BIOENERGTICAEs la disciplina que estudia los aspectos energticos en los sistemas vivos, tanto a nivel molecular como a nivel celular.Interacciones molecularesATP como biomolcula almacenadora de energaBiocatlisisReacciones acopladas

BIOENERGTICALos sistemas biolgicos son esencialmente isotrmicos.Emplean la energa qumica para todos sus procesos vitales, a excepcin de los organismos fotosintticos que utilizan la energa luminosa.Los organismos hetertrofos, requieren de un combustible adecuado, el que lo obtienen de sus alimentos como energa qumica y la que denominaremos: ENERGIA LIBRE. POR LO TANTO:La clula es una mquina que necesita energa para realizar sus funciones.

DEFINICIONES SOBRE BIOENERGETICAIntercambios de energa de los seres vivos con su medio ambiente Cambios de energa en las reacciones qumicas y procesos fisicoqumicos de los seres vivos

PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA:En todo cambio la energa no se crea ni se destruye, setransforma.

Si consideramos a un organismo como un sistema, dentro de este la energa no se pierde ni se gana, pero si puede transferirse o ser transformada a otra forma de energa.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAAumento natural del desordenENTROPA(s) es un trmino que expresa desorden o lo fortuito del sistema, en un proceso que ocurre espontneamente el total de la ENTROPA debe aumentar. Es mxima cuando se aproxima al equilibrio verdadero La energa libre es la energa til, mientras que la entropa es la energa degradada.

Todo proceso espontneo resulta en un incremento neto de entropa, o desorden, del sistema ms sus alrededores

Los organismos vivos presentan un alto grado de orden, se contradice la segunda ley de la termodinmica?

CRECIMIENTOClula

Disminucin de entropaAumento de energa libreAlrededores

Aumento de entropaDisminucin de energa libreUniverso Aumento de entropaDisminucin de energa libre

ESTADO ESTACIONARIOClula

Entropa constanteEnerga libre constanteAlrededores

Aumento de entropaDisminucin de energa libreUniverso Aumento de entropaDisminucin de energa libre

DEGRADACIONClula

Aumento de entropaDisminucin de energa libreAlrededores

Entropa constanteEnerga libre constanteUniverso Aumento de entropaDisminucin de energa libre

Entropa (S)La entropa es la medida del grado de desorden de un sistema molecular

S1 > S2

Entalpa (H)La entalpa es la fraccin de la energa que se puede utilizar para realizar trabajo en condiciones de presin y volumen constante

dH0 proceso endotrmico

Energia libre de Gibson (G)En condiciones de temperatura y presin constantes, la relacin entre G (Cambio de energa libre) y S (Cambio en la entropa) de un sistema esta dada por la ecuacin:G = H TSH es el cambio en la entalpa (CALOR) T es la temperatura absoluta en KEn las condiciones que operan los sistemas biolgicos H es aproximadamente igual a E, que es el cambio total en la energa interna del sistema, entonces la ecuacin se modifica en:G = E TS

Los cambios en la energa libre se pueden definir como aquella parte de los cambios en la energa total que se utilizan para realizar un trabajo.A medida que el sistema se acerca al equilibrio G decrece al mnimo y se hace igual a cero. Si G es de signo negativo, la reaccin procede en forma espontnea, con perdida de energa libre, es decir, es EXERGONICA, si adems es de gran magnitud la reaccin ser irreversible.Si G es de signo positivo, la reaccin solo procede si se puede ganar energa, es decir, es ENDERGONICA, si adems la magnitud de G es grande, el sistema es estable, con poca tendencia a que una reaccin ocurra.Si G vale cero, el sistema esta en equilibrio, sin ningn cambio neto

SERES VIVOSMquinas qumicas que operan a T y P constantesSistemas termodinmicos abiertos en estado estacionarioENERGA

ENERGAINCORPORACINAUTOTROFOSHETEROTROFOSUTILIZACINDEGRADACINCALORAumento de ENTROPADESECHOSEnerga solarAlimentos

METABOLISMO Suma de todas las transformaciones qumicas que se producen en una clula u organismo Procesos en los cuales se obtiene y utiliza la energa

