Friday, January 14, 2011

Procesos Energeticos de los Seres Vivos

INTRODUCCIÓN

Todo ser viviente cumple una función en la tierra pero para ello requiere de materia prima para poder cumplir su labor sea cual sea. Es decir, para ello debe estar provisto de energía entiéndase por esta la materia prima de todo ser viviente para realizar una función en específica o bien para su correcto funcionamiento dentro de un área determinada. Por ejemplo para los seres humanos y los animales la energía la obtenemos mediante el metabolismo y el complejo proceso que realiza el cuerpo humano para procesar los alimentos contener en el cuerpo la materia hecha energía y desechar los residuos, al igual que los animales. En el caso de las plantas sucede algo muy similar pero de complejo sumario que es uno de los mayores descubrimientos hechos por el hombre en su ansiedad de descubrir el mundo que lo rodea. Este proceso de transformación de nutrientes absorbidos por las plantas a través de sus raíces recibe el nombre de FOTOSÍNTESIS. Es un complejo proceso en donde ciertos elementos como la luz del sol, juegan un papel imprescindible durante todo el transcurso del mismo y cabe destacar que este proceso ocurre en cuestiones de segundos. A pesar de ser complejo y corto, ocurre continuamente.

Bien mientras el estudio de la fotosíntesis sigue siendo un constante resurgir de ideas hay otro proceso o más bien leyes que rigen el comportamiento de la energía en un sistema y que de ello va a depender no solo eso sino también el trabajo que realiza un sistema durante la transmisión de energía con su entorno aunque no necesariamente se transfiere energía al medio, también se puede recibir sin retribuir. El ramo de la ciencia física que estudia estos cambios de energía es la termodinámica y cuyos principios son de irrelevante importancia suprema para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería debido a la descripción y relación de las propiedades y cambios de la materia así como sus intercambios energéticos Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX a través de meticulosos experimentos, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.



LEYES DE LA TERMODINÁMICA

o PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA:

Este principio establece que existe una determinada propiedad, denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado. Tiene tremenda importancia experimental:

— pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema.

— pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.


El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo. El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez esta dentro del físico químico y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final. A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema.

Este principio fundamental, aun siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

Esta ley se expresa como: Eint = Q - W

Cambio en la energía interna en el sistema = Calor agregado (Q) - Trabajo efectuado por el sistema (W).

Notar que el signo menos en el lado derecho de la ecuación se debe justamente a que W se define como el trabajo efectuado por el sistema.

Para entender esta ley, es útil imaginar un gas encerrado en un cilindro, una de cuyas tapas es un émbolo móvil y que mediante un mechero podemos agregarle calor. El cambio en la energía interna del gas estará dado por la diferencia entre el calor agregado y el trabajo que el gas hace al levantar el émbolo contra la presión atmosférica.

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Decimos que si un sistema está en estado de equilibrio cuando podemos describirlo por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, el volumen, temperatura, campo magnético y otros la primera ley sigue verificándose si los estados por los que pasa el sistema de un estado inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo podemos aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.

Hay algunas preguntas importantes que no puede decir la primera ley. Por ejemplo, aunque nos dice que la energía se conserva en todos los procesos, no nos dice si un proceso en particular puede ocurrir realmente. Esta información nos la da una generalización enteramente diferente, llamada segunda ley de la termodinámica, y gran parte de los temas de la termodinámica dependen de la segunda ley.

o SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

Esta ley arrebata la dirección en la que deben llevarse a cabo los procesos termodinámicos y, por lo tanto, la imposibilidad de que ocurran en el sentido contrario (por ejemplo, que una mancha de tinta dispersada en el agua pueda volver a concentrarse en un pequeño volumen). También establece, en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin pérdidas. De esta forma, la segunda ley impone restricciones para las transferencias de energía que hipotéticamente pudieran llevarse a cabo teniendo en cuenta sólo el Primer Principio. Esta ley apoya todo su contenido aceptando la existencia de una magnitud física llamada entropía, de tal manera que, para un sistema aislado (que no intercambia materia ni energía con su entorno), la variación de la entropía siempre debe ser mayor que cero.

