Tema 1Bioenergética

Dra. Evelin Rojas Villarroel

OBJETIVOS

Estudiar el flujo de energía en la biosfera.

Conocer la importancia de las transformaciones energéticas que ocurren en los organismos vivos.

BIOENERGÉTICA

Rama de la termodinámica que estudia los cambios de energía que ocurren en las

reacciones bioquímicas

“TERMODINÁMICA BIOQUÍMICA”

Organismos vivos

Según obtienen su energía

Autótrofos• Utilizan CO2

• Fotosintéticos

Heterótrofos• Dependen de otros• No pueden utilizar CO2

• Fuente de C: otros

Redes alimenticias

Plantas, algas y algunas bacterias captan y utilizan la energía de la luz solar transforman materia inorgánica materia orgánica crecimiento y desarrollo.

El Ciclo del carbono

El flujo de energía en la Biosfera

El ciclo del oxígeno

Energía“Constituyente básico del universo”

Capacidad para realizar trabajo• Eléctrica• Mecánica• Química• Calorífica• Radiante• Nuclear• Gravitatoria

Interconvertibles

Transducción de energía

Ecuación Einstein:E= mc2

Donde:E= energía total (Kg.m2/s2)m= masa (Kg)C= velocidad de la luz

Relación Materia-Energía

Energía Interna

Representa la energía molecular de un sistema (energía de las moléculas, sus interacciones, energía de protones, etc.).

Energía Libre

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción, a temperatura y presión constante.

Suma de todas las formas de energía de un sistema: la suma de las energías cinética, potencial e interna.

Energía Total

Movimiento de objetos con el uso de fuerza

Trabajo celular: Maquinarias moleculares

Es una magnitud de la diferencia de energía que

manifiesta un cuerpo al pasar entre dos estados.

TRABAJO

Analogía entre seres vivos y otras máquinas

El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia.

Es transferido entre objetos El calor es la transferencia de parte de la energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, a diferente temperatura.

CALOR

SISTEMAEs la porción de universo formada por partes organizadas que interactúan entre sí e intercambian energía, información y materia.

Existen tres tipos de sistemas:-SISTEMAS AISLADOS-SISTEMAS CERRADOS-SISTEMAS ABIERTOS

ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de propiedades que permiten definirlo

Sistema abierto

Sistema cerrado

Es un sistema que intercambia energía y materia con su entorno.

Sólo intercambia energía con su entorno

No tiene ningún intercambio con el entorno.

Sistema aislado

ENTORNO

Es todo lo que rodea al sistema

SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO

Rama de la física que estudia la energía y sus transformaciones

1era Ley de la termodinámica: Entalpía

2da Ley de la Termodinámica: Entropía

LA TERMODINAMICA

“Conservación de la energía”La energía no se crea ni se destruye. Seconserva constante y puede interconvertirse, es decir se transforma.

E entra − E sale = ΔE sistema

E=Q – wQ= Calor hacia el sistemaw= Trabajo hecho por el sistemaE= energía interna

∆E= la variación entre el estado final y el inicial. Es una función de estado

Primera ley de la termodinámica

.

Calor contenido en el sistema reaccionante Número y tipo de enlaces químicos en reactantes y productos

∆H Medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a presión constante: ∆H= ∆E

Si el sistema es una reacción química la entalpía es el calor de reacción a presión constanteLibera calor: EXOTÉRMICA ( P<R) H es (-)Absorbe calor: ENDOTÈRMICA (P>R) H es (+)

ENTALPIA (H)

“Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un valor máximo”

La segunda ley provee criterios para determinar si un proceso se producirá o no pero no nos dice nada acerca de la velocidad del proceso

La termodinámica permite predecir si un proceso ocurrirá espontáneamente

La cinética química permite predecir a qué velocidad se produce dicho proceso.

Segunda ley de la termodinámica

ENTROPÍA (S)

Expresión cuantitativa del desorden de un sistema.

Ganancia de entropía (+): Productos menos complejos y más desordenados que reactantes.

“Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia el máximo desorden”.

Baja entropía

Hielo a 0ºC

Una molécula de proteína en su conformación nativa

Alta entropía

Agua a 20ºC

La misma molécula de proteína en un entorno desnaturalizante, desplegada

Entropía (S)

Células y organismos vivos

Sistemas abiertos

Intercambian materia y energía “entorno”

NUNCA

EQUILIBRIO CON EL MEDIO AMBIENTE

Sistemas reaccionantes

Reactantes y productos

Constantes cambios

Equilibrio:R= P

Keq= productos/ reactantes

Un sistema se define como termodinámicamente en equilibrio si mantiene un equilibrio térmico, mecánico, de fase y químico.

