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Bioquímica
Unidad 3. Bioenergética y
Metabolismo oxidativo
1
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Unidad 3. Bioenergética y
Metabolismo oxidativo
Describir las transformaciones, intercambio y uso de la ENERGIA en los seres vivos.
Explicar los procesos que completan la oxidación de las moléculas combustibles en los seres vivos.
Objetivo terminal:
Profa. Milagro León
Profa. Lilliam Sívoli
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Recomendaciones generales
1. Puntual asistencia al horario de dictado de la asignatura.
2. Prestar atención y no perturbar el desarrollo del contenido del tema.
3. Repasar todos los días los contenidos impartidos en las sesiones de teoría.
4. Preparar y estudiar el contenido del taller sobre Bioenergética a ser discutido durante la sesión práctica en la Semana de Docencia Nro. 10
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Introducción
Los seres vivos están constituidos por miles de compuestos orgánicos distintos (moléculas sencillas moléculas complejas).
Todas estas moléculas están constituidas por los mismos elementos que constituyen la materia inerte, y se rigen por los mismos principios de la física y la química: Leyes de la termodinámica.
Organizados a su vez, en acumulaciones macromoleculares en extremo complejas.
¿De qué manera funciona una enzima? ¿Qué papel desempeña el ATP dentro del metabolismo? ¿Qué fuerzas mantienen la estructura tridimensional nativa de una proteína en solución?
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Es la rama de la termodinámica que estudia las transformaciones y transferencias de energía en las reacciones bioquímicas.
Bioenergética
5
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Es la ciencia que investiga las transformaciones energéticas que acompañan a los cambios físicos y químicos de la materia.
Termodinámica
Estudia los cambios que se desarrollan al pasar un sistema desde el estado inicial a otro final, sin importar el camino seguido durante la transición o el tiempo requerido para que ocurra dicho cambio.
Describe y relaciona las propiedades físicas de la materia y sus intercambios de energía.
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Tipos de Energía:
• Lumínica
• Química
• Mecánica
• Eléctrica
• Calórica
Es la capacidad de producir cambio y se mide por la cantidad de trabajo realizado durante este período de cambio.
Energía
La presencia de energía solo se revela cuando se ha producido un cambio.
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Origen de la Energía
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Atmósfera
Energía química
Energía Lumínica
Energía química
CO2
Descomposición por microorganismos
Restos orgánicos
Restos orgánicos Restos orgánicos
Flujo de la energía y ciclo de la materia
Respiración
Respiración Respiración
Re
sp
ira
ció
n
Calor
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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 10
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Se define de acuerdo al interés del investigador
Es la parte del universo cuyo cambio observamos
Sistema:
Ejemplos: una célula, un tejido, el metabolismo, una población, el planeta,
etc.
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Nombra Una Estrella
Pon nombre a una
estrella real
Tarjeta Barclaycard
Si quieres algo, sólo
tienes que ir a por ello
Astronomia Educativa
Univer
so
Sistema
Solar
Tierra y
Luna
Histor
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Lectur
as
Persona
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Glosar
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15
www.astroBúsquedapub-37251ISO-8859ISO-8859GALT:#00es
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Todo lo que rodea al sistema que sea relevante para el cambio
Entorno:
UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO
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Cerrado: Sólo intercambia ENERGÍA con el entorno.
Abierto: Existe intercambio de MATERIA Y ENERGÍA entre el sistema y el entorno.
Tipos de Sistemas:
Aislado: No intercambia ENERGÍA y/o MATERIA con el entorno.
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Consumen nutrientes de su entorno (materia y energía) y liberan a él productos de desecho.
Los seres vivos son sistemas
Abiertos
18
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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
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E = Energía cinética + Energía potencial
Energía total o Energía interna (E)
20
La cantidad total de energía de un sistema y su entorno, viene determinada por vibración, rotación, traslación de las moléculas y su energía de enlace.
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Se pueden medir las variaciones de sus componentes
Formas de medir la Energía Total o Energía Interna (E) del Sistema
E = Energía final - Energía inicial
E = E productos - E reaccionantes
= Cambio o variación
21
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Trabajo (w) hacia o desde el sistema
Calor (q) hacia o desde el sistema
Formas de intercambio de Energía entre el sistema y su entorno
Cuando el sistema y su entorno tienen temperaturas diferentes
Cuando una fuerza mueve un objeto
22
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E = q – w
E = Variación de energía del sistema
q = Calor del entorno absorbido por el sistema
w= Trabajo realizado por el entorno sobre el sistema
(trabajo biológicamente útil)
23
Variación de energía del sistema
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24
La entalpía (H) o calor interno del sistema a presión constante
La variación de entalpía de un sistema ( H) expresa la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.
