Diapositiva tomada del Texto Paralelo de Eder Bladimir Blanco Martínez

La nutrición es el conjunto de los procesos

mediante los cuales los organismos

incorporan materia y energía al interior de

sus células, las transforman en otras

sustancias o en otro tipo de energía y

excretan los productos de desecho

resultantes.

¿POR QUÉ LOS SERES VIVOS SE RELACIONAN CON LA ENERGÍA Y SU METABOLISMO?

El estudio de las oxidaciones productoras

de energía abarca tres aspectos:

1.El tipo y la naturaleza de las sustanciascapaces de oxidarse.

2.El mecanismo de oxidación de dichassustancias.

3.La utilización de la energía liberada en estasreacciones.

En base a lo anterior iniciaremos expresando lo siguiente: el flujo de energía a través del mundo biótico comienza con la captura

de la energía radiante del sol con el proceso de la fotosíntesis.

El flujo de energía en los seres vivos

En el mundo vivo se distinguen tresprocesos de transformación de

energía:

1. En la fotosíntesis la energía radiante del sol setransforma en energía química, que queda almacenadaen los enlaces de los carbohidratos y otrasmoléculas complejas sintetizadas.

2. Mediante la respiración celular esta energía pasa auna nueva forma que son los enlaces fosfatoproducidos en la degradación escalonada de la glucosay otras moléculas.

3. El trabajo celular se produce cuando laenergía química de los enlaces fosfato esutilizada por la célula para realizar un trabajo.Este trabajo puede ser muscular (contracciónmuscular), eléctrico (impulsosnerviosos), osmótico ( transporte de moléculasen contra de un gradiente de concentración) oquímico (síntesis de nuevas moléculas para elcrecimiento de la célula o el almacenamiento de

energía).

Veamos a continuación el

diagrama del flujo de la

energía en el metabolismo

Estados de la energía

• Energía potencial:

energía almacenada

• Energía cinética:

energía de movimiento

TRANSFORMACIÓN DE LA

ENERGIA

• Potencial en cinética

• Eléctrica en mecánica

• Química en térmica

• Iónica en eléctrica: movimiento de iones a

través de la membrana

• Radiante en química: formación de almidón a

partir de CO2 + H2O+ luz solar

Termodinámica• Estudio de los cambios energéticos y el flujo

de energía en un sistema

• Las leyes de termodinámica no sólo gobiernan

los cambios energéticos en una reacción, sino

que proveen las herramientas que permiten

predecir si la reacción será o no espontánea

Leyes de la Termodinámica

• 1ra. Ley Conservación de la energía: la energía

no se crea ni se destruye, solo se transforma

• 2da. Ley Todos los sistemas tienden al

equilibrio: La inercia de todo sistema tiende a ir

del orden al desorden

• Los eventos del universo proceden cuesta abajo

para minimizar su contenido de energía libre

• Cuando se alcanza el contenido mínimo de energía en un sistema, se dice que el sistema está en equilibrio

• En una reacción química los reactantes se convierten en productos, y viceversa.

REACTANTES PRODUCTOS

Glucógeno Glucosas libres

REACCION ESPONTÁNEA

ENERGIA LIBRE DE GIBBS

Es la energía disponible para realizar

trabajo.

ENTALPIA

Cantidad de calor liberado o

absorbido en un sistema durante un

proceso a presión constante

ENTROPIA

Medida de la aleatoriedad o del

desorden de un sistema

¿Cómo cambia la entropía de un sistema

para cada uno de los siguientes procesos?

a)Congelamiento del

alcohol

b) Evaporación de

bromo líquido en un

recipiente a T˚

ambiente

c) Disolución de

sacarosa en agua

a) De líquido a sólido, por lo

que el sistema adquiere un

orden mayor, por lo que

ΔS<0

b) De líquido a vapor.

