unidad 3-1 bioenerget
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Unidad 3 Bioenergética y Metabolismo
Oxidativo
Describir las transformaciones, intercambioy uso de la ENERGIA en los seres vivos.
Explicar los procesos que completan la oxidación de las moléculas combustiblesen los seres vivos.
Objetivo terminal:
Objetivos Específicos
Describir los principios de la Termodinámica y su aplicación alos seres vivos.
Describir los Compuestos Ricos en Energía
Describir los mecanismos de las reacciones de Óxidoreducción que ocurren en los seres vivos
Describir las principales fuentes y destinos del Acetil CoA
Explicar las características del ciclo del Acido Cítrico
Explicar las características de la Cadena RespiratoriaY la Fosforilación Oxidativa
Objetivo Específico 1 (tres horas 45min)
1.- Ciclo de la materia y flujo de la energíaEn la atmósfera
2.- Leyes que rigen las transformaciones Energéticas
1era y 2da. Ley de la Termodinámicay su relación con el metabolismo
☺ Energía libre de Gibbs☺ Reacciones Acopladas
3.- Concepto de Metabolismo. Sus Fases:Catabolismo y Anabolismo
Es la rama de la termodinámica que estudia las
transformaciones y transferencias de energía en las
reacciones bioquímicas
Bioenergética
Bio = vida
Trata de las transformaciones del calor y la energía
Es la ciencia que investiga las transformaciones energéticas que acompañan a los cambios
físicos y químicos de la materia
Termodinámica
El ciclo de la materia consiste en todas las
transformaciones que sufre la materia en
energía desde que es elaborada por los
productores hasta ser descompuesta por las
bacterias y hongos, en las cadenas alimenticias.
El ciclo de la materia describe una trayectoria
cíclica, es decir, la materia que es producida y
descompuesta vuelve a ser producida por los
Fotótrofos ( reiniciación de la misma), cada vez
que un eslabón trófico come a un ser vivo, la
materia de éste es aprovechada y transformada
en energía química, en una cadena trófica el
eslabón mas beneficiado son los
descomponedores porque ellos al ser el ultimo
eslabón trófico aprovechan mas la materia y la
energía de los demás, a su misma vez
relacionado con el ciclo de la materia está el flujo
de la energía, a diferencia del ciclo de la
materia, el flujo de la energía es
UNIDIRECCIONAL y no cíclica.
Sustancias inorgánicas : agua, oxígeno, sales minerales, Dióxido de carbono, etc
Pasan a formar parte deLos seres vivos
Sustancias orgánicas: proteínas, lípidos, glucosa..
En un momento determinadoAbandonan el mundo orgánico
Vuelven a la tierra formando de nuevo materiainorgánica
Ecosistema Tierra
Sustancia inorgánica
Sustancia Orgánica
Tipos de Energía:LumínicaQuímicaMecánicaEléctricaCalórica
Es la capacidad para realizar trabajo
Energía
FLUJO DE LA ENERGÍA
Energía solar
Plantas (cloroplastos, fotosíntesis)
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
Energía química
ANIMALES HERBÍVOROS
Energía química
ANIMALES CARNÍVOROS
E. Química E. Mecánica E. Eléctrica E. Lumínica E. Calórica
Ejemplo transferencia de energía
Ejercicio violento
Energía acumulada en el cuerpoque proviene de alimentos dieta
Energía en movimiento o energía cinética
Desprendimiento de gran cantidad de energía enforma de calor (transpiración)
Energía potencial + Energía cinética
Energía total o Energía interna (E) =
Energía potencial es la energía debida a la posición
Energía cinética es la energía debida al movimiento
Se define de acuerdo al interés del investigador
Es la parte del universo cuyo cambio observamos
Sistema:
Por ejemplo: una célula, un tejido, el metabolismo, una población, el
planeta, etc.
Todo lo que rodea al sistema que sea relevante para el cambio
Entorno:
UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO
Cerrado: Sólo intercambia ENERGIA con el entorno
Abierto: Existe intercambio de MATERIA Y ENERGIA entre el
sistema y el entorno
Tipos de Sistemas:
Aislado: No intercambia energía ni materia con el entorno
Consumen nutrientes de su entorno (materia y energía) y
liberan a él productos de desecho
Los seres vivos son sistemas Abiertos
Se pueden medir las variaciones de sus componentes
¿Cómo medir la Energía total
o Energía interna (E) de un sistema?
