BIOENERGÉTICABIOENERGÉTICA

Requerimientos celulares

Materiales estructural

es

Catalizadores

Información

Energía

MonosacáridosÁcidos grasosAminoácidosNucleótidos

AguaMinerales

EnzimasRibozimas

Almacenamiento (ADN)

Transmisión (ARN)Expresión (proteínas)

ObtenerAlmacenar

Utilizar

ENERGÍAENERGÍAEs la capacidad para realizar cambios

específicos

Necesaria para:◦ Impulsar reacciones implicadas en la

formación de componentes moleculares

◦ Propulsar las actividades en que participan dichos componentes

Síntesis

Mecánico

Concentración

Calor

Luz

Eléctrico

Materia y EnergíaMateria y EnergíaMateria: todo lo que tiene masa, volumen

y ocupa un lugar en el espacio

Energía: La capacidad de un sistema para realizar un trabajo

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

Pérdidas de calor

Energía solar

Aumento de E. Libre

Disminución entropía

Pérdidas de calor

Disminución de E. Libre

Aumento entropía

Fotótrofos Quimiótrofos

Compuestos

orgánicos

Oxígeno

Agua

Dióxido de carbono

Nitrato

Energía química

Flujo de energía y materia Flujo de energía y materia

Energía: unidireccional

Materia: cíclico

TERMODINÁMICATERMODINÁMICAEstudia el flujo de energía en los

sistemas (cambios energéticos)

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

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) permite 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

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 entornoCALOR:Es una forma de

energía útil para las máquinas

En organismos permite mantener temperatura corporal

TRABAJO:Utilizar la energía

para cualquier proceso diferente al flujo de calor

Leyes TermodinámicasLeyes TermodinámicasPrimera 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 quede almacenada en el sistema

Segunda Ley: Espontaneidad termodinámica

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

Toda reacción espontánea

obtienen como resultado disminuir el contenido de energía libre del sistema

Leyes TermodinámicasLeyes Termodinámicas

Espontaneidad termodinámicaEspontaneidad termodinámicaIndica si una reacción química puede

producirse, pero no indica si se producirá.

Puede evaluarse por:◦Aumento en la Entropía (medida de desorden)

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

Espontaneidad termodinámicaEspontaneidad termodinámicaEn ocasiones, la entropía del sistema

puede aumentar, disminuir, o quedar igual, así que no es un valor adecuado para predecir la espontaneidad de los proceso biológicos

Debe usarse un parámetro que permita la predicción de la espontaneidad de una reacción, considerando solamente el sistema

Energía libreEnergía libreEnergía 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 GGLa 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 KeqR= Constante de gases 1.9 cal./º/molT= Temperatura en º Kelvin.lnKeq log. Natural de Keq.Keq = [productos] / [reactantes]

Equilibrio QuímicoEquilibrio QuímicoSe 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

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 = 0.2 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 Gº´Gº´ 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 se dan las mismas condiciones

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 endergónicosProcesos exergónicos y endergónicos 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 que Proceso espontáneo y Proceso que requiere energíarequiere energía

Reacción exergónica◦Reacción química que es espontánea◦Libera energía al entorno◦Su Keq es > 1◦Su Gº < 1 (negativo)◦Los productos poseen menor energía que los

reactantes

Reacciones exergónicas y Reacciones exergónicas y endergónicasendergónicas

Reacción endergónica◦Reacción química que ocurre cuesta arriba◦Necesita energía para ocurrir ◦Su Keq es < 1◦Su Gº > 1 (positivo)◦En este caso los productos contienen mayor

energía que los reactantes.

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

ANABOLISMOANABOLISMORuta 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 AcopladasLa 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

Fosfoenol-piruvato -14.8 Carbamil-fosfato -12.3Fosfocreatina -10.3ATP ( ------> ADP + Pi) -7.3

ADP ( --------> AMP + Pi) -7.3 AMP (---------> Adenosina + Pi) -3.4

Glucosa-6-fosfato -3.3Glicerol-1-fosfato -2.2

Otros compuestos fosforilados de alto Otros compuestos fosforilados de alto contenido energéticocontenido energético

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)

Gracias...

PHPH

La concentración de iones hidrógeno en La concentración de iones hidrógeno en una solución.una solución.

HH22O HO H++ + OH + OH--

Agua pura = 10 Agua pura = 10 -7-7 M M

PH = - log HPH = - log H++ = log 1 = log 1 = 7.0 = 7.0 HH++

PHPH

PH: PH: 77 NeutroNeutro PH: > 7PH: > 7 Básico o alcalino Básico o alcalino ( capturan iones H( capturan iones H++ ) )

Grupos aminoGrupos amino PH: < 7PH: < 7 ácidoácido

( liberan iones H( liberan iones H++ ) )Grupos carboxilo y fosfatoGrupos carboxilo y fosfato

PH normal: 7.2 -7.4PH normal: 7.2 -7.4