Calor de combustin de algunos compuestos orgnicosHidratos de carbonoGrasasProtenasCalor de combustinCalor liberado en organismos(kJ/g)(kJ/g)17,639,723,817,138,317,1C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2OC3H5O3(C4OH7)3 + 18.5 O2 15CO2 + 13 H2O C6H13O2N+ 7.5 O2 5.5 CO2 + 5.5 H2O + 0.5 CO2(NH2)22 C6H13O2N +14.5 O2 12 CO2 + 13 H2O + N2

METABOLISMO BASALEnerga necesaria para el desarrollo de las funciones vitales y el mantenimiento de la temperatura corporal.Condiciones para determinacinFunciones reducidas al mnimo reposo muscular (posicin acostada) ayuno previo de 12 h despierto y en reposo mental condiciones ambientales que constituyan un microclima trmicamente neutro (20-24 C para un individuo ligeramente vestido)

Otro trmino usado en bioenergtica es el de Energa libre estndar, que se puede calcular a partir de la constante de equilibrio Keq.Ejemplo para una reaccin reversible:a A + b B c C + d D En donde a, b, c y d son nmero de moles de las sustancias: A, B, C y D que participan en la reaccin. Existe una constante que expresa el equilibrio qumico alcanzado por el sistema, la llamada constante de equilibrio termodinmica.La constante de equilibrio debe ser una funcin matemtica de los cambios de energa libre de los componentes de la reaccin. Keq = [C]c [D]d [A]a [B]b

El cambio de energa libre esta dado por la ecuacin: G = G + RT ln Keq Keq = Constante de equilibrio. R = La constante de los gases: 1.987 cal .mol-1 . 0K-1 T = Temperatura absoluta. G = Cambios en energa libre o estndar.

Cuando se alcanza la condicin de equilibrio, G = 0 , entonces la ecuacin se convierte en:G = - RT ln Keq./ -2,3RTLogKeq

El metabolismo es una red de rutas con reacciones acopladas de degradacin (catabolismo) y sntesis (anabolismo)

Si la constante de equilibrio es 1.0, la energa libre es cero, lo que corresponde a la condicin de equilibrio.G Se puede calcular a partir de la constante de equilibrio como lo demostraremos con un ejemplo: EGlucosa - 1 fosfato Glucosa - 6 - Fosfato.

E = La enzima fosfoglucomutasa.

Se comienza la reaccin con una concentracin de glucosa -1- fosfato de 0.020 M, a 25 C. Cuando se alcanza la condicin de equilibrio la concentracin de glucosa-1-fosfato decrece a 0.001M, mientras que la concentracin de glucosa - 6 - fosfato aumenta a 0.019M. Con estos valores calculamos la constante de equilibrio K.

De tal forma que la energa libre: G = - RT ln K G = - 1.987 x 298 x ln 19 = - 1743.2 cal / mol.

COMO HACEN LOS SERES VIVOS PARA LLEVAR A CABO REACCIONES ANABLICAS Y PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGA A TRAVES DE REACCIONES ACOPLADAS

REACCIONES ACOPLADASREACCIONESEXERGNICAS(Liberan energa libre)REACCIONESENDERGNICAS(Requieren energa libre)ATPTRANSPORTADOR DE ENERGADESDE LOS PROCESOS CELULARES PRODUCTORES DE ENERGA A LOS PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGA

REACCIONES ACOPLADASPARA QUE DOS REACCIONES PUEDAN ACOPLARSE ES NECESARIO QUE TENGAN UN INTERMEDIARIO COMUNA + B C + DD + EF + G

EJEMPLOFosforilacin de la glucosa acoplada a la hidrlisis del ATPATP + H2O ADP + fosfatoGlucosa + fosfatoGlucosa-6-P + H2OElementosUna reaccin que libere energa ( DGO)Un intermediario comnREACCION 1REACCION 1REACCION 2DG(kJ mol-1)-30,5+17,1ATP + glucosa

-13,4REACCION 2FOSFATO

LOS PROCESOS ENDERGNICOS Y EXERGNICOS ESTN ACOPLADOS:

Las reacciones sintticas que necesitan energa estn acopladas con las reacciones oxidativas que liberan energa. Es decir un proceso endergnico no puede existir solo, tiene que ser componente de un sistema acoplado exergnico-endergnico, donde el cambio neto global de energa tendr que ser necesariamente exergnico.Las reacciones exergnicas constituyen el catabolismo,En las reacciones sintticas que forman sustancias constituyen el anabolismo. El acoplamiento de estas reacciones se da por la transferencia de energa libre. De un compuesto a otroEn los sistemas vivos el principal compuesto intermediario o portador de alta energa es la Adenosina tri fosfato o ATP .

