones establecidas por el estado estándar bioquímico, se define ΔG como la energía libre de cambio estándar ΔG 0'' (Vásquez, 1996).
Para una reacción

A + B ⇌ C + D

la relación entre los productos y los reactivos viene dada por k eq' (=keq a pH 7,0)

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Berg, J. M., Tymoczko, J. L., & Stryer, L. (2002). Metabolism Is Composed of Many Coupled, Interconnecting Reactions. Biochemistry. 5th Edition. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22439/

CK-12. (2015). Tipos de reacciones químicas. Obtenido de. https://www.ck12.org/book/ck-12-conceptos-biolog%C3%ADa/section/1.16/

David W. Ball. (2004). Fisicoquímica. International Cengage Editores,S.A. de C.V.

Del Campo, J. J. S. M. (2009). Estudio cinético y termodinámico de la reacción catalizada por la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa con NAD, INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

Excmo Sr Presidente, A. and E. Sras. (s.f). "Termodinámica y evolución."

Galindo Ramírez, F., & Flores Urbina, A. (2006). De la energética a la neurotransmisión: El adenosín trifosfato y sus receptores. Revista de Neurología, 43(11), 667. https://doi.org/10.33588/rn.4311.2005339

Instituto para el Desarrollo y Actualización de Profesionales.(s.f). Bioquímica. Obtenido de. http://www.idap.com.mx/apuntes/Bioquimica/Bioqumica(1).doc

Malpica, S. d. (s.f.). BIOQUÍMICA BÁSICA. Escuela de Biología, Facultad de Ciencias, U.C.V, 87. Obtenido de http://www.ucv.ve/fileadmin/user_upload/facultad_odontologia/Imagenes/Portal/Bioquimica/Unidad_III.pdf

Melo, V. and O. Cuamatzi (2020). Bioquímica de los procesos metabólicos, Reverte.

Padilla Rodríguez, R. (2016). Perfiles metabólicos en bovinos especializados en producción de leche de la raza Holstein, en la zona del Volcán Poás: determinación en valores.

Romero, M. (s.f.). BIOENERGETICA. Obtenido de http://www.ucv.ve/fileadmin/user_upload/facultad_agronomia/Producion_Animal/Nutrici%C3%B3n_Animal/BIOENERGETICA.pdf

Santana Sornoza, J. W., Espinoza Macías, M. J., Ubillús Saltos, S. P., Arteaga Espinoza, S. X., Torres Macías, O. E., Pigüave Reyes, J. M., Mera Villamar, L. A., Chavarría Cedeño, D. I., & Intriago Sánchez, K. J. (2018). Introducción al estudio de la bioquímica (1.a ed.). Editorial Científica 3Ciencias. https://doi.org/10.17993/CcyLl.2018.28

Vargas, R., et al. (2017). "Termodinámica."

Vásquez, L. M. (1996). CAMBIO DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS POR IMPAGO ELECTROMAGNÉTICO. Ciencia & Desarrollo, (3), 15-21.