Debido a esta ley también se tiene que el flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de mayor temperatura hacia los de menor temperatura, hasta lograr un equilibrio térmico.

La aplicación más conocida es la de las máquinas térmicas, que obtienen trabajo mecánico mediante aporte de calor de una fuente o foco caliente, para ceder parte de este calor a la fuente o foco o sumidero frío. La diferencia entre los dos calores tiene su equivalente en el trabajo mecánico obtenido.

Existen numerosos enunciados equivalentes para definir este principio, destacándose el de Clausius y el de Kelvin.

 Enunciado de Clausius: En palabras de Sears es: "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada".

 Enunciado de Kelvin: No existe ningún dispositivo que, operando por ciclos, absorba calor de una única fuente (Energía absorbida), y lo convierta íntegramente en trabajo (Energía útil).




  • o TERCERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:

    La Tercera de las leyes de la termodinámica, propuesta por Walther Nernst, afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto mediante un número finito de procesos físicos. Puede formularse también como que a medida que un sistema dado se aproxima al cero absoluto, su entropía tiende a un valor constante específico. La entropía de los sólidos cristalinos puros puede considerarse cero bajo temperaturas iguales al cero absoluto. No es una noción exigida por la Termodinámica clásica, así que es probablemente inapropiado tratarlo de “ley”.
    Es importante recordar que los principios o leyes de la Termodinámica son sólo generalizaciones estadísticas, válidas siempre para los sistemas macroscópicos, pero inaplicables a nivel cuántico. El demonio de Maxwell ejemplifica cómo puede concebirse un sistema cuántico que rompa las leyes de la Termodinámica.
    Asimismo, cabe destacar que el primer principio, el de conservación de la energía, es la más sólida y universal de las leyes de la naturaleza descubiertas hasta ahora por las ciencias.

    LEYES DE LA TERMODINÁMICA (EJEMPLOS)

    o Ley cero de la termodinámica: Si los cuerpos A y B están en equilibrio térmico con el cuerpo C, entonces A y B están en equilibrio térmico entre sí.

    o Primera ley: En la transformación de cualquier tipo de energía, en energía calorífica, o viceversa, la energía producida equivale, exactamente, a la energía transformada, es decir que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.


    Q =cal
    U =cal
    W = cal
    U=Q-W

    o Segunda ley: Afirma la imposibilidad de movimiento continuo, esto es que, todos los procesos de la naturaleza tienden a producirse sólo con un aumento de entropía y la dirección del cambio siempre es en la del incremento de la entropía, o que no existe máquina que, sin recibir energía exterior, pueda transferir calor a otro, (de mayor temperatura) para elevar su temperatura.

    E = cal/°C
    Q=cal
    T = °C
    E=^Q / T

    o Tercera ley: La entropía de todo sólido cristalino puro se puede considerar nula a la temperatura del cero absoluto.

    E=0

    LA FOTOSÍNTESIS

    En la fotosíntesis las células con clorofila de las plantas verdes atrapan una pequeña cantidad de energía luminosa para convertir el dióxido de carbono que toman del aire y el agua que toman del suelo en azúcar y oxígeno que es energía química. Se estudian juntas porque son dos funciones metabólicas antagónicas, pero complementarias ya que depende la una de la otra.



    Se ha avanzado mucho, sobre todo en los últimos años, en cuanto a los procesos de la fotosíntesis, aunque todavía hay aspectos que no se conocen suficientemente. El proceso se puede empezar de la siguiente reacción química.