EL ATP TIENE UN VALOR DE ENERGA LIBRE INTERMEDIO COMPARADO CON OTROS COMPUESTOS ORGANOFOSFATADOS.

CompuestoKj /molKcal /molFosfoenolpiruvato-61.9-14.8Carbamilfosfato-51.4-12.31,3-Difosfoglicerato-49.3-11.8Fosfocreatina-43.1-10.3ATP ADP + Pi-30.5-7.3ADP AMP + Pi-27.6-6.6Pirofosfato-27.6-6.6Glucosa-1-fosfato-17.1-5.0Fructosa-6-fosfato-15.9-3.8AMP-14.2-3.4Glucosa-6-fosfato-13.8-3.3Glicerol-3-fosfato-9.2-2.2

En el cuadro anterior se muestra el valor de energa libre estndar obtenido por hidrlisis de varios fosfatos de importancia biolgica.Se puede observar que la hidrlisis del fosfato terminal del ATP igual a 7.3 Kcal/mol divide a la lista en dos grupos:

El primero, los que se encuentra en la parte superior sobre el ATP se les designa como fosfatos de alta energa y son fosfoanhidros, El segundo los que se hallan por debajo constituyen el grupo de fosfatos de baja energa, en ellos se ubican los fosfoesteres intermediarios de la gluclisis.

En los sistemas biolgicos, el ATP es utilizado como el principal donador inmediato de energa libre, no como una forma de almacenamiento a largo plazo. En una clula tpica, cada molcula de ATP se consume dentro del minuto siguiente a su formacin. El recambio del ATP es muy rpido. Por ejemplo el ser humano en reposo consumo unos 40 Kg. de ATP en 24 horas. Durante el ejercicio vigoroso, la tasa de utilizacin de ATP puede alcanzar los 0,5 Kg .

ESTRUCTURA MOLECULAR DEL ATP

Otros compuestos biolgicamente importantes como compuestos de alta energa son los TIOESTERES, entre estos se encuentran los esteres de la Coenzima A, por ejemplo:El acetil-CoAProtenas acilportadorasEsteres de aminocidos involucrados en la sntesis proteicaUridinfosfato glucosa y el 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP).Un compuesto fosfatado importante es la CREATINA FOSFATO: as la cantidad de ATP muscular es suficiente para mantener la actividad contrctil solo durante una fraccin de segundo. El msculo de los vertebrados contiene un reservorio de grupos fosforilo de alto potencial en forma de CREATINA FOSFATO, tambin llamada Fosfocreatina, que puede transferir fcilmente su grupo fosforilo al ATP, en reaccin catalizada por la creatina quinasa.

EXISTEN TRES FUENTES PRINCIPALES DE FOSFATO DE ALTA ENERGA:

Fosforilacin oxidativa, es la mayor fuente de fosfatos macroergicos en los organismos aerbicos. La energa libre para este proceso procede del proceso oxidativo de la cadena respiratoria dentro de las mitocondrias.Gluclisis, donde se forman de manera neta dos fosfatos macroergicos cuando la glucosa se oxida a lactato, en dos reacciones catalizadas por la fosfogliceratocinasa y piruvatocinasa.Ciclo del cido Ctrico, en donde se genera un fosfato directamente en el paso catalizado por la succiniltiocinasa.

Otros trifosfatos de nuclesidos toman parte en la transferencia de fosfatos de alta energa, tales como:UTPtrifosfato de UridinaGTPTrifosfato de GuanosinaCTPTrifosfato de Citidina

Produccin calrica total de un hombre de 70 kg en diversas condiciones de actividad

CondicinProduccin calrica (J/h)DurmiendoAcostadoDe pieCaminando lentoCaminando ligeroCorriendoEscribiendo a mquinaTrabajando en carpintera272322439837125523855861004

*