Dra. Judith García de RodasSalón 207

BIOENERGÉTICA (TEMA 6)

Reconocerán la importancia del flujo energético en los sistemas vivos.

Utilizarán los valores de cambio en energía libre para predecir la espontaneidad de las reacciones químicas en los organismos.

Relacionarán la bioenergética con el metabolismo celular

Requerimientos celulares

Materiales estructurales

Catalizadores Información Energía

Monosacáridos

Ácidos grasos

Aminoácidos

Nucleótidos

Agua

Minerales

Enzimas

Ribozimas

Almacenamiento (ADN)

Transmisión (ARN)

Expresión (proteínas)

Obtener

Almacenar

Utilizar

ENERGÍAENERGÍA Es la capacidad para realizar

cambios específicos

Necesaria para: Impulsar reacciones implicadas en

la formación de componentes moleculares

efectuar actividades en las que participan dichos componentes

Síntesis

Mecánico

Concentración

Calor

Luz

Eléctrico

Pérdidas de calor

Energía solar

Aumento de energía Libre

Disminuye la entropía

Pérdidas de calor

Disminución de E. Libre

Aumento entropía

Fotótrofos

Quimiótrofos

Compuestos

orgánicos

Oxígeno

Agua

Dióxido de

carbonoNitrato

Energía química

Flujo de energía y materia Flujo de energía y materia

Energía: unidireccional

Materia: cíclico

MATERIA Y ENERGÍAMATERIA Y ENERGÍA

Materia: todo lo que tiene masa, volumen y ocupa un lugar en el espacio

Energía: La capacidad de un sistema para realizar un trabajo, utilizando energía

Clases de Energía: mecánica, eléctrica, potencial, química, calorífica, lumínica etc.

TERMODINÁMICATERMODINÁMICA

Estudia el flujo de energía en los sistemas (cambios energéticos en el universo)

Las leyes termodinámicas gobiernan los cambios energéticos en una reacción, y proveen herramientas para predecir la espontaneidad de la misma, si es favorable o inducida

BIOENERGÉTICABIOENERGÉTICA Describe la transferencia y utilización de

la energía en los sistemas biológicos

Utiliza las ideas básicas de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre

Los cambios en la energía libre (G) permiten cuantificar y predecir la factibilidad energética de una reacción química

EL UNIVERSOEL UNIVERSO

Se compone de dos partes: Sistema:

La parte del universo bajo estudio Espacio físico o porción de materia

contenida dentro de un límite o frontera Ej. una célula, una máquina, un vaso de

precipitado

Entorno Región fuera del límite o frontera El sistema intercambia materia o energía

con él

CLASES DE SISTEMASCLASES DE SISTEMAS

entorno

entorno

Sistema abierto

Sistema cerrado

Hay intercambio de

energía

No hay intercambio de

energía

FORMAS DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA FORMAS DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA ENTRE UN SISTEMA Y EL ENTORNOENTRE UN SISTEMA Y EL ENTORNO

CALOR: Es una forma de

energía útil para las máquinas

En organismos permite mantener temperatura corporal, mediante la transpiración

TRABAJO: Utilizar la energía para

cualquier proceso diferente al flujo de calor

Trabajo: cambio uniforme de moléculas en el entorno

Calor: aumenta el desorden de las moléculas en el entorno

LEYES TERMODINÁMICASLEYES TERMODINÁMICAS

Primera Ley: Conservación de la energía

La energía total del universo permanece constante, aunque puede cambiar

En una célula, la cantidad total de energía que sale, debe ser exactamente igual a la que entra, menos la energía que permanece almacenada en el sistema

Segunda Ley: Espontaneidad termodinámica

En cada cambio físico o químico, se incrementa la aleatoriedad (desorden) del universo

Toda reacción espontánea

da como resultado disminución del contenido de energía libre del sistema

LEYES TERMODINÁMICASLEYES TERMODINÁMICAS

ESPONTANEIDAD TERMODINÁMICAESPONTANEIDAD TERMODINÁMICA

Indica la probabilidad de que una reacción química ocurra, Aumento en la Entropía (medida de

desorden), puede determinarse por variación de la entropía.

Disminución de la Energía libre (medida de la capacidad del sistema para realizar un trabajo)

El parámetro de medida debe tomar en cuenta únicamente el sistema.

ENERGÍA LIBREENERGÍA LIBRE

Energía que está disponible para hacer un trabajo útil

Para sistemas biológicos, con presión, volumen y temperatura constantes, la variación de energía libre (G), se relaciona con las variaciones de entalpía y entropía

ΔH= ΔG + TΔS

VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE GG

La variación de energía libre es una medida de la espontaneidad termodinámica, basada únicamente en las propiedades del sistema donde ocurren las reacciones

G se puede calcular a partir de la Keq, a partir de las concentraciones de reactivos y productos

ΔGº´ = -R T ln Keq

R= Constante de gases 1.9 cal./º/molT= Temperatura en º Kelvin.lnKeq log. Natural de Keq.

Keq = [productos] / [reactantes]

EQUILIBRIO QUÍMICOEQUILIBRIO QUÍMICO

Se establece cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales

A + B C + D

Reacción directa Reacción inversa

Permite predecir la dirección a la que una reacción ocurre espontáneamente

Se obtiene al dividir la concentración de los reactivos y de los productos en el equilibrio

K eq = [C] [D]

[A] [B]

Constante de equilibrio KConstante de equilibrio Keqeq

VALORES DE LA KVALORES DE LA KEQEQ

Keq > 1 concentración de productos mayor que concentración de reactivos. 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 = 1 concentración de reactivos igual a concentración de productos

En los sistemas vivos la Keq puede ser mayor o menor que 1, si es 1 equivale a muerte porque no hay intercambio energético.