    6CO2+6H2O+energía (ATP) → C6H12O6+6O2

    Este proceso se realiza en un organoide llamado cloroplasto que es único y exclusivo de las células vegetales y tienen en su interior la clorofila. Se considera que se produce en dos fases sucesivas: Una, en presencia de luz o reacción fotoquímica y la otra se da en la fase oscura o afotónica.

    FASES DE LA FOTOSÍNTESIS


    En la fotosíntesis se diferencian dos etapas, con dos tipos de reacciones:

    1. Fase luminosa: en en tilacoide en ella se producen transferencias de electrones.

    2. Fase oscura: en el estroma. En ella se realiza la fijación de carbono.

     FASE LUMINOSA:

    Los hechos que ocurren en la fase luminosa de la fotosíntesis se pueden resumir en estos puntos:

    1. Síntesis de ATP o fotofosforilación que puede ser:
    o acíclica o abierta
    o cíclica o cerrada
    2. Síntesis de poder reductor NADPH
    3. Fotolisis del agua.

    Los pigmentos presentes en los tilacoides de los cloroplastos se encuentran organizados en fotosistemas (conjuntos funcionales formados por más de 200 moléculas de pigmentos); la luz captada en ellos por pigmentos que hacen de antena, es llevada hasta la molécula de "clorofila diana" que es la molécula que se oxida al liberar un electrón, que es el que irá pasando por una serie de transportadores, en cuyo recorrido liberará la energía.



    Existen dos tipos de fotosistemas, el fotosistema I (FSI), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a longitudes de ondas largas (700 nm) y se conoce como P700. El fotosistema II (FSII), está asociado a moléculas de clorofila que absorben a 680 nm. por eso se denomina P680.

    La luz es recibida en el FSII por la clorofila P680 que se oxida al liberar un electrón que asciende a un nivel superior de energía; ese electrón es recogido por una sustancia aceptora de electrones que se reduce,la Plastoquinona (PQ) y desde ésta va pasando a lo largo de una cadena transportadora de electrones, entre los que están varios citocromos (cyt b/f) y así llega hasta la plastocianina (PC) que se los cederá a moléculas de clorofila del FSI.

    En el descenso por esta cadena, con oxidación y reducción en cada paso, el electrón va liberando la energía que tenía en exceso; energía que se utiliza para bombear protones de hidrógeno desde el estroma hasta el interior de los tilacoides, generando un gradiente electroquímico de protones. Estos protones vuelven al estroma a través de la ATP-asa y se originan moléculas de ATP.

    El fotosistema II se reduce al recibir electrones procedentes de una molécula de H2O, que también por acción de la luz, se descompone en hidrógeno y oxígeno, en el proceso llamado fotólisis del H2O. De este modo se puede mantener un flujo continuo de electrones desde el agua hacia el fotosistema II y de éste al fotosistema I.
    En el fotosistema I la luz produce el mismo efecto sobre la clorofila P700, de modo que algún electrón adquiere un nivel energético superior y abandona la molécula, es recogido por otro aceptor de electrones, la ferredoxina y pasa por una nueva cadena de transporte hasta llegar a una molécula de NADP+ que es reducida a NADPH, al recibir dos electrones y un protón H+ que también procede de la descomposición del H2O.


    Los dos fotosistemas pueden actuar conjuntamente - proceso conocido como esquema en Z, para producir la fotofosforilación (obtención de ATP) o hacerlo solamente el fotosistema I; se diferencia entonces entre fosforilación no cíclica o acíclica cuando actúan los dos, y fotofosforilación cíclica, cuando actúa el fotosistema I únicamente. En la fotofosforilación acíclica se obtiene ATP y se reduce el NADP+ a NADPH, mientras que en la fotofosforilación cíclica únicamente se obtiene ATP y no se libera oxígeno.

     FASE OSCURA:

    En esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase luminosa, en reducir CO2, Nitratos y Sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.

    Las plantas obtiene el CO2 del aire a través de los estomas de sus hojas. El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin., en honor de su descubridor M. Calvin.