Energía final - Energía inicial E =
E productos - E reaccionantes E =
= Cambio o variación
Trabajo (w) hacia o desde el sistema
Calor (q) hacia o desde el sistema
Formas de intercambio de Energíaentre el sistema y su entorno
Cuando el sistema y su entorno tienen temperaturas diferentes
Cuando una fuerza mueve un objeto
Objetivo específico 1.
Hora clase 2
Leyes que rigen las transformaciones
Energéticas
1a LEY DE LA TERMODINÁMICA(Ley de la conservación de la energía)
E = q-w
Variación de energía del sistema E =
Calor del entorno absorbido por el sistema
q =
Trabajo realizado por el entorno sobre el sistema
(trabajo biológicamente útil)
w =
En cualquier transformación física o química, la cantidad total de energía del
universo permanece constante
1a LEY DE LA TERMODINÁMICA(Ley de la conservación de la energía)
La energía no se crea ni se destruye
solo se transforma
Entalpía (H)
H = E + PV
Energía internaE =
Presión*volumenPV =
Entalpía = Calor contenidoH =
En los sistemas bioquímicos:
E H =
Variación de energía del sistema E =
Variación de la entalpíaH=
H 0
H > 0
H = 0
Cuando:
La reacción o proceso desprende calor
La reacción o proceso absorbe calor del entorno
No se intercambia calor con el entorno
H 0
H > 0
H = 0
La reacción o proceso desprende calor
La reacción o proceso absorbe calor del entorno
No se intercambia calor con el entorno
Cuando:
H es negativa (-) la reacción es exotérmica
H es positiva (+) la reacción es endotérmica
la reacción o proceso es isotérmico
H reacción= H reactantesH productos +
Por ejemplo:
6 CO2 + 6 H20 ---------C6H12O6 + 6O2
Hf (Kj/mol)CO2 - 393.3H20 - 286.2C6H12O6 - 1274.9O2 0
6 (-393.3)+ 6(-286.2)------(-1274.9) + 6(0)
H = + 2802.1 Kj/mol Es endotérmica
Casi todos los procesos exotérmicosson espontáneos o irreversibles
H es negativa (-) la reacción es exotérmica
H es positiva (+) la reacción es endotérmica
Por ejemplo: la caída de una roca,la relajación de un músculo
No obstante:
Existen procesos espontáneos que sonendotérmicos
Por ejemplo: un trozo de hielo que se fundea temperatura ambiente
La entalpía no permite predecir La dirección de una reacción
Se requieren otras variablestermodinámicas
2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
S universo =
Variación de entropía S =
Entropía (mide el grado de desorden)S =
S sistema + S entorno
La variación de la entropía del universoes positiva para todos los procesos espontáneos
El desorden del universo aumenta siempre. Es decir:
Todos los procesos físicos y químicos solo se producen espontáneamente
cuando aumenta el desorden
2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
Permite predecir la espontaneidad y la
dirección con que ocurre una reacción
Todos los procesos espontáneos se producen en la dirección que incrementa
el desorden del universo
2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
Por ejemplo:
Hielo Agua líquida
2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
S universo =
Si Su es +
S sistema + S entorno
El proceso es espontáneo
Si Su es - El proceso inverso es espontáneo
Si Su es =0 El proceso no puede ocurrir
ENERGÍA LIBRE (G)
G =
G
H - TSsistema
Variación de Energía Libre (cal)
H
T
Ssistema
Variación de Entalpía (cal)
Temperatura (ºK) (ºK=273+ºC)
Variación de Entropía (cal)
Es la porción de la energía total que estádisponible para realizar trabajo. “Energía útil”
Cuando se producen cambios físicos o químicos con LIBERACION DE
ENERGIA se dice que el proceso es ESPONTÁNEO (Irreversible)
Cuando se requiere un APORTE constante de ENERGIA para mantener
un cambio se está produciendo un proceso NO ESPONTÁNEO (Reversible)
Si G es + La reacción es no espontánea(endergónica)(procede si gana E)
Si G es =0 El proceso está en equilibrio(no ocurre ningún cambio)
