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BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
Licda. Carmen Julia MazariegosBioquímica I
BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
• Introducción• 1.3 Fundamentos Físicos• 13.1 Bioenergética y
termodinámica• 13.3 Transferencias de grupo
fosforilo y ATP.• 13.4 Reacciones Biológicas de
Óxido – Reducción.
METABOLISMO
Vías Metabólicas
• Sistemas multienzimáticos
• Energía moléculas
características.polimerizaciónfunciones celulares
• Metabolismo• Vía metabólica• Metabolitos• Metabolismo intermediario• Catabolismo• Anabolismo
DEFINICIONES
METABOLISMOCatabolismo + Anabolismo
• Al menos uno de los pasos es catalizado por enzimas distintas.
• Un paso que sea termodinámicamente muy favorable.
• Compartimentos celulares distintos distinta concentración de intermediarios (Km).
• Regulación alostérica ATP o señales extracelulares.
REGULACIÓN METABÓLICAEnzimas catabolismo o anabolismo
• Introducción• 1.3 Fundamentos Físicos• 13.1 Bioenergética y
termodinámica• 13.3 Transferencias de grupo
fosforilo y ATP.• 13.4 Reacciones Biológicas de
Óxido – Reducción.
BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
“”
• Organismo vivo en equilibrio.
ESTADO ESTACIONARIO DINÁMICO
“Las células vivas son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno, extrayendo y canalizando energía para mantenerse en un estado estacionario dinámico distante del equilibrio.”
Primera Ley de la Termodinámica: Conservación de la energía: “en cualquier proceso físico o químico la cantidad de energía total del universo permanece constante, aunque su forma puede variar”.
• Sistema: Todo lo que está incluido en una región definida del espacio.– Aislado– Cerrado– Abierto
• Universo: Sistema + entorno.
TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA Y DE MATERIA
• Segunda Ley de la termodinámica: La tendencia de cualquier proceso natural es la de incrementar el desorden del universo: la entropía total del universo está en crecimiento constante.
ENTROPÍA: AZAR Y DESORDEN
Otra manera de observarlo: “todos los procesos
espontáneos aumentan el desorden del universo ”
REACCIONES RÉDOX:• Oxidación de una
molécula: pérdida de electrones.– Pierde un átomo de
hidrógeno.– Gana un átomo de
oxígeno.
• Reducción de una molécula: ganado electrones.– Ganado átomos de
hidrógeno– Perdido átomos de
oxígeno.
INTERCONVERSIONES DE ENERGÍA
EP
EP
EP
S
S
W
W
W
EPS
EXERGÓNICO
Un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).
CONVENCIÓN CLAVE
EXERGÓNICOENDERGÓNICO
ACOPLAMIENTO DE REACCIONES - BIOENERGÉTICA
VELOCIDAD DE LAS REACCIONES – ENZIMAS
• Introducción• 1.3 Fundamentos Físicos• 13.1 Bioenergética y
termodinámica• 13.3 Transferencias de grupo
fosforilo y ATP.• 13.4 Reacciones Biológicas de
Óxido – Reducción.
BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
• Bioenergética• Primera ley de la termodinámica.• Segunda ley de la
termodinámica.
TERMODINÁMICALOS PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA TERMODINÁMICA GOBIERNAN
LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN ORGANISMOS VIVOS
Explique cómo la definición de “sistemas” y “alrededores”
permite que los organismos vivos operen dentro de la segunda ley
de la termodinámica.
• Energía libre de Gibbs (G)• Entalpía (H) • Entropía (S)
Ecuación:
MAGNITUDES TERMODINÁMICAS
UN SISTEMA TERMODINÁMICO PUEDE SER UNA SOLA, SIMPLE REACCIÓN QUÍMICA O UN ORGANISMO ENTERO
¿UNIDADES?
¿Cuándo es positivo, cuándo
es negativo?