VALORES DE LA KVALORES DE LA KEQEQ

Si la concentración de productos = 10 y la concentración de reactivos = 2

Keq = 5 se favorece reacción directa

Si la concentración de productos = 2 y la concentración de reactivos = 10

Keq = 0.1 se favorece reacción inversa

Si la concentración de productos = 2 y la concentración de reactivos = 2

Keq = 1 está en equilibrio

ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR DGº´DGº´

Es el cambio de energía que se hace en un calorímetro bajo condiciones estándar de: Temperatura = 25 °C (298 K) Presión = 1 atmósfera Concentración 1 M pH = 7

Dentro de una célula no existen estas condiciones standares, son otros valores.

UTILIDAD DEUTILIDAD DE Gº Y Gº Y Gº´Gº´

Medidas útiles para cuantificar en qué dirección debe producirse una reacción para alcanzar el equilibrio y a qué distancia se encuentra de este

En las células, las reacciones se desplazan al equilibrio pero no lo alcanzan, porque sería una reacción detenida G = 0

PROCESOS EXERGÓNICOS Y PROCESOS EXERGÓNICOS Y ENDERGÓNICOSENDERGÓNICOS Los procesos químicos 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

PROCESO ESPONTÁNEO Y PROCESO PROCESO ESPONTÁNEO Y PROCESO QUE REQUIERE ENERGÍAQUE REQUIERE ENERGÍA

Reacción exergónica Reacción química que es espontánea Libera energía al entorno Su Keq es > 1 Su Gº < 1 (negativa)

Reacción endergónica Reacción química que ocurre cuesta

arriba Necesita energía para ocurrir Su Keq es < 1 Su Gº > 1 (positiva)

REACCIONES EXERGÓNICAS Y REACCIONES EXERGÓNICAS Y ENDERGÓNICASENDERGÓNICAS

METABOLISMOMETABOLISMO

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

VÍAS CATABÓLICAS Y ANABÓLICASVÍAS CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS

VÍAS CATABÓLICAS

VÍAS ANABÓLICAS

Moléculas en los alimentos Variedad de

moléculas que forman a una

célula

Variedad de monómeros para biosíntesis de

macromoléculas

Energía para

realizar trabajo

CATABOLISMOCATABOLISMO 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

ANABOLISMOANABOLISMO

Ruta metabólica de biosíntesis o construcción de macromoléculas (proteínas, ADN) 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

REACCIONES ACOPLADASREACCIONES ACOPLADAS

La energía de una reacción exergónica se utiliza para realizar una endergónica

MECANISMOS PARA EL INTERCAMBIO DE MECANISMOS PARA EL INTERCAMBIO DE ENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOSENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOS

1. Transferencia del grupo fosforilo ATP-ADP

Cada fosforilacion o desfosforilación intercambian 7.3Kcal/mol.

ACTIVIDADES CELULARES EN QUE ACTIVIDADES CELULARES EN QUE PARTICIPA EL ATPPARTICIPA EL ATP

ATP

Síntesis Síntesis molecularmolecular

Flujo de información Flujo de información (núcleo(núcleo~citoplasma)~citoplasma)

Movimiento Movimiento de vesículasde vesículas

Bombeo Bombeo iónicoiónico

Producción de compuestos

Eliminación de Eliminación de compuestoscompuestos

Contracción muscular

MECANISMOS PARA EL INTERCAMBIO DE MECANISMOS PARA EL INTERCAMBIO DE ENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOSENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOS

2. Reacciones de óxido-reducción

implican cambios en el estado electrónico de los reactantes (ganancia o pérdida de electrones yo protones)

¿Que diferencia hay entre sistema abierto y cerrado?¿Qué diferencia hay entre energía libre y estándar ?¿Que relación hay entre cambio de energía libre y constante de equilibrio (Keq)?¿Qué es metabolismo, anabolismo y catabolismo?¿Qué son reacciones acopladas y en que condiciones ocurren?¿Qué diferencia hay entre reacciones endergónicas y exergónicas?¿Qué diferencia hay entre energía libreG) y energía libre estándar (Gº)?¿De dónde obtienen los organismos la energía ùtil para trabajo?¿Que significa catálisis y que moléculas partiicipan?¿Como define sustrato y enzima?¿Que diferencia hay entre enzima y ribozima y que función tienen?¿Que diferencia hay entre enzima y coenzima?¿Que es un grupo prostético y que función tiene?¿Que variedad de enzimas requieren de grupo prostético y en que tipo de reacionesParticipan?¿Que diferencia hay entre sitio activo y alostérico?¿Qué condiciones requieren los catalizadores orgánicos para actuar optimamente?¿Que diferencia hay entre inhibición reversible e irreversible y cuándo ocurre?¿Que diferencia hay entre inhibición competitiva y no competitiva?¿Qué es inhibición alostérica y cuál es su importancia?

¿En que consiste la afinidad enzimática? ¿Que es glicólisis, en que parte de la célula ocurre y que

importancia tiene? ¿Que organismos realizan glucólisis y porqué? Esquematice el proceso de la glicólisis? ¿Cuáles son los productos de la glucólisis? ¿Qué importancia tienen las NAD en la glicólisis? ¿Qué diferencia hay entre glucólisis y fermentación? ¿Qué diferencia hay entrre fermentación y respiración? ¿Qué gas es indispensable para la oxidación en la mitocondria? ¿Que gas se libera por oxidación del piruvato en la mitocondria? ¿Cuál la diferencia en la producción de ATP en la glicoliisis

anaeróbica comparada con la aeróbica?

¿Cómo eliminan los animales del ácido carbónico que se forma en el organismo?

Muuuchas Gracias...