termodinamica y bioenergetica

CATEDRA DE BIOQUIMICA CATEDRA DE BIOQUIMICA Brom. Maria del Pilar CornejoBrom. Maria del Pilar Cornejo 11

TERMODINAMICA Y TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICABIOENERGÉTICA


La La bioenergéticabioenergética es el estudio de es el estudio de las transformaciones de las transformaciones de energíaenergía que tienen lugar en la que tienen lugar en la célulacélula, y de , y de la naturaleza y función de los la naturaleza y función de los procesos químicos en los que se procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la cuales siguen las leyes de la termodinámicatermodinámica


Organismos AutótrofosOrganismos Autótrofos: Son : Son aquellos que pueden utilizar el aquellos que pueden utilizar el COCO22 como fuente de como fuente de carbonocarbono

(bacterias, vegetales)(bacterias, vegetales)

Organismos HeterótrofosOrganismos Heterótrofos: obtienen : obtienen carbonocarbono de de moléculas orgánicasmoléculas orgánicas complejas .complejas .

(animales, microorganismos)(animales, microorganismos)


MetabolismoMetabolismo:: es la suma de todas las es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en la reacciones químicas que ocurren en la célula. Tiene lugar en una serie de célula. Tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas, llamadas “rutas reacciones catalizadas, llamadas “rutas metabólicas”.metabólicas”.

Catabolismo:Catabolismo: es la fase degradadora. Las es la fase degradadora. Las moléculas nutrientes se convierten en moléculas nutrientes se convierten en otras mas pequeñas y simples.otras mas pequeñas y simples.

Anabolismo:Anabolismo: moléculas pequeñas moléculas pequeñas reaccionan para convertirse en otras mas reaccionan para convertirse en otras mas grandes y complejas.grandes y complejas.


Las células necesitan de energía Las células necesitan de energía para poder realizar sus actividades para poder realizar sus actividades de desarrollo, crecimiento, de desarrollo, crecimiento, renovación de sus estructuras, renovación de sus estructuras, síntesis de moléculas, etc.síntesis de moléculas, etc.

La energía química que utiliza una La energía química que utiliza una célula animal para realizar trabajo célula animal para realizar trabajo proviene principalmente de la proviene principalmente de la oxidaciónoxidación de sustancias de sustancias incorporadas como alimentos. incorporadas como alimentos. (carbohidratos, grasas)(carbohidratos, grasas)


Al producirse una transformación Al producirse una transformación química, generalmente se rompen química, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energía enlaces y el contenido de energía de las moléculas aumenta o de las moléculas aumenta o disminuye. (disminuye. (∆∆G aumenta o G aumenta o disminuyedisminuye))

La “La “monedamoneda” ” de intercambio de de intercambio de Energía en los procesos biológicos Energía en los procesos biológicos es el es el ATPATP


Las Las oxidacionesoxidaciones se efectúan por adición de se efectúan por adición de OO, , por pérdida de por pérdida de HH o por otra reacción que resulte o por otra reacción que resulte en la en la pérdida de electronespérdida de electrones. .

La La reducciónreducción, por el contrario, implica , por el contrario, implica ganancia ganancia de electrones.de electrones.

NADHNADH yy FADH2FADH2 son los principales son los principales transportadores de electrones, ya que sufren transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles. oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservación de Sus reducciones, permiten la conservación de la la Energía LibreEnergía Libre que se produce en la oxidación que se produce en la oxidación de los sustratosde los sustratos


EQULIBRIO QUÍMICOEQULIBRIO QUÍMICO

A + B C + D1

2

Reacción directa (1): Reacción directa (1): V1= k1[A][B]V1= k1[A][B]

Reacción inversa (2):Reacción inversa (2): V2 = k2 [C][D]V2 = k2 [C][D]

En el EQUILIBRIO:En el EQUILIBRIO: V1 = V2V1 = V2

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

Reordenando: K1/K2 = [C][D]/[A][B]Reordenando: K1/K2 = [C][D]/[A][B]ESTO ES : KESTO ES : Keqeq = = [C][D]/[A][B][C][D]/[A][B]


Keq = [C][D]/[A][B]Keq = [C][D]/[A][B] Para cada reacción química, el valor de Para cada reacción química, el valor de

la la KeqKeq es característico a una Tº dada. es característico a una Tº dada. Si Si Keq >1Keq >1, la reacción se encuentra , la reacción se encuentra

desplazada hacia desplazada hacia Si Si Keq <1Keq <1, la reacción se encuentra , la reacción se encuentra

desplazada hacia desplazada hacia si si Keq =1Keq =1, la reacción se encuentra en , la reacción se encuentra en

EquilibrioEquilibrio y no hay desplazamiento y no hay desplazamiento neto.neto.