Concepto de EquilibrioTermodinámico

Para una reacción:

aA +bB ↔ cC + dD

La Keq = Cc Dd/ Aa Bb

Donde a, b, c y d= Nº de moléculas

C D A B = concentración molar

La energía libre de Gibbs (G)

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción, a temperatura y presión constante.

∆G= Cambio de energía libre de Gibbs (G) que ocurre cuando una reacción procede.

Liberación de energía: EXERGÓNICA (-)

Ganancia de energía libre: ENDERGÓNICA (+)

Condiciones estándares de presión y ºT

• ∆G= ∆H – T. ∆S • ∆G es la diferencia de energía libre• ∆H es la diferencia de entalpía• ∆S es la diferencia de entropía• T es la temperatura absoluta ( 25ºC ó

298 ºK)

La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad

Una nueva forma de enunciar la segunda ley (la más importante para nuestros fines) sería:

“Dado un sistema abierto, el criterio para que un proceso sea espontáneo a P y T constantes, es que ∆G sea negativo".

∆G < 0: El proceso es exergónico (espontáneo)

∆G > 0: El proceso es endergónico (desfavorable)

En el equilibrio, ∆G= 0

Cambio de energía libre estándar (∆Gº)

Fuerza que conduce el sistema hacia el equilibrio

Tº= 298ºK ó 25ºC ºK= 273 +ºC

R= P= 1M

Presión de gases = 1 atm (mmHg)

Cambio de energía libre estándar a pH 7,0

(∆Gº')

∆Gº‘= - RT ln K'eqR= 8,315 J/molxºK

∆Gº‘ se relaciona (exponencial) con la K'eq:

K'eq = 1 ∆Gº‘ = 1K'eq > 1 ∆Gº‘ = (-)K'eq <1 ∆Gº‘ = (+)

Diferencias entre ∆G y ∆Gº'

∆G• Cambio de energía

libre • Cambiante,

depende de R, P y ºT

∆Gº'• Cambio de energía

libre estándar• Constante para una

dada reacción

Reacciones acopladas

Reacción termodinámicamente desfavorable (endergónica) puede ser conducida hacia la dirección “favorable”

Para que la reacción se produzca, esta debe acoplarse a una reacción altamente exergónica a través de un intermediario común

La velocidad de biosíntesis de los componentes celulares se ajusta a las necesidades inmediatas.

Es el principio de la máxima economía el que preside todos los aspectos del metabolismo

Principio de máxima economía

∆G = ∆Gº' + RT Ln Keq

En dos reacciones secuenciales :

∆Gº' total= ∆Gº'1 + ∆Gº'2

Principio del intermediario común

Reacción termodinámicamte desfavorable (∆Gº‘ +)

Acoplarse a reacción

altamente exergónica

“Intermediario común”

Dirección favorable (∆Gº‘ -)

Principio del intermediario común Ejemplo:

1) Glucosa + Pi Glucosa 6-P + H20 (∆Gº‘ +13,8 kj/mol)

2) ATP + H20 ADP + Pi (∆Gº‘ -30,5 kj/mol)_____________________________________________Glucosa + ATP Glucosa 6-P + ADP

∆Gº‘total = +13,8 kj/mol + (-30,5 kj/mol) +13,8 kj/mol - 30,5 kj/mol)

∆Gº‘total = -16,7 kj/mol

La Keq total = Keq 1 X Keq 2

La estructura del ATP

Enlaces fosfatos de alta energía

La energía del ATP

• Donada para procesos endergónicos.• Síntesis de intermediarios metabólicos• Transporte de sustancias a través de

membrana• Movimiento mecánico.

Involcra:Hidrólisis del enlace fosfoanhidro terminal:

ATP ADP + Pi ATP AMP +2Pi

Es altamente exergónica (∆Gº‘ -30,5 kj/mol)

Altamente estable a la hidrólisis no enzimáticaAlta energía de activación

La donación de la energía del ATP

ATP= 2,25 M

ADP= 0,25 M

Pi= 1,65 M

∆Gº‘ -30,5 kj/mol

pH 7,0

25ºC (298ºK)

∆G = ∆Gº‘

Otros compuestos con enlaces fosfatos de alta energía