Diapositiva tomada del Texto Paralelo de Eder Bladimir Blanco Martínez
La nutrición es el conjunto de los procesos
mediante los cuales los organismos
incorporan materia y energía al interior de
sus células, las transforman en otras
sustancias o en otro tipo de energía y
excretan los productos de desecho
resultantes.
¿POR QUÉ LOS SERES VIVOS SE RELACIONAN CON LA ENERGÍA Y SU METABOLISMO?
El estudio de las oxidaciones productoras
de energía abarca tres aspectos:
1.El tipo y la naturaleza de las sustanciascapaces de oxidarse.
2.El mecanismo de oxidación de dichassustancias.
3.La utilización de la energía liberada en estasreacciones.
En base a lo anterior iniciaremos expresando lo siguiente: el flujo de energía a través del mundo biótico comienza con la captura
de la energía radiante del sol con el proceso de la fotosíntesis.
El flujo de energía en los seres vivos
En el mundo vivo se distinguen tresprocesos de transformación de
energía:
1. En la fotosíntesis la energía radiante del sol setransforma en energía química, que queda almacenadaen los enlaces de los carbohidratos y otrasmoléculas complejas sintetizadas.
2. Mediante la respiración celular esta energía pasa auna nueva forma que son los enlaces fosfatoproducidos en la degradación escalonada de la glucosay otras moléculas.
3. El trabajo celular se produce cuando laenergía química de los enlaces fosfato esutilizada por la célula para realizar un trabajo.Este trabajo puede ser muscular (contracciónmuscular), eléctrico (impulsosnerviosos), osmótico ( transporte de moléculasen contra de un gradiente de concentración) oquímico (síntesis de nuevas moléculas para elcrecimiento de la célula o el almacenamiento de
energía).
Veamos a continuación el
diagrama del flujo de la
energía en el metabolismo
Estados de la energía
• Energía potencial:
energía almacenada
• Energía cinética:
energía de movimiento
TRANSFORMACIÓN DE LA
ENERGIA
• Potencial en cinética
• Eléctrica en mecánica
• Química en térmica
• Iónica en eléctrica: movimiento de iones a
través de la membrana
• Radiante en química: formación de almidón a
partir de CO2 + H2O+ luz solar
Termodinámica• Estudio de los cambios energéticos y el flujo
de energía en un sistema
• Las leyes de termodinámica no sólo gobiernan
los cambios energéticos en una reacción, sino
que proveen las herramientas que permiten
predecir si la reacción será o no espontánea
Leyes de la Termodinámica
• 1ra. Ley Conservación de la energía: la energía
no se crea ni se destruye, solo se transforma
• 2da. Ley Todos los sistemas tienden al
equilibrio: La inercia de todo sistema tiende a ir
del orden al desorden
• Los eventos del universo proceden cuesta abajo
para minimizar su contenido de energía libre
• Cuando se alcanza el contenido mínimo de energía en un sistema, se dice que el sistema está en equilibrio
• En una reacción química los reactantes se convierten en productos, y viceversa.
REACTANTES PRODUCTOS
Glucógeno Glucosas libres
REACCION ESPONTÁNEA
ENERGIA LIBRE DE GIBBS
Es la energía disponible para realizar
trabajo.
ENTALPIA
Cantidad de calor liberado o
absorbido en un sistema durante un
proceso a presión constante
ENTROPIA
Medida de la aleatoriedad o del
desorden de un sistema
¿Cómo cambia la entropía de un sistema
para cada uno de los siguientes procesos?
a)Congelamiento del
alcohol
b) Evaporación de
bromo líquido en un
recipiente a T˚
ambiente
c) Disolución de
sacarosa en agua
a) De líquido a sólido, por lo
que el sistema adquiere un
orden mayor, por lo que
ΔS<0
b) De líquido a vapor.
ΔS>0
c) Una disolución esta más
desordenada que sus
componentes ΔS>0
Equilibrio Químico
• Las reacciones químicas también tienden al
equilibrio, éste se establece cuando las
velocidades de las reacciones directa e
inversa son iguales
A + B C + D
Reacción directa
Reacción inversa
Equilibrio químico• Las dos reacciones ocurren a igual velocidad
K1 [A][B] = K2 [C][D]
• Por tanto: en equilibrio hay una proporción
predecible entre la concentración de productos y
reactantes
K1 / K2 = [C][D] / [A][B]
• Es la razón que se establece entre la
concentración de los reactivos y de los
productos en el equilibrio
Keq = K1 / K2 = [C][D] / [A][B]
• Esta permite predecir la dirección a la que
una reacción ocurre espontáneamente
Constante de equilibrio Keq
Cálculo de la Keq
• Se realiza dividiendo la concentración de
los productos entre la concentración de los
reactivos:
K eq [C] [D]
[A] [B]
Valores de la Keq• Keq > 1 concentración de productos mayor que
concentración de reactantes. 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 = 0 concentración de reactivos igual a
concentración de productos
Energía libre• Es la energía disponible para trabajo celular
• La relación entre la energía y el desorden puede explicarse a partir de la siguiente ecuación:
DG = DH - T DS
• DH = cambio en entalpía (medida del cambio de calor entre los reactivos y productos de la reacción)
• DS = cambio en entropía (medida del cambio en el desorden de los reactivos y productos)
• T = temperatura en ºKelvin
Energía libre• La variación de G es la que determina el carácter
espontáneo de una reacción química
• En los procesos espontáneos la energía libre del sistema
disminuye, el valor final de G es menor que el inicial
y, por tanto, DG es negativa
• Tal disminución (DG<0) puede ser debida a: una baja
del contenido energético H (DH<0), un aumento del
desorden (DS>0) o a ambos
Energía libre
• El resultado final de ese balance entre
energía y desorden es el responsable de la
espontaneidad de la reacción
• Si T· DS es mayor que DH aunque el
proceso sea endotérmico (DH>0) será
espontáneo (DG<0)
Procesos exergónicos y endergónicos
• Los procesos 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
• Reacción exergónica– Reacción química que es espontánea
– Libera energía al entorno
– Su Keq es > 1
– Su DGº < 1 (negativa)
• Reacción endergónica– Reacción química que ocurre cuesta arriba
– Necesita energía para ocurrir
– Su Keq es < 1
– Su DGº > 1 (positiva)
Reacciones exergónicas y endergónicas
METABOLISMO
• 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
METABOLISMO
• Ruta metabólica: secuencia de reacciones que tienen un propósito particular
• Metabolitos: compuestos formados como intermediarios en el metabolismo. Son productos de una reacción y, a la vez, sustratos de la próxima
• Metabolismo Intermediario: reacciones que se llevan a cabo en la célula y que implican procesos de degradación y síntesis que generan productos intermediarios en cada etapa de reacción.