Si G es - La reacción es espontánea(exergónica) (irreversible)
En las reacciones bioquímicas:
H E
G = E - TSsistema
REACCIÓN EXERGÓNICA
A+B C+D
Ene
rgía
lib
re
Transcurso de la Reacción
Estado de transición
Gi Gf
Estado inicial (reactivos)
Estado final (productos)
Ea
Transcurso de la Reacción
Ea
Gi
Gf G0
Ene
rgía
lib
reREACCIÓN ENDERGÓNICA
A+B C+D
Transcurso de la Reacción
Ea
Gi Gf
G=0
Ene
rgía
lib
reREACCIÓN ISOERGÓNICA
A+B C+D
Formas de Energía Libre
1) G
2) Gº
Variación de la Energía Libre
Variación de la Energía Libre estándar
25ºC1 atm de presión1 M
3) Gº‟ Variación de la Energía Libre estándarfisiológica 25ºC
1 atm de presión1 M y pH=7.0
Formas de calcular las variaciones de energía libre (G)
A partir de la H y de la S:
G = H - TS
A partir de la G de formación: (GF) de productos y reactantes:
Gº = GºF prod - GºF reac
Gº’ = G1º’+ G2º’Por aditividad:
A partir de la Keq: G ’ = -2,3 RT log Keq
A partir del Eo : Gº‟ =-n F Eo‟F = 23,063 cal /mol.volt o 96,500 jul./ mol. volt
RELACIÓN ENTRE G y LA CONCENTRACIÓN DE LOS REACTANTES Y PRODUCTOS
G = Go + 2,303 RT log ProductosReactantes
En el equilibrio G = 0
Go = - 2,303 RT log Keq
En cualquier circunstancia diferente del equilibrio:
G = Go + RT ln Productos
Reactantes
R= Constante de los gases =1,99 cal/ºK 8,31 J/ºK
Keq 1 : La reacción es exergónica
(equilibrio desplazado a la derecha)
Keq 1 : La reacción es endergónica
(equilibrio desplazado a la izquierda)
Keq = 1 : La reacción es isoergónica
(igual probabilidad de ir hacia la derecha que
hacia la izquierda)
G = Go + 2,303 RT log ProductosReactantes
A+B-------C+D
CALCULO DEL G A PARTIR DE S y H
Calcular el G de la descomposición de N2O5 cristalino a 25°C:N2O5 2NO2 + ½O2
Sabiendo que:S = 0,4701 kJ/molºK y H = 109,6 kJ/mol °K
Respuesta:G = H - TS
T = 25°C + 273 = 298°K
G = 109,6 kJ/mol - (298°K) (0,4701 kJ/mol °K)
G = -30,5 kJ/mol
CALCULO DEL G A PARTIR DE LA ENERGÍA LIBRE DE FORMACIÓN (Gf)
Calcular el G de la reacción:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O
Datos:Gf CO2 = -94,26 Kcal/mol ; Gf H2O = -56,69 Kcal/molGf C6H12O6 = -217,63 kcal/mol ; Gf O2 = 0
Respuesta:
G = Gfpro- Gfreac
G =[ 6(-94,26 kcal/mol) + 6(-56,69 kcal/mol)] – [1(-217,63 kcal/mol)]
G= (-565,6 - 340,14) - (-217,63); G = -905,74 + 217,63
G = -688 kcal/mol o G = -2873 kJ/mol
1 cal = 4,184 J o 1 J = 0,239 cal o 1kJ = 0,239 kcal
CALCULO DEL G A PARTIR DE LA keq
Calcular el G para la hidrólisis del ATP
ATP + H2O ADP + Pi
Datos:pH= 7 T=25°C G° = -7700 cal/mol[ATP]= 10-3M [ADP]= 10 –4 M [Pi] = 10-2 M
Respuesta:G = G° + 2,303 RT log Keq
G = -7700cal/mol+ 1364 cal/mol log 10-4 10-2
10-3
G = -7700 + 1364 log 10-3
G = -7700 + 1364 (-3)G = -7700 - 4092
G = -11792 cal/mol
CALCULO DEL G POR ADITIVIDAD
Calcular el valor de G y la Keq para la reacción:
Glucosa + ATP Glucosa 6P + ADP
Sabiendo que:
Glucosa 6P + H2O Glucosa + Pi G= -3138 cal/mol ; Keq= 199,8
ATP + H2O ADP +Pi G= -7700 cal/mol ; Keq= 4,42 x 105
Resultado:
El G de la reacción inversa= - G ; G= +3138 cal/mol
La keq de la reacción inversa = 1/keq; keq = 1/199,8 = 5 x 10-3
G= 3138 cal/mol + (-7700 cal/mol) = -4562 cal/mol
Keq= (5 x 10-3) (4,42 x 105) = 22,1 x 102; es decir: keq = 2,21 x 103
Reacciones acopladas
Las reacciones endergónicas se acoplan con las reacciones exergónicas para poderse llevar a cabo
Tipos de Reacciones Acopladas:
•Acoplamiento de oxido-reducción
El producto de una reacción es elsustrato de la siguiente
•Acoplamiento energético contransferencia de grupo (fosfato, acilo ometilo)
Acoplamiento energético
Procesos altamente favorecidos se combinan con procesos desfavorecidos para impulsar reacciones,
transportar sustancias a través de membranas, transmitir impulsos nerviosos y contraer músculos.