PROCESOS ESPONTÁ
NEOS
• La energía libre de Gibbs, denotada como G, combina entalpía (contenido calórico, energía potencial, energía en los enlaces del sistema) y entropía (desorden del sistema) en un solo valor. El cambio en la energía libre, ΔG, es igual a la suma del cambio en entalpía mas el producto de la temperatura y el cambio en entropía del sistema.
• ΔG puede predecir la dirección de una reacción química bajo dos condiciones: presión y temperatura constante.
DEFINICIÓN: G
Si el ΔG es positivo la reacción es no espontánea (requiere energía para que ocurra).Si el ΔG es negativo la reacción es espontánea (ocurre sin necesidad de energía).
• Sistemas isotérmicos.
• G = Reacción Química– Predicción de la dirección.– Posición en el equilibrio.– Cantidad de trabajo que se puede
realizar
LAS CÉLULAS REQUIEREN FUENTES DE ENERGÍA LIBRE
¿Por qué razón las células no pueden utilizar calor como fuente de energía libre?
ATP
• Condiciones bioquímicas:– T = 298K– [H+] = 10-7M– [H2O] = 55.5M
PARA UNA REACCIÓN QUE NO ESTÁ EN EQULIBRIO
∆𝑮=∆𝑮°′+𝑹𝑻 𝑰𝒏 ([𝑪 ] [𝑫 ][𝑨 ] [𝑩 ])
Para una reacción:A + B C +D
• Condiciones bioquímicas:– T = 298K– [H+] = 10-7M– [H2O] = 55.5M
PARA UNA REACCIÓN QUE NO ESTÁ EN EQULIBRIO
∆𝑮=∆𝑮°′+𝑹𝑻 𝑰𝒏 ([𝑪 ] [𝑫 ][𝑨 ] [𝑩 ])
Para una reacción:A + B C +D
CAMBIO EN LA ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR (G’°)
∆𝑮=∆𝑮°′+𝑹𝑻 𝑰𝒏 ([𝑪 ] [𝑫 ][𝑨 ] [𝑩 ])
Para una reacción:A + B C +D
RELACIÓN ENTRE K’eq Y
∆𝑮 ° ′=−𝑹𝑻 𝑰𝒏([𝑪 ] [𝑫 ][ 𝑨] [𝑩 ] )
¿QUÉ DICE LA ECUACIÓN?
A + B C +D
∆𝑮 ° ′=−𝑹𝑻 𝑰𝒏([𝑪 ] [𝑫 ][ 𝑨] [𝑩 ] )
¿QUÉ DICE LA ECUACIÓN?
A + B C +D
PROBLEMAS RESUELTOS
EN RESUMEN….
∆𝑮=∆𝑮°′+𝑹𝑻 𝑰𝒏 ([𝑪 ] [𝑫 ][𝑨 ] [𝑩 ])
Para una reacción:A + B C +D
VARIABLE
CONSTANTE
DEPENDIENTE DEL SISTEMA
Q (COCIENTE DE ACCIÓN DE
MASAS)
• Puede ∆ ser negativo si ’° es 𝑮positivo.
CONSIDERACIONES FINALES
∆𝑮=∆𝑮°′+𝑹𝑻 𝑰𝒏 ([𝑪 ] [𝑫 ][𝑨 ] [𝑩 ])
• No tiene nada que ver con la velocidad de la reacción.
CONSIDERACIONES FINALES
LOS ∆ ’°s SON ADITIVOS 𝑮
LOS ∆ s’° SON ADITIVOS, 𝑮SIN EMBARGO…
• Introducción• 1.3 Fundamentos Físicos• 13.1 Bioenergética y
termodinámica• 13.3 Transferencias de grupo
fosforilo y ATP.• 13.4 Reacciones Biológicas de
Óxido – Reducción.
BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
• ATP vincula el catabolismo y el anabolismo.– Reacción catabólica:• ATP ADP + Pi• ATP AMP + 2Pi
– Procesos endergónicos.• Biosíntesis, transporte y movimiento
• Hidrólisis transferencia.• No solamente ATP participa.
