Contenido

1. INTRODUCCIÓN: LA ENERGÍA Y LA BIOSFERA. Sistemas vivos fototróficos y quimiotróficos. Ciclo de la materia y flujo de energía a la biosfera. Conversión y eficiencia energética. Transporte y almacenamiento de energía.

2. LOS PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA. Sistemas termodinámicos. Concepto de calor y temperatura. Equivalencia entre calor y trabajo. El experimento de Joule. Primer principio de la Termodinámica. Procesos reversibles e irreversibles. Entropía y segundo principio de la termodinámica. Interpretación mecánica del calor y la entropía. Interpretación cuántica del calor y la entropía. Equivalencia de los principios de máxima entropía y energía mínima. El concepto de energía libre. Entalpía, Energía libre de Helmholtz y Energía libre de Gibbs.

3. MECÁNICA ESTADÍSTICA Y SISTEMAS MICROSCÓPICOS. Termodinámica y modelos microscópicos. Mecánica estadística: entropía y el modelo atómico-molecular. Función de partición y distribución de Boltzmann. Aplicaciones a proteínas y ácidos nucleicos.

4. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN FOTOSÍNTESIS. Fase oscura y fase luminosa. Estructura del cloroplasto. Cromóforos. Absorción y transporte de la energía de la radiación solar. Teoría de Marcus de la transferencia electrónica. El efecto del túnel cuántico y la evaluación de la distancia de tunelación. Fotorreceptores, modelo de antena, mecanismo de transporte de energía desde la antena al centro fotoquímico. Tasa neta de transferencia electrónica. El centro fotoquímico: reacciones de transferencia de carga, estructurayoperación de centros fotoquímicos. Cadena de transporte fotosintética en bacterias. Cadena de transporte fotosintético en plantas: el efecto cooperativo de Emerson y los dos fotosistemas. Fijación de CO₂ en el ciclo de Calvin. Capacidad para fijar el CO₂ y el cambio climático.

5. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN FERMENTACIONES Y RESPIRACIÓN. Producción de ATP en fermentaciones: fosforilación a nivel de sustrato. Producción de ATP ligada a la respiración: fosforilación oxidativa, mitocondrias. La cadena de transporte electrónico mitocondrial: los transportadors y su ordenación, localitzación de los transportadores en la membrana mitocondrial interna. Partículas submitocondriales: ATP sintasa. Problema del acoblamiento entre el transporte electrónico y la fosforilación oxidativa: hipótesis del acoblamiento químico, hipótesis del acoblamiento conformacional. Hipótesis del acoblamiento quimiosmótico: El complejo ATPasa F1-Fo: propiedades, estructura, mecanismo de síntesis de ATP.

6. EL TRABAJO DE TRANSPORTE. Definición de trabajo de transporte. Difusión simple. Primera ley de Fick. Segunda ley de Fick. Modelo de difusión simple a través de la membrana celular. Permeabilidad de la membrana. Difusión facilitada. Modelos de difusión facilitada. El transportador de glucosa. Canales iónicos. Canales operados por voltaje. Equilibrio iónico y ecuación de Nernst. Modelos simples de canales iónicos operados por voltaje. Canales operados por unión a ligando. Modelo de Monod-Wyman-Changeaux. Fuerza entrópica de salida. Transporte activo. Transporte activo de glucosa. Flujo de glucosa en el intestino.

7. TRABAJO MECÁNICO. Motores moleculares. Citoesqueleto. Estructura de microtúbulos y filamentos de actina. Polimerización, nucleación y elongación. Modelo de polimerización simple. Modelo de polimerización polar. Modelo de polimerización con hidrólisis de ATP. Desastres de polimerización. Motores traslacionales: miosina, kinesina y dineína. Contracción muscular. Modelos de translación: el modelo del camino aleatorio. Relación entre la velocidad de polimerización y el consumo de ATP. Motores rotacionales y el modelo de trinquete browniano. Motores de polimerización y localización de centríolos. Motores de translocación y sistemas de secreción.

8. EL TRABAJO DE LA BIOSÍNTESIS. Diferencias entre anabolismo y catabolismo. Relación entre los valores de ΔG y los puntos de regulación de la vía metabólica. Aspectos energéticos de las vías metabólicas y estrategias de control: intermediarios comunes, compartimentación y control enzimático. Algunos aspectos energéticos de la catálisis enzimática: termodinámica y tiempo, cinética química, interpretaciones energéticas de la acción catalítica de las enzimas. Ejemplos de trabajo de biosíntesis: gluconeogénesis en comparación con la glucólisis.

9. LA TERMODINÁMICA DE LOS PROCESOS IRREVERSIBLES Y LA BIOLOGÍA. Termodinámica de sistemas abiertos. Sistemas no muy alejados del equilibrio: velocidad de producción de entropía interna, ecuaciones de Onsager, estado estacionario, principio de producción mínima de entropía. Sistemas alejados del equilibrio: inestabilidad de Bénard, reacción de Zhabotinski. Estructuras disipativas: posibles aplicaciones al estudio de sistemas vivos.

10. FORMACIÓN DE PATRONES BIOLÓGICOS. Diferenciación celular y embriogénesis. Gradientes morfogénicos. El modelo de la bandera francesa. Formación de heterocistos en organismos fotosintéticos. Patrones de Turing con y sin difusión. Generación de patrones temporales: el crecimiento de microorganismos en la superficie. Efecto del ruido biológico en los patrones. Ventajas del ruido biológico. El sistema ComK de competencia en B. subitilis y los mecanismos bacterianos de persistencia.

11. UNA VISIÓN TERMODINÁMICA DEL ORIGEN DE LA VIDA Y LA EVOLUCIÓN. Definición de vida. Teorías actuales sobre el origen de la vida. Definición termodinámica de la vida: autorreplicación. Autorreplicación espontánea. La vida entendida como una transición de fase: el concepto de vida al borde del caos. Concepto de criticidad autoorganizada. Darwinismo y evolución: el concepto del espacio morfogénico. El papel de los genes en la evolución.