A B Gº = +10 kJ/mol
C D Gº = -30 kJ /mol
A+C B+D Gº = -20 kJ/mol
Compuestos de alta energía
Son intermediarios metabólicos cuyopotencial de transferencia de grupo es igual oinferior a -7 Kcal / mol ( -30 KJ / mol )
Potencial de Transferencia de grupo: Energíalibre que el compuesto es capaz de ceder aotra sustancia junto con el grupo transferido
Go‟ de hidrólisis coincide con el potencial detransferencia de grupo
El concepto de compuesto de altaenergía implica que los productos de larotura hidrolítica del enlace rico enenergía se encuentran en formas masestables que el compuesto original
¿Por qué son de alta energía?
Sus productos de hidrólisis tienen mas formas resonantes que ellos
Presentan repulsión de cargas
Presentan impedimento estérico
Inestabilidad
Adenosintrifosfato (ATP)
Fosfatos
Adenina
Ribosa
Adenosíntrifosfato (ATP)
•Repulsión entre las cargas negativas
•Mayor número de formas resonantes del ADP y el Pi (productos) que del ATP:
•Impedimento estérico por la presencia de oxígenos
Clasificación de los compuestos de alta energía
1) Los que transfieren grupos fosfato:Fosfoanhidros (ATP,ADP,GTP,GDP)Acil-fosfatos (Ác.1,3difosfoglicérico)Enol-fosfatos (Ác. Fosfoenolpirúvico)Fosfoguanidinas (Creatín- P, Arginín- P)
2) Los que transfieren grupos acilo:Acil-CoA
3) Los que transfieren grupos metilo:Adenosilmetionina
COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO
COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO
COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO
COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS ACILO
ACIL-CoA
ACETOACETIL-CoA
COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS METILO
Grupo transferido (Gh°´= -10 kcal/mol)
Valores de Gº „ de hidrólisis de los principales compuestos de alta energía
Kcal mol KJ mol
Fosfoenolpiruvato -14,8 -61,9
Carbamilfosfato -12.3 -53
1,3 bis-fosfoglicerato
-10,3 -43,1
Creatina-fosfato -10,3 -43,1
ATP ADP + Pi -7,3 -30,5
ATP AMP + Ppi -8,2 -34,3
Glucosa 1P -5,0 -20,9
Glucosa 6P -3,3 -13,8
Glicerol 1P -2,2 -9,2
Los compuestos ricos en energía puedentransferir diversos grupos desde el compuestoinicial (dador) a un compuesto aceptor en unaforma termodinámicamente factible siempreque se halle presente un enzima adecuado parafacilitar la transferencia
1-3 Bifosfoglicerato Fosfoglicerato quinasa 3-fosfoglicerato
ADP ATPTransfiere grupofosfato
Papel del ATP en el metabolismo
Es la figura central del sistema de transferencia de energía en el interior de
la célula.
Es el intermediario común en muchas de las reacciones acopladas que hacen
posible el flujo de energía en el metabolismo.
Funciona como un transporte activo de la energía, ya que distribuye la energía en lugares donde la requieren las necesidades celulares.
Papel central del ATPen el metabolismo
Conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células de los seres
vivos.
* Catabolismo: Conjunto de reacciones de degradación
Metabolismo
Se divide en 2 fases:
* Anabolismo: Conjunto de reacciones de síntesis
Nutrientes:Carbohidratos
ProteínasLípidos
Energía Química
Energía calorica y productos finales
CO2
H2ONH3
Moléculas
precursoras como
AminoácidosAzúcares
ácidos grasosbases nitrogenadas
Macromoléculas:
Proteínas
PolisacáridosLípidos
Ácidos nucleicos
Catabolismo
ATPNADHNADPHFADH2
ADP+PiNAD+
NADP+
FAD
Visión general del metabolismo
Anabolismo
Generación de energía
Oxidativo-degradativo
Propósito
Naturaleza del proceso
Energética
Moléculas iniciales
Productos finales
Formación de compuestos
Reductivo - sintético
Rinde energía
Altamente variables,estructuras complejas
Relativamente pocos,estructuras simples
Usa energía
Altamente variables,estructuras complejas
Relativamente pocos,estructuras simples
Catabolismo Anabolismo
Catabolismo Vs Anabolismo
Son secuencias de reacciones en las cuales el producto de una reacción es el sustrato de la
siguiente.