DEFINICIONESDEFINICIONES

ENERGÍA: ENERGÍA: Es la Es la “capacidad para producir un “capacidad para producir un trabajo”.trabajo”.

SISTEMASISTEMA: “ toda porción del universo que se : “ toda porción del universo que se somete a estudio”somete a estudio”

MEDIOMEDIO: “es lo que rodea al sistema”: “es lo que rodea al sistema”

UNIVERSOUNIVERSO = SISTEMA + MEDIO = SISTEMA + MEDIO


PROCESO EXOTÉRMICOPROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que : es aquel que transcurre con liberación de calor al transcurre con liberación de calor al medio.medio.

PROCESO ENDOTÉRMICOPROCESO ENDOTÉRMICO: el que : el que transcurre tomando calor del medio.transcurre tomando calor del medio.

PROCESO EXERGÓNICOPROCESO EXERGÓNICO: libera : libera energía. (ESPONTANEO)energía. (ESPONTANEO)

PROCESO ENDERGÓNICOPROCESO ENDERGÓNICO: absorbe : absorbe energía. (NO ESPONTANEO)energía. (NO ESPONTANEO)


ENTALPÍA (ENTALPÍA (∆Η)∆Η) :: es la energía en forma de es la energía en forma de calorcalor, liberada o consumida en un sistema a ,T , liberada o consumida en un sistema a ,T y P constantes.y P constantes.

ENTROPÍA (ENTROPÍA (∆∆S):S): energía no degradada, no energía no degradada, no utilizada para realizar trabajo.utilizada para realizar trabajo.

ENERGÍA LIBRE (ENERGÍA LIBRE (∆∆G):G): energía disponible para energía disponible para realizar trabajo. Es Energía contenida en las realizar trabajo. Es Energía contenida en las moléculas. Representa la energía intercambiada moléculas. Representa la energía intercambiada en una reacción químicaen una reacción química

DEFINICIONESDEFINICIONES


PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICAPRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

PRIMER PRINCIPIOPRIMER PRINCIPIO::““ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO

PERMANECE CONSTANTE”PERMANECE CONSTANTE”Equivale a decir: la energía del universo no se Equivale a decir: la energía del universo no se

crea ni se destruye, permanece invariante. Solo crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.se transforma.

SEGUNDO PRINCIPIOSEGUNDO PRINCIPIO::““ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO

AUMENTA”AUMENTA”Equivale a decir que el grado de desorden en el Equivale a decir que el grado de desorden en el

universo aumentauniverso aumenta..


CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICASLAS REACCIONES QUÍMICAS

Medir el contenido de energía de un sistema es muy Medir el contenido de energía de un sistema es muy difícil, generalmente medimos el cambio de energía difícil, generalmente medimos el cambio de energía entre dos estados.entre dos estados.

La variación de energía (La variación de energía (∆∆GG) ) para ir de para ir de AA hacia hacia BB es: es:∆∆ GGBABA = G = GB B - G- GAA

Para ir de Para ir de BB hacia hacia AA::

∆∆ GGABAB = G = GA A – G– GBB = - = - ∆∆GGBABA

Matemáticamente:Matemáticamente: ∆∆G = G = ∆∆H -TH -T∆∆SS

A B1

2

1818

Las reacciones cuya Las reacciones cuya ∆∆GG es positivo no es positivo no transcurren espontáneamente.transcurren espontáneamente.

Las reacciones cuyo Las reacciones cuyo ∆∆GG es negativo son las es negativo son las que se producen espontáneamente.que se producen espontáneamente.

Si Si ∆∆GG = 0 la reacción se encuentra en equilibrio = 0 la reacción se encuentra en equilibrio químico.químico.

Hay una relación entre Hay una relación entre ∆∆GG y la constante de y la constante de equilibrio:equilibrio:

∆∆G = G = ∆∆Gº + RT ln [productos]/[reactivos]Gº + RT ln [productos]/[reactivos]

Si Si ∆∆GG = 0 (en el equilibrio): = 0 (en el equilibrio): ∆∆Gº = -RT ln KeqGº = -RT ln Keq



∆∆GºGº es la variación de Energía Libre en es la variación de Energía Libre en condiciones estándar (Tº= 298ºK, condiciones estándar (Tº= 298ºK, [ ] = 1M, P = 1atm)[ ] = 1M, P = 1atm)

∆∆Gº’Gº’ es la variación de energía libre es la variación de energía libre estándar a un pH próximo al fisiológico estándar a un pH próximo al fisiológico (pH = 7)(pH = 7)

RR = 1,987 cal/mol grado = 1,987 cal/mol grado



COMPUESTOS DE COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍAALTA ENERGÍA

2121

ATPATP Es el compuesto de alta energía de Es el compuesto de alta energía de

mayor importancia en la célula.mayor importancia en la célula. El El ATP ATP a pH fisiológico se encuentra a pH fisiológico se encuentra

como como ATPATP4-4-. Las 4 cargas negativas se . Las 4 cargas negativas se encuentran próximas y originan encuentran próximas y originan tensiones intramoleculares que tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en desaparecen al hidrolizarse en ADP+PADP+Pii o o AMP+PPAMP+PPii..