En los sistemas bioquímicos, en donde la presión y el volumen es constante, las variaciones de entalpía son iguales al calor ganado o perdido por el sistema
H = E
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25
H 0
H > 0
H = 0
La reacción o proceso desprende calor al entorno
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
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HR
HP
Calor
Proceso exotérmico
H = HP -HR
H < 0
Ener
gía
26
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Proceso endotérmico
HR
Calor
Ener
gía
HP
H > 0
H = HP -HR
27
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28
H reacción= H productos - H reactantes
Calcular el ΔH de la reacción de Fotosíntesis
6 CO2 + 6 H20 → C6H12O6 + 6O2 Hf (Kj/mol)
CO2 - 393.3
H20 - 286.2
C6H12O6 - 1274.9
O2 0
H = [(-1274.9) + 6(0) ] - [6 (-393.3)+ 6(-286.2)]
H = + 2802.1 Kj/mol
Es endotérmica
H = [-1274.9 + 0] - [(-2359.8)+(-1717.2)]
H = [-1274.9] - [-4077]
H > 0
Reactantes Productos
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Generalmente los procesos exotérmicos son espontáneos o irreversibles
Ej.: la caída de una roca, la relajación de un músculo
No obstante:
Existen procesos espontáneos que son endotérmicos
Ej.: un trozo de hielo que se funde a temperatura ambiente
29
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La entalpía no permite predecir La dirección de una reacción
Se requieren otras variables termodinámicas
30
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2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
El Universo tiende a la máxima entropía
Suniverso = Ssistema + Sentorno
La variación de la entropía del universo ( S) es positiva para todos los procesos espontáneos
31
ENTROPÍA: es la extensión del desorden o aleatoriedad del sistema y alcanza su punto máximo conforme alcanza el equilibrio.
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2a LEY DE LA TERMODINÁMICA
SU > 0
SUniverso = SSistema + SEntorno
Proceso espontáneo
Proceso inverso, espontáneo
El proceso no puede ocurrir
32
Permite predecir la espontaneidad y la dirección con que ocurre una reacción
SU < 0
SU = 0
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ENERGÍA LIBRE (G)
G Variación de Energía Libre (cal)
H
T
SSistema
Variación de Entalpía (cal)
Temperatura (°K) (°K = 273 + °C)
Variación de Entropía (cal)
Es la porción de la energía total que está disponible para realizar trabajo. “Energía útil”
33
G = H – T∙ SSistema
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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)
34
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La reacción no es espontánea (endergónica)(procede si gana E)
El proceso está en equilibrio (no ocurre ningún cambio)
La reacción es espontánea (exergónica) (irreversible)
En las reacciones bioquímicas:
35
H = E
G = H – T∙ SSistema
G 0
G > 0
G = 0
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Gi
Gf
Energía
Proceso exergónico
G = Gf -Gi
G < 0
Ener
gía
A + B C + D + Energía
36
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Proceso endergónico
Gi
Energía
Ener
gía
Gf
G > 0
G = Gf - Gi
A + B + Energía C + D
37
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Formas de calcular las variaciones de energía libre ( G)
A partir de la H y de la S G = H - T S
A partir de la G de formación de productos y reactantes:
Gf°’ = Gf°’prod - Gf°’reac
Por aditividad G°’ = G°’1 + G°’2
A partir de la Keq G
’ = -2,3 RT log Keq
R =1,987 kcal/mol K; T= (°C + 273)K
A partir del E0 G°’ =-n F E’0
F = 23,063 kcal /mol∙v o 96,500 kJ/ mol∙v 38
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RELACIÓN ENTRE G Y LA CONCENTRACIÓN
DE LOS REACTANTES Y PRODUCTOS
G = Go + 2,303 RT log [Productos /Reactantes
39
En el equilibrio G = 0
Go = - 2,303 RT log Keq
G = Go + RT ln Productos / Reactantes
R= Constante de los gases =1,987 cal/ºK ó 8,31 J/ºK
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La reacción es exergónica (equilibrio desplazado a la derecha)
La reacción es endergónica (equilibrio desplazado a la izquierda)
La reacción es isoergónica (igual probabilidad de ir hacia la derecha que hacia la izquierda)
G = Go + 2,303 RT log Productos / Reactantes
A + B C + D
40
Keq 1
Keq <1
Keq =1
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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 el sustrato de la siguiente
Acoplamiento energético con transferencia de grupo (fosfato, acilo o metilo)
41
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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 G° = +10 kJ/mol
C D G° = -30 kJ /mol
A + C B + D G° = -20 kJ/mol
42
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Compuestos de alta energía
Son intermediarios metabólicos cuyo potencial de transferencia de grupo es igual o inferior a -7 kcal/mol (-30 kJ/mol)
Potencial de Transferencia de grupo: Energía libre que el compuesto es capaz de ceder a otra sustancia junto con el grupo transferido
Go’ de hidrólisis coincide con el potencial de transferencia de grupo
43
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¿Por qué son de alta energía?