* Vías Catabólicas: Realizan procesos oxidativos que producen energía libre
Vías metabólicas
* Vías Anabólicas: Reacciones de síntesis de compuestos que requieren energía lbre proveniente de las vías
catabólicas
*Vías Anfibólicas: Actúan como enlaces entre las Vías catabólicas y las anabólicas
Son reacciones que transcurren con transferencia de electrones.
Agente Reductor: es el donador de electrones
Reacciones de Oxido-Reducción
Oxidación:
Agente Oxidante: es el aceptor de electrones
Reducción:
Pérdida de electrones
Ganancia de electrones
Ared + Box Aox + Bred
Cu+ + Fe3+ Cu2+ + Fe2+
En algunas reacciones de Oxido-Reducciónsolo se transfieren electrones (e-):
Piruvato + NADH + H Lactato + NAD+
En muchas reacciones de Oxido-Reducciónse transfieren electrones y protones:
El cobre se oxida yel hierro se reduce
El NADH+H se oxida yel piruvato se reduce
El intercambio de Energía Libre (G) es proporcional a la tendencia de las
sustancias reaccionantes para donar o aceptar electrones.
Eo’ Se define como la fuerza electromotríz de un compuesto para
aceptar electrones provenientes de un agente reductor
En las reacciones de Oxido-Reducción:
Potencial de reducción : Eo’
25ºC, pH=7.0 y 1M
Las variaciones de energía librepueden ser expresadas en términos deGo’ y, en forma análoga, como Eo’
Go‟ =-n F Eo‟
n = número de electrones transferidos
F = Constante de Faraday: 23,063 cal /v (96,500 jul./v)
Eo‟ = Diferencia de potencial redox(Eo’ del agente oxidante – Eo’ del agente reductor)( aceptor de e- - donador de e- )
La relación entre Go‟ y Eo‟ es :
Potenciales de reducción estandar para semireacciones de reducción de interés bioquímico:
Semireacción Eo‟ (V)
2H+ +2e- H2 -0.42
12 O2+2H++2e- H2O +0.82
Fe3++ e- Fe2+ +0.77
Ubiquinona+2H++2e- QH2 +0.10
Fumarato+2H+ +2e- Succinato +0.03
Oxalacetato + 2H+ +2e- Malato -0.17
Piruvato + 2H+ +2e- Lactato -0.18
FMN + 2H+ +2e- FMNH2 -0.20
FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0.22
NAD+ + 2H+ +2e- NADH+H + -0.32
NADP+ + 2H+ +2e- NADPH+H+ -0.32
Potenciales de reducción estandar para semireacciones de reducción de interés bioquímico:
Semireacción Eo‟ (V)
2H+ +2e- H2 -0.42
12 O2+2H++2e- H2O +0.82
Fe3++ e- Fe2+ +0.77
Ubiquinona+2H++2e- QH2 +0.10
Fumarato+2H+ +2e- Succinato +0.03
Oxalacetato + 2H+ +2e- Malato -0.17
Piruvato + 2H+ +2e- Lactato -0.19
FMN + 2H+ +2e- FMNH2 -0.20
FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0.22
NAD+ + 2H+ +2e- NADH+H+ -0.32
NADP+ + 2H+ +2e- NADPH+H+ -0.32
Los electrones fluyen de forma espontáneadesde las especies con un valor de Eº‟ más
negativos a las especies con un Eº‟ más positivo
El flujo de electrones puede utilizarse paragenerar y capturar energía en la respiración
aerobia:
Eº‟ más negativo NADH+H+
Eº‟ más positivo ½O2
2e- ATP
energía
Principales vías metabólicas que intervienen en la producción de energía:
proteinas carbohidratos lípidos
aminoácidos glucosa Acidos grasos
piruvato
Acetil CoA
Ciclo del ácidocítrico
Cadena de electrones y Fosforilación oxidativa
Transportadores electrónicos (coenzimas reducidas)
CO2
ATP
GTP
ATP
NADH
NADHNADH
NADH
FADH2
FADH2