    La fijación del CO2 se produce en tres fases:

    1. Carboxilativa: El CO2 se fija a una molécula de 5C, la ribulosa 1,5 difosfato, formándose un compuesto inestable de 6C, que se divide en dos moléculas de ácido 3 fosfoglicérico conocido también con las siglas de PGA.

    2. Reductiva: El ácido 3 fosfoglicérico se reduce a gliceraldehido 3 fosfato, también conocido como PGAL, utilizándose ATP Y NADPH.

    3. Regenerativa/Sintética: Las moléculas de gliceraldehido 3 fosfato formadas siguen diversas rutas; de cada seis moléculas, cinco se utilizan para regenerar la ribulosa 1,5 difosfato y hacer que el ciclo de calvin pueda seguir, y una será empleada para poder sintetizar moléculas de glucosa (vía de las hexosas), ácidos grasos, amoinoácidos... etc; y en general todas las moléculas que necesita la célula.

    En el ciclo para fijar el CO2, intervienen una serie de enzimas, y la más conocida es la enzima Rubisco (ribulosa 1,5 difosfato carboxilasa/oxidasa), que puede actuar como carboxilasa o como oxidasa, según la concentración de CO2.

    Si la concentración de CO2 es baja, funciona como oxidasa, y en lugar de ayudar a la fijación de CO2 mediante el ciclo de Calvin, se produce la oxidación de glúcidos hasta CO2 y H2O, y al proceso se le conoce como fotorrespiración. La fotorrespiración no debe confundirse con la respiración mitocondrial, la energía se pierde y no se produce ni ATP ni NADPH; y como se ve en el esquema se disminuye el rendimiento de la fotosíntesis, porque sólo se produce una molécula de PGA que pasará al ciclo de Calvin; en cambio cuando funciona como carboxilasa, se obtienen dos moléculas de PGA.



    CICLO DE CALVIN BENSON

    El Ciclo de Calvin (o de los tres carbonos) se desarrolla en estroma de los cloroplastos (¿donde ocurrirá en los procariotas?). El anhídrido carbónico es fijado en la molécula ribulosa 1,5 bifosfato (RuBP). La RuBP tiene 5 carbonos en su molécula. Seis moléculas de anhídrido carbónico entran en el Ciclo de Calvin y, eventualmente, producen una molécula de glucosa.

    El primer producto estable del ciclo es el ácido 3- fosfoglicérico (PGA), molécula de tres carbonos. Globalmente 6 moléculas de RuBP (ribulosa bifosfato) se combinan con 6 de anhídrido carbónico y dan 12 de 3-fosfoglicérico. La enzima que cataliza esta reacción es la RuBP carboxilasa (la rubisco), posiblemente la proteína más abundante del mundo y se encuentra en la superficie de las membrana tilacoideas.
    La energía del ATP y el NADPH generados por los fotosistemas se usan para "pegar" fosfatos (fosforilar) al 3-PGA y reducirlo a fosfogliceraldehido o PGAL, también de tres carbonos.

    Del total de 12 moléculas transformadas, dos moléculas de 3-PGAL salen del ciclo para convertirse en glucosa. Las moléculas restantes de PGAL son convertidas por medio del ATP en 6 moléculas de RuBP (5 carbonos), que recomienzan el ciclo.
    Recuerde la complejidad de los seres vivos, al igual que en el ciclo de Krebs cada reacción es catalizada por una enzima específica.

    IMPORTANCIA DE LA FOTOSÍNTESIS

    La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la Biosfera por varios motivos:

     La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos.

     Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos.

     En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante.

     La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora.

     De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural.

     El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis.

    Entonces se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.

    RESPIRACIÓN

    La respiración es un proceso catabólico en el que se oxida una molécula combustible, la glucosa, cuya energía es atrapada en forma de ATP (fuente universal de energía).
    La respiración puede ser anaeróbica en ausencia del oxígeno (glucólisis) o aeróbica en presencia de oxígeno molecular.