ΔS>0

c) Una disolución esta más

desordenada que sus

componentes ΔS>0

Equilibrio Químico

• Las reacciones químicas también tienden al

equilibrio, éste se establece cuando las

velocidades de las reacciones directa e

inversa son iguales

A + B C + D

Reacción directa

Reacción inversa

Equilibrio químico• Las dos reacciones ocurren a igual velocidad

K1 [A][B] = K2 [C][D]

• Por tanto: en equilibrio hay una proporción

predecible entre la concentración de productos y

reactantes

K1 / K2 = [C][D] / [A][B]

• Es la razón que se establece entre la

concentración de los reactivos y de los

productos en el equilibrio

Keq = K1 / K2 = [C][D] / [A][B]

• Esta permite predecir la dirección a la que

una reacción ocurre espontáneamente

Constante de equilibrio Keq

Cálculo de la Keq

• Se realiza dividiendo la concentración de

los productos entre la concentración de los

reactivos:

K eq [C] [D]

[A] [B]

Valores de la Keq• Keq > 1 concentración de productos mayor que

concentración de reactantes. La reacción favorecida es

hacia la derecha (reacción directa)

• Keq < 1 concentración de reactivos mayor que

concentración de productos. La reacción favorecida es

hacia la izquierda (reacción inversa)

• Keq = 0 concentración de reactivos igual a

concentración de productos

Energía libre• Es la energía disponible para trabajo celular

• La relación entre la energía y el desorden puede explicarse a partir de la siguiente ecuación:

DG = DH - T DS

• DH = cambio en entalpía (medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción)

• DS = cambio en entropía (medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)

• T = temperatura en ºKelvin

Energía libre• La variación de G es la que determina el carácter

espontáneo de una reacción química

• En los procesos espontáneos la energía libre del sistema

disminuye, el valor final de G es menor que el inicial

y, por tanto, DG es negativa

• Tal disminución (DG<0) puede ser debida a: una baja

del contenido energético H (DH<0), un aumento del

desorden (DS>0) o a ambos

Energía libre

• El resultado final de ese balance entre

energía y desorden es el responsable de la

espontaneidad de la reacción

• Si T· DS es mayor que DH aunque el

proceso sea endotérmico (DH>0) será

espontáneo (DG<0)

Procesos exergónicos y endergónicos

• Los procesos pueden ocurrir con la absorción o liberación de energía, que usualmente se manifiesta en forma de calor y/o de trabajo

• Los procesos que liberan energía son favorecidos, ocurren espontáneamente

• Los procesos que absorben energía no son favorables, ocurren cuesta arriba

• Reacción exergónica– Reacción química que es espontánea

– Libera energía al entorno

– Su Keq es > 1

– Su DGº < 1 (negativa)

• Reacción endergónica– Reacción química que ocurre cuesta arriba

– Necesita energía para ocurrir

– Su Keq es < 1

– Su DGº > 1 (positiva)

Reacciones exergónicas y endergónicas

METABOLISMO

• Conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en un organismo, incluyendo su coordinación, regulación y necesidades energéticas

• El metabolismo es un proceso de transformación de energía donde el catabolismo proporciona la energía requerida para el anabolismo

METABOLISMO

• Ruta metabólica: secuencia de reacciones que tienen un propósito particular

• Metabolitos: compuestos formados como intermediarios en el metabolismo. Son productos de una reacción y, a la vez, sustratos de la próxima

• Metabolismo Intermediario: reacciones que se llevan a cabo en la célula y que implican procesos de degradación y síntesis que generan productos intermediarios en cada etapa de reacción.

CATABOLISMO• Ruta metabólica de degradación de macromoléculas

(grasas, carbohidratos y proteínas) en moléculas más simples

• Se dan los procesos de oxidación y formación de los cofactores reducidos NADH, NADPH y FADH2

• Se libera la energía química (procesos exergónicos) y se produce ATP a partir de ADP

• Hay convergencia de rutas metabólicas

ANABOLISMO• Ruta metabólica de biosíntesis o construcción

macromoléculas (proteínas, DNA, etc.) a partir de moléculas precursoras más pequeñas

• Se dan los procesos de reducción y formación de los cofactores oxidados NAD+, NADP+ y FAD+

• Requiere de energía (procesos endergónicos) por lo que se consume ATP

• Hay divergencia de rutas metabólicas

Mecanismos para el intercambio de Energia en los Sistemas Vivos

• Transferencia del grupo fosforilo ATP-ADP

Cada fosforilacion o desfosforilación intercambian 7.3Kcal/mol.