Sus productos de hidrólisis tienen mas formas resonantes que ellos
Presentan repulsión de cargas
Presentan impedimento estérico
Inestabilidad
44
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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)
45
2) Los que transfieren grupos acilo: Acil-CoA
3) Los que transfieren grupos metilo: Adenosilmetionina
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Valores de Gº´ de hidrólisis de los principales compuestos de alta energía
46
Compuesto 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
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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.
47
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Papel central del ATP en el metabolismo
48
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Fosfoenolpiruvato 1, 3 -bisfosfoglicerato
Succinil-CoA Fosforilación
oxidativa
P
ATP
ADP P
P
Glucosa 6-fosfato
Glicerol 3-fosfato
Fructosa 1, 6-bisfosfato
Otras fosforilaciones, activaciones y procesos endergónicos
(Reserva de )
P
Creatina
Creatina
Ciclo del ATP/ADP
Ciclo del ATP/ADP
49
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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
50
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Nutrientes: Carbohidratos
Proteínas Lípidos
Energía Química
Energía calorica y productos finales
CO2 H2O NH3
Moléculas precursoras como
Aminoácidos Azúcares
ácidos grasos bases
nitrogenadas
Macromoléculas: Proteínas
Polisacáridos Lípidos
Ácidos nucleicos
Catabolismo
ATP NADH
NADPH FADH2
ADP+Pi NAD+
NADP+ FAD
Anabolismo
Visión general del metabolismo
51
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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
52
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Oxaloacetato
Citrato
CO2
CO2
Acetil-CoA Piruvato Glucosa Glucogeno
Almidón
Sacarosa
Alanina
Serina
Fenilalanina
Leucina
Isoleucina
Ácidos grasos Triacilgliceroles
Fosfolípidos
Acetoacetil-CoA Icosanoides
Ácidos grasos Triacilgliceroles
Fosfolípidos CDP-diacilglicerol
Mevalonato
Isopentenil pirofosfato
Colesterol Ácidos biliares
Hormonas esteroideas
Ésteres de colesterol
CATABOLISMO: Rutas convergentes
ANABOLISMO: Rutas divergentes
ANFIBÓLICA Ruta cíclica: Ciclo de Krebs
Rutas metabólicas
53
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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 libre proveniente de las vías catabólicas
• Vías Anfibólicas: Actúan como enlaces entre las Vías catabólicas y las anabólicas
54
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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 55
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Proteínas Polisacáridos Ácidos Nucleicos
Aminoácidos Glucosa
Bases Pentosas
Triacilgliceroles
Ácidos grasos Glicerol
ATP
NADH
Piruvato
Acetil-CoA
O2 H2O CO2 Productos de Desechos Urea
ATP
NADH
FADH2
ATP
NH3
NADH
FADH2
Etapa I
Fases del catabolismo
Etapa II
Etapa III
Nucleótidos
56
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Cu+ + Fe3+ Cu2+ + Fe2+
En algunas reacciones de Oxido-Reducción solo se transfieren electrones (e-):
Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+
En muchas reacciones de Oxido-Reducción se transfieren electrones y protones:
El cobre se oxida y el hierro se reduce
El NADH+H+ se oxida y el piruvato se reduce
57
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Proteínas Polisacáridos Ácidos Nucleicos
Aminoácidos Glucosa Nucleótidos
Triacilgliceroles
Ác. grasos Glicerol
Gliceraldehido 3-P
Piruvato Acetil-CoA
NH3
Citrato Oxaloacetato
Isoprenoides
Isopentenil-pirofosfato
Mevalonato
Fases del Anabolismo
Ciclo de Krebs
Etapa III
Etapa II
Etapa I
58
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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 59
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Las variaciones de energía libre pueden ser expresadas en términos de Go’ y, en forma análoga, como E0’
n = número de electrones transferidos
F = Constante de Faraday: 23,063 cal /v (96,500 jul./v)
E0’ = Diferencia de potencial redox (Eo’ del agente oxidante – Eo’ del agente reductor)
La relación entre G°’ y E0’ es :
G°’ =-n F E0’
60
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61
Sistema ’0 (voltios, v) H+/H2 -0,42
NAD+/NADH -0,32
Lipoato; ox/red -0,29
Acetoacetato/3-hidroxibutirato -0,27
Piruvato/Lactato -0,19
Oxalacetato/Malato -0,17
Fumarato/succinato +0,03
Citocromo b; Fe+3/Fe+2 +0,08
Ubiquinona; ox/red +0,10
Citocromo c1; Fe+3/Fe+2 +0,22
Citocromo a; Fe+3/Fe+2 +0,29
Oxígeno/agua +0,82
Potenciales de reducción estándar para semi-reacciones bioquímicas
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Los electrones fluyen de forma espontánea desde las especies con un valor de E°’ más
negativos a las especies con un E°’ más positivo
El flujo de electrones puede utilizarse para generar y capturar energía en la respiración
aerobia
62
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NADH
½O2
E’0 más negativo
E’0 más positivo
E’0 = - 0,32
E’0 = + 0,82
2 e- ATP
Flujo electrónico y energía
63