    La reacción general de oxidación de la glucosa es:

    C6 H 12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O + 686 Kcal * mol-1 (1)

    Esto significa que 180 g (1 mol) de glucosa es oxidada por 192 g (6moles) de oxígeno, con la formación de 264 g (6moles) de CO2, 108 g (6 moles) de agua y la liberación de 686 Kcal * mol-1 (2872 KJ * mol-1), ésta es una reacción fuertemente exergónica, con una energía libre (DGo) negativa, y representa la respiración aeróbica. Esto significa que por cada mol de oxígeno absorbido (32g.), se producen 114 Kcal de energía. De la ecuación (1) se deduce que la respiración se puede medir por la cantidad de oxígeno absorbido o de anhídrido carbónico liberado.

    CICLO RESPIRATORIO

    Las tres funciones básicas de la respiración son:

    • Aportar oxígeno para las necesidades de energía del cuerpo.

    • Eliminar el dióxido de carbono.

    • Ayudar a mantener el pH del plasma sanguíneo.

    La mecánica del ciclo respiratorio consiste en procesos alternados de inspiración y espiración. Durante la inspiración, los músculos esqueléticos como el diafragma e intercostales externos se contraen. Así, aumenta el volumen de la cavidad torácica, desciende la presión intrapleurla, y entra aire en los pulmones.

     Espiración: En una respiración en reposo, los músculos inspiratorios se relajan, causando que el volumen de la cavidad torácica y los pulmones se reduzcan. Esta reducción fuerza el aire a salir hacia la atmósfera. Normalmente la espiración es pasiva. Durante el ejercicio o espiración forzada (ejemplo, tos) la espiración se vuelve un evento activo y depende de la activación de los músculos espiratorios que bajan la caja torácica y comprimen los pulmones.

    Una manera de determinar la actividad respiratoria es usando el neumógrafo que convierte la expansión y contracción del pecho en cambios de voltaje que aparecen como onda: aumento del voltaje = inspiración; disminución del voltaje = espiración. Otra forma de medir la respiración es colocando un transductor de temperatura cerca de la nariz. La temperatura del aire que entra en la nariz es frío durante la inspiración y caliente durante la espiración.

     Hiperventilación: El ritmo respiratorio y la profundidad aumenta, así que los pulmones se deshacen más rápidamente del dióxido de carbono de lo que se está produciendo. Los iones de hidrogeno son eliminados de los fluidos corporales y el pH se hace más elevado. Esto tiende a bajar la ventilación hasta que los niveles de dióxido de carbono e iones de hidrogeno se hacen normales.

     Hipoventilación (respiración baja o lenta): Se gana dióxido de carbono en los fluidos corporales (hipercapnia) ya que los pulmones fallan en remover el dióxido de carbono tan rápidamente como se está produciendo, disminuyendo el pH de la sangre. La retroalimentación de los quimiorreceptores causa que la ventilación aumente hasta que los niveles de dióxido de carbono y pH regresen a valores normales.

    FASES DE LA RESPIRACIÓN

    Comprende dos fases:

    • PRIMERA FASE:

    Se oxida la glucosa (azúcar) y no depende del oxígeno, por lo que recibe el nombre de respiración anaeróbica y glucólisis, reacción que se lleva a cabo en el citoplasma de la célula.

    • SEGUNDA FASE:

    Se realiza con la intervención del oxígeno y recibe el nombre de respiración aeróbica o el ciclo de krebs y se realiza en estructuras especiales de las células llamadas mitocondrias.

    La respiración toma y consume este oxígeno liberando dióxido de carbono (y además agua). El oxígeno es necesario en los seres vivos aeróbicos para la respiración celular, y como un subproducto de este metabolismo de energía es que se desecha el CO2 (dióxido de carbono).