• Reacciones Redox

• Pares Redox: NADP+/NADPH, NAD+/NADH, FAD+/ FADH2

Transferencia de Energía

• La forma de intercambio energético en los organismos vivos es la molécula de ATP, el transportador universal de energía en las siguientes actividades celulares:

– Síntesis molecular

– Producción y eliminación de compuestos

– Flujo de información (núcleo~citoplasma)

– Movimiento de vesículas y bombeo iónico

LA MOLÉCULA DEL ATPEs la principal molécula de alto contenido

energético que conecta las reacciones

productoras de energía con las que la

necesitan

Donde se necesita energía, el ATP es el principal

encargado de donarla, rompiéndose el enlace fosfato. Pero

será preciso resintetizar otra vez el ATP, en otros

procesos, generándose un ciclo sin fin en los seres vivos.

En los procesos OXIDATIVOS se libera

energía, parte de la cual es utilizada para la

síntesis de ATP:

ADP + Pi --------------------------> ATP (

G0' = +7.3 kcal/mol)

Otros procesos, por contra, precisan un

aporte de energía, suministrada por el

ATP, con lo que existe un ciclo del ATP en

muchos procesos biológicos.

Su estructura es responsable de su

capacidad como intermediario

energético en las reacciones

biológicas, ya que le confiere un G0'

muy negativo para su hidrólisis.

Por ello, el ATP posee una elevada

capacidad de transferencia de restos

fosfato.

Adenosín trifosfato (ATP) que es el principal vehículo de energía celular.

Transferencia de Energía

• Fosfato de alta

energía

ATP

Adenosín Trifosfato

libera energía

ADP

Adenosín Difosfato

-Adenosín monofosfato cíclico (AMP-c) que actuacomo segundo mensajero.

OTROS COMPUESTOS FOSFORILADOS DE

ALTO CONTENIDO ENERGÉTICO

COMPUESTOG0' de Hidrólisis

(kcal/mol)

Fosfoenol-piruvato -14.8

Carbamil-fosfato -12.3

Fosfocreatina -10.3

ATP ( --------> ADP + Pi) -7.3

ADP ( --------> AMP + Pi) -7.3

AMP (---------> Adenosina

+ Pi)-3.4

Glucosa-6-fosfato -3.3

Glicerol-1-fosfato -2.2

Existen otros nucleótidos trifosfato con estructura

similar a la del ATP y semejante ΔG0' de

hidrólisis. Se encuentran a concentraciones inferiores

a las del ATP

COMPUESTO NOMBRE

UTP, UDP Uridina-tri (di) fosfato

GTP, GDP Guanidina-tri (di) fosfato

CTP, CDP Citosina-tri (di) fosfato

Reacciones de óxido-reducción

• Son las reacciones que implican cambios

en el estado electrónico de los reactantes.

• Estos cambios se acompañan de

ganancia o pérdida de electrones.

Fe° Fe2+

Oxidación

Reducción

Reacciones de óxido-reducción

• Las formas reducidas de estos nucleótidos

se originan mediante la oxidación de los

combustibles celulares en el catabolismo.

• Serán utilizadas en:

– reacciones de biosíntesis

– transferencia de energía en reacciones

endergónicas

• Se reoxidan de nuevo, originando un ciclo

de oxidación/reducción

Son procesos en los que tiene lugar la transferencia de electrones y/o protones y son cruciales en el metabolismo celular, por dos razones:

1) Los seres vivos obtienen la mayoría de su energía libre a partir de la oxidación de ciertos compuestos bioquímicos como glúcidos, lípidos y ciertos aminoácidos.2) Muchos procesos biosintéticos implican la reducción de dobles enlaces

En ambos casos los electrones y protones deben poseer una

considerable energía libre, cosa que ocurre en ciertos nucleótidos:

los pares NADP+/NADPH, NAD+/NADH y

FAD/FADH2

- Nicotín adenín dinucleótido (NAD) que actúa como coenzima en reacciones de oxidación-

reducción.

Un resumen de todo esto puede verse en el siguiente

esquema, en el que se señalan los flujos de energía en

el metabolismo celular.

Interrelaciones Metabólicas

Comprenden la integración de todos los órganos, que usan y generan combustibles e

interactúan para mantener un equilibrio dinámico adecuado a las diversas situaciones que enfrenta el organismo en el transcurso de la vida. Este equilibrio dinámico se refiere no

solo a la adecuada distribución de los componentes energéticos sino también al

apropiado abastecimiento y eliminación de los diferentes metabolitos, productos de la

función celular.