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