    Si te fijas ambos procesos son parte de un ciclo necesario para la vida de plantas y animales, donde se complementan mutuamente. Se puede decir que ambos procesos son parte de una relación dinámica, macro ecológica.

    CICLO DE KREBS

    El ciclo de Krebs también conocido como ciclo del ácido cítrico es la vía común final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y las cadenas de carbono de los aminoácidos.

    La primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos (ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico).

    El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, en consecuencia se reducen otras moléculas: de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4 carbonos el ácido oxalacético.

    El proceso completo puede describirse como un ciclo de oxalacético a oxalacético, donde dos átomos de carbono se adicionan como acetilo y dos átomos de carbono (pero no los mismos) se pierden como CO2.

    IMPORTANCIA DE LA RESPIRACIÓN

    La respiración es de vital importancia y es la que nos ayuda a entrar en un estado de relajación en el cual podremos visualizar mejor o imaginar mejor lo que queramos para nuestra vida y de ese modo crear la corriente de energía positiva para que esto se realice.

    FERMENTACIÓN

    Es un proceso natural que ocurre en determinados compuestos o elementos a partir de la acción de diferentes actores y que se podría simplificar como un proceso de oxidación incompleta. La fermentación es el proceso que se da en algunos alimentos tales como el pan, las bebidas alcohólicas, el yogurt, etc., y que tiene como agente principal a la levadura o a diferentes compuestos químicos que suplen su acción.
    La fermentación es realizada por diferentes bacterias y microorganismos en medios anaeróbicos, es decir, en los que falta aire, por eso es un proceso de oxidación incompleta. Las bacterias o microorganismos, así como también las levaduras, se alimentan de algún tipo de componente natural y se multiplican, cambiando la composición del producto inicial. En el caso de las levaduras que se utilizan para hacer fermentar el pan, las mismas requieren de la presencia de azúcar o glucosa ya que es esta la que se convierte en su alimento y les permite crecer en tamaño. Lo mismo sucede con la fermentación alcohólica que da bebidas como el vino o la cerveza.

    Tanto en el caso de la fermentación que tiene lugar en los alimentos como la que tiene lugar en las bebidas, ambas suponen la conversión de los azúcares en etanol y esta es la razón por qué muchas veces los alimentos fermentados (tales como el pan o el yogur) poseen cierto aroma particular que proviene de la presencia de esos gases naturales. Dependiendo del tipo de producto al que se haga referencia, el proceso de fermentado será distinto, requiriendo una mayor o menor cantidad de fermento, más o menos tiempo de descanso, más o menos cantidad de azúcares. El exceso del proceso de fermentado puede fácilmente arruinar el producto ya que la presencia de gases en demasía hace que el mismo pierda su cualidad de consumible por el ser humano.

    TIPOS DE FERMENTACIÓN

    • Fermentación acética:

    Es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético. La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la cimología.
    La formación de ácido acético (CH3COOH) resulta de la oxidación de un alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Estas bacterias, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requieren un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuación:

    C2H5OH + O2 → Acetobacter aceti → CH3COOH + H2O

    • Fermentación alcohólica:

    La fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc. Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible.

    La fermentación alcohólica tiene como finalidad biológica proporcionar energía anaeróbica a los microorganismos unicelulares (levaduras) en ausencia de oxígeno para ello disocian las moléculas de glucosa y obtienen la energía necesaria para sobrevivir, produciendo el alcohol y CO2 como desechos consecuencia de la fermentación. Las levaduras y bacterias causantes de este fenómeno son microorganismos muy habituales en las frutas y cereales y contribuyen en gran medida al sabor de los productos fermentados. Una de las principales características de estos microorganismos es que viven en ambientes completamente carentes de oxígeno (O2), máxime durante la reacción química, por esta razón se dice que la fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico.

    • Fermentación butírica:

    La fermentación butírica (descubierta por Louis Pasteur) es la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores pútridos y desagradables.

    Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5.

    • Fermentación láctica:

    Es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico.

    Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.

    IMPORTANCIA DE LA FERMENTACIÓN

    La fermentación es un reacción química muy importante, pues digamos en los alimentos desempeña un papel muy importante en la obtención de productos con mejores calidades organolépticas y mejores propiedades nutricionales, además se pueden obtener combustibles como alcoholes y entre otros.

    CICLO DE LA ENERGÍA

    Toda nuestra energía proviene del sol (energía solar) y ésta se origina de la energía nuclear. Esta energía proveniente del sol la capturan las plantas verdes en forma de energía química a través de la fotosíntesis; esto es, junto con la energía radiante, la clorofila de las plantas, y el agua y el bióxido de carbono, las plantas producen moléculas de alimentos (carbohidratos, grasas, y proteínas) que poseen energía potencial química. Los animales (y seres humanos) dependen de las plantas y otros animales para poder producir su propia energía, la cual se produce mediante la degradación de los nutrientes en la célula (carbohidratos, grasas, y proteínas) con la presencia de oxígeno; dicho proceso se conoce como respiración celular (o metabolismo), y tiene el objetivo de proveer energía para el crecimiento, contracción del músculo, transporte de compuestos y líquidos, y para otras funciones del organismo.

    ENZIMAS

    Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces, químicamente son proteínas Como catalizadores, los enzimas actúan en pequeña cantidad y se recuperan indefinidamente. No llevan a cabo reacciones que sean energéticamente desfavorables, no modifican el sentido de los equilibrios químicos, sino que aceleran su consecución.

    Las enzimas son grandes proteínas que aceleran las reacciones químicas. En su estructura globular, se entrelazan y se pliegan una o más cadenas polipeptídicas, que aportan un pequeño grupo de aminoácidos para formar el sitio activo, o lugar donde se adhiere el sustrato, y donde se realiza la reacción. Una enzima y un sustrato no llegan a adherirse si sus formas no encajan con exactitud.

    IMPORTANCIA DE LAS ENZIMAS

    La importancia de una enzima capaz de aumentar la digestibilidad de las proteínas es crucial. Proteasa es una enzima que degrada otras proteínas. Hay muchos tipos de proteasas y cada una degrada un tipo específico de proteínas. Las proteasas son importantes en la regulación celular, porque constantemente es necesario cortar y reparar moléculas.

    Las proteínas son los materiales que desempeñan un mayor número de funciones en las células de todos los seres vivos. Por un lado, forman parte de la estructura básica de los tejidos (músculos, tendones, piel, espuela, pico, etc.) y, por otro, desempeñan funciones metabólicas y reguladoras (asimilación de nutrientes, transporte de oxígeno y de grasa en la sangre, inactivación de materiales tóxicos o peligrosos, etc.). También son los elementos que definen la identidad de cada ser vivo, ya que son la base de la estructura del código genético ADN y de los sistemas de reconocimiento de organismos extraños en el sistema inmunitario.
    La importancia de las enzimas se pone de manifiesto en el hecho de que una enfermedad letal puede ser causada por el mal funcionamiento de un único tipo de enzima de todos los miles de tipos que existen en nuestro cuerpo.

    ¿QUÉ SE ENTIENDE POR ENERGÍA DE ACTIVACIÓN?

    La energía de activación en química y biología es la energía que necesita un sistema antes de poder iniciar un determinado proceso. La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reacción química dada. Para que ocurra una reacción entre dos moléculas, éstas deben colisionar en la orientación correcta y poseer una cantidad de energía mínima. A medida que las moléculas se aproximan, sus nubes de electrones se repelen.

    Esto requiere energía (energía de activación) y proviene del calor del sistema, es decir de la energía traslacional, vibracional, etcétera de cada molécula. Si la energía es suficiente, se vence la repulsión y las moléculas se aproximan lo suficiente para que se produzca una reordenación de los enlaces de las moléculas. La ecuación de Arrhenius proporciona la base cuantitativa de la relación entre la energía de activación y la velocidad a la que se produce la reacción. El estudio de las velocidades de reacción se denomina cinética química.