Además los productos de la hidrólisis Además los productos de la hidrólisis se solvatan mejor y se estabilizan por se solvatan mejor y se estabilizan por resonancia contribuyendo a disminuir resonancia contribuyendo a disminuir ∆∆G G y desplazando la reacción hacia y desplazando la reacción hacia


Desde el punto de vista energético, una reacción con un Desde el punto de vista energético, una reacción con un ∆∆G positivoG positivo no podría ocurrir a no ser que exista un no podría ocurrir a no ser que exista un aporte de energía que la haga posible. aporte de energía que la haga posible.

Dicho aporte, lo proveen Dicho aporte, lo proveen compuestos decompuestos de alto contenido alto contenido energéticoenergético, que se caracterizan por tener enlaces que al , que se caracterizan por tener enlaces que al romperse romperse liberan una alta cantidad de energíaliberan una alta cantidad de energía. Este . Este proceso se llama acoplamiento.proceso se llama acoplamiento.

MOLECULAS DE ALTA ENERGIAMOLECULAS DE ALTA ENERGIA : ATP, Acetil-CoA, : ATP, Acetil-CoA, Creatina Fosfato, Fosfoenol Piruvato, por ejemplo.Creatina Fosfato, Fosfoenol Piruvato, por ejemplo.


REACCIONES ENERGÉTICAMENTE REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADASACOPLADAS

nombrenombre ∆∆ Gº’(kcal/mol)Gº’(kcal/mol)

ATP ADP + PATP ADP + P -7,3-7,3

ADP AMP + PADP AMP + P -7,7-7,7

AMP AMP adenosina adenosina + P+ P -3,4-3,4

Una reacción altamente exergónica puede hacer Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan.acoplan.


ATP + H2O ADP + Pi

GLUCOSA + Pi GLUCOSA-6-P + H2O

energia

∆ Gº'= -7,3 kcal/mol

∆ Gº'= +3,3 kcal/mol

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP ∆ Gº'= -7,3 + 3,3 = -4,0 kcal/mol

+


A B A B ∆∆GºGºabab B C B C ∆∆GºGºbcbc

A C A C ∆∆gºgºacac

∆ ∆GºGºacac = = ∆∆GGabab + + ∆∆GGbcbc

““Los valores de Los valores de ∆∆Gº de reacciones secuenciales Gº de reacciones secuenciales son aditivos”son aditivos”

Este principio explica por que una reacción Este principio explica por que una reacción termodinámicamente desfavorable puede termodinámicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea exergónica, a través de un intermediario comúnexergónica, a través de un intermediario común


ACTIVACIONACTIVACION Es la unión de moléculas biológicas de modo tal Es la unión de moléculas biológicas de modo tal

que, la ruptura de ese enlace químico formado, que, la ruptura de ese enlace químico formado, tiene un tiene un ∆∆G <0G <0

EJEMPLOS:EJEMPLOS:1) 1) A + COENZIMA A-COENZIMAA + COENZIMA A-COENZIMAA-COENZIMA + B AB + COENZIMA A-COENZIMA + B AB + COENZIMA ∆∆G<0G<0

2)2)FOSFORILACIONFOSFORILACION


Estructura química de la Estructura química de la Acetil CoAAcetil CoA. El . El grupo grupo acetiloacetilo aparece a la izquierda de la aparece a la izquierda de la figura, unido al figura, unido al azufreazufre (S) (S)

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Acetyl-CoA-2D-transparent.png


La La Coenzima ACoenzima A es un transportador de es un transportador de grupos acilo.grupos acilo.

Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los grupos acilo mediante un enlace tioester.grupos acilo mediante un enlace tioester.

La hidrólisis de un tioester es muy La hidrólisis de un tioester es muy favorable termodinámicamente, lo que favorable termodinámicamente, lo que hace que esta molécula tenga un alto hace que esta molécula tenga un alto potencial de transferencia de grupos acilo.potencial de transferencia de grupos acilo.

LALA CoA CoA es un “ es un “transportador de acilos transportador de acilos activadoactivado” igual que el ” igual que el ATPATP es “ es “un un transportador de P activadotransportador de P activado”.”.

termodinamica y bioenergetica

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