CICLO ENERGÉTICO DENTRO DE LAS CÉLULAS
EL ∆ ’° DE LA HIDRÓLISIS DEL 𝑮ATP ES GRANDE Y NEGATIVO
• ∆𝑮s’° = -30.5 kJ/mol
• En condiciones celulares es distinto:– ∆𝑮p potencial
de fosforilación.
PROBLEMAS RESUELTOS
OTROS COMPUESTOS APARTE DEL ATP
∆ ’𝑮 ° DE HIDRÓLISIS ES GRANDE Y NEGATIVO
OTROS COMPUESTOS APARTE DEL ATP
∆ ’𝑮 ° DE HIDRÓLISIS ES GRANDE Y NEGATIVO
OTROS COMPUESTOS APARTE DEL ATP
∆ ’𝑮 ° DE HIDRÓLISIS ES GRANDE Y NEGATIVO
OTROS COMPUESTOS APARTE DEL ATP
∆ ’𝑮 ° DE HIDRÓLISIS ES GRANDE Y NEGATIVO
EN RESUMEN
• Los productos son más estables que los reactivos:– Separación de cargas: ATP– Estabilización por ionización– Estabilización por isomerización– Estabilización por resonancia
EN RESUMEN
TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATO
UNIÓN COVALENTE A UN ENZIMA
TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATO
EL FIN SON TRANSFORMACIONES QUÍMICAS “ACTIVACIÓN DE MOLÉCULAS”
EL ATP PEDE TRANSFERIR OTROS GRUPOS ADEMÁS DEL FOSFATO
FOSFORILO, PIROFOSFORILO Y ADENILILO
CAMBIOS CONFORMACIONALES OCASIONADOS POR ATP
Pyrophosphates were originally prepared by heating phosphates (pyro
from the Greek, meaning "fire").
Moléculas Fósiles Muy similares a los ácidos nucleicos!
• Adenilato quinasa:
• Creatina quinasa:
• Polifosfato inorgánico
SÍNTESIS NO MITOCONDRIAL DE ATP
RESERVAS DE GRUPOS FOSFATO
• Introducción• 1.3 Fundamentos Físicos• 13.1 Bioenergética y
termodinámica• 13.3 Transferencias de grupo
fosforilo y ATP.• 13.4 Reacciones Biológicas de
Óxido – Reducción.
BIOENERGÉTICA Y METABOLISMO
• Pérdida de electrones (oxidación) y ganancia de electrones (reducción).
• No fotosintéticos comida• Fotosintéticos sustancia
química excitada por absorción de luz.
• Reacciones enzimáticas: acarreadores de electrones y aceptores.
TRANSFERENCIA DE ELECTRONES EN REACCIONES RÉDOX
FLUJO DE ELECTRONES TRABAJO BIOLÓGICO
• Diferencia de afinidad por electrones por dos sustancias químicas fuerza electromotriz.
• Diferencias en el potencial eléctrico de membranas energía potencial (fuerza protón motriz)
OXIDACIÓN EN SISTEMAS BIOLÓGICOS
DESHIDROGENACIÓN DESHIDROGENASAS
OXIDACIÓN EN SISTEMAS BIOLÓGICOS
DESHIDROGENACIÓN DESHIDROGENASAS
CUATRO FORMAS DE TRANSFERIR ELECTRONES
• Directamente
• Átomos de hidrógeno
• Ion hidruro
• Combinación con oxígeno
*equivalentes de reducción: x2
POTENCIAL DE REDUCCIÓN ESTÁNDAR
• Se determina en el lab.
• Es una medida de afinidad a electrones.
• Se mide en V.• La celda que gana
electrones tiene mayor potencial (+)
Walther Nerst
∆ 𝑮 A PARTIR DE ∆E
*equivalentes de reducción: x2
PROBLEMA RESUELTO