    Un ejemplo particular es el que se da en la combustión de una sustancia. Por sí solos el combustible y el comburente no producen fuego, es necesario un primer aporte de energía para iniciar la combustión autosostenida. Una pequeña cantidad de calor aportada puede bastar que se desencadene una combustión, haciendo la energía calórica aportada las veces de energía de activación y por eso a veces a la energía de activación se la llama fuente de cosegracion Según el origen de este primer aporte de energía lo clasificamos como:

    • Químico: La energía química exotérmica desprende calor, que puede ser empleado como fuente de ignición.

    • Eléctrico: El paso de una corriente eléctrica o un chispazo produce calor.

    • Nuclear: La fusión y la fisión nuclear producen calor.

    • Mecánico: Por compresión o fricción, la fuerza mecánica de dos cuerpos puede producir calor.

    Las siguientes representaciones gráficas manifiestan diferencias acerca de cómo la presencia de un catalizador (ejemplo una enzima) por ejemplo biológico disminuye la energia de activacion debido a su complementariedad y por tanto provoca una disminución en el tiempo requerido para que se forme el producto o sea aumenta la velocidad.

    La relación entre la energía de activación ( Ea ) y el incremento de la entalpía de formación (Δ ) con y sin catalizador. El punto de mayor energía (punto del complejo activado) representa el estado de transición. Con un catalizado, la energía requerida para que la reacción entre en el estado de transición disminuye, por lo tanto, la energía necesaria para iniciar la energía también disminuye.

    CONCLUSIONES

    Frecuentemente, el lenguaje de las ciencias empíricas se apropia del vocabulario de la vida diaria. Así, aunque el término “temperatura” parece evidente para el sentido común, su significado padece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero de la termodinámica, que se explicó anteriormente, proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura. Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Pero como va ello ligado a los diferentes cambios que se llevan a cabo en los diferentes sistemas, es simple de decir, la temperatura en un elemento importante en todo proceso durante el trabajo realizado por un sistema.

    Con respecto a la Fotosíntesis como principal proceso para la obtención de energía para las plantas, este se lleva en dos fases la Luminosa o fase de luz y la fase oscura. En principio la fase luminosa es aquella de la fotosíntesis es la absorción de luz por los pigmentos. La clorofila es el más importante de éstos, y es esencial para el proceso. Captura la luz de las regiones violeta y roja del espectro y la transforma en energía química mediante una serie de reacciones. Los distintos tipos de clorofila y otros pigmentos, llamados carotenoides y ficobilinas, absorben longitudes de onda luminosas algo distinto y transfieren la energía a la clorofila A, que termina el proceso de transformación. Estos pigmentos accesorios amplían el espectro de energía luminosa que aprovecha la fotosíntesis.

    La reacción en la oscuridad tiene lugar en el estroma o matriz de los cloroplastos, donde la energía almacenada en forma de ATP y NADPH2 se usa para reducir el dióxido de carbono a carbono orgánico. Esta función se lleva a cabo mediante una serie de reacciones llamada ciclo de Calvin, activadas por la energía de ATP y NADPH2. Cada vez que se recorre el ciclo entra una molécula de dióxido de carbono, que inicialmente se combina con un azúcar de cinco carbonos llamado ribulosa para formar dos moléculas de un compuesto de tres carbonos llamado 3-fosfoglicerato. Tres recorridos del ciclo, en cada uno de los cuales se consume una molécula de dióxido de carbono, dos de NADPH2 y tres de ATP, rinden una molécula con tres carbonos llamada gliceraldehído 3-fosfato; dos de estas moléculas se combinan para formar el azúcar de seis carbonos glucosa. En cada recorrido del ciclo, se regenera la ribulosa 1,5-difosfato.

    REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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