CATABOLISMO• 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
ANABOLISMO• Ruta metabólica de biosíntesis o construcción
macromoléculas (proteínas, DNA, etc.) 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
Mecanismos para el intercambio de Energia en los Sistemas Vivos
• Transferencia del grupo fosforilo ATP-ADP
Cada fosforilacion o desfosforilación intercambian 7.3Kcal/mol.
• Reacciones Redox
• Pares Redox: NADP+/NADPH, NAD+/NADH, FAD+/ FADH2
Transferencia de Energía
• La forma de intercambio energético en los organismos vivos es la molécula de ATP, el transportador universal de energía en las siguientes actividades celulares:
– Síntesis molecular
– Producción y eliminación de compuestos
– Flujo de información (núcleo~citoplasma)
– Movimiento de vesículas y bombeo iónico
LA MOLÉCULA DEL ATPEs la principal molécula de alto contenido
energético que conecta las reacciones
productoras de energía con las que la
necesitan
Donde se necesita energía, el ATP es el principal
encargado de donarla, rompiéndose el enlace fosfato. Pero
será preciso resintetizar otra vez el ATP, en otros
procesos, generándose un ciclo sin fin en los seres vivos.
En los procesos OXIDATIVOS se libera
energía, parte de la cual es utilizada para la
síntesis de ATP:
ADP + Pi --------------------------> ATP (
G0' = +7.3 kcal/mol)
Otros procesos, por contra, precisan un
aporte de energía, suministrada por el
ATP, con lo que existe un ciclo del ATP en
muchos procesos biológicos.
Su estructura es responsable de su
capacidad como intermediario
energético en las reacciones
biológicas, ya que le confiere un G0'
muy negativo para su hidrólisis.
Por ello, el ATP posee una elevada
capacidad de transferencia de restos
fosfato.
Adenosín trifosfato (ATP) que es el principal vehículo de energía celular.
Transferencia de Energía
• Fosfato de alta
energía
ATP
Adenosín Trifosfato
libera energía
ADP
Adenosín Difosfato
-Adenosín monofosfato cíclico (AMP-c) que actuacomo segundo mensajero.
OTROS COMPUESTOS FOSFORILADOS DE
ALTO CONTENIDO ENERGÉTICO
COMPUESTOG0' de Hidrólisis
(kcal/mol)
Fosfoenol-piruvato -14.8
Carbamil-fosfato -12.3
Fosfocreatina -10.3
ATP ( --------> ADP + Pi) -7.3
ADP ( --------> AMP + Pi) -7.3
AMP (---------> Adenosina
+ Pi)-3.4
Glucosa-6-fosfato -3.3
Glicerol-1-fosfato -2.2
Existen otros nucleótidos trifosfato con estructura
similar a la del ATP y semejante ΔG0' de
hidrólisis. Se encuentran a concentraciones inferiores
a las del ATP
COMPUESTO NOMBRE
UTP, UDP Uridina-tri (di) fosfato
GTP, GDP Guanidina-tri (di) fosfato
CTP, CDP Citosina-tri (di) fosfato
Reacciones de óxido-reducción
• Son las reacciones que implican cambios
en el estado electrónico de los reactantes.
• Estos cambios se acompañan de
ganancia o pérdida de electrones.
Fe° Fe2+
Oxidación
Reducción
Reacciones de óxido-reducción
• Las formas reducidas de estos nucleótidos
se originan mediante la oxidación de los
combustibles celulares en el catabolismo.
• Serán utilizadas en:
– reacciones de biosíntesis
– transferencia de energía en reacciones
endergónicas
• Se reoxidan de nuevo, originando un ciclo
de oxidación/reducción
Son procesos en los que tiene lugar la transferencia de electrones y/o protones y son cruciales en el metabolismo celular, por dos razones:
1) Los seres vivos obtienen la mayoría de su energía libre a partir de la oxidación de ciertos compuestos bioquímicos como glúcidos, lípidos y ciertos aminoácidos.2) Muchos procesos biosintéticos implican la reducción de dobles enlaces
En ambos casos los electrones y protones deben poseer una
considerable energía libre, cosa que ocurre en ciertos nucleótidos:
los pares NADP+/NADPH, NAD+/NADH y
FAD/FADH2
- Nicotín adenín dinucleótido (NAD) que actúa como coenzima en reacciones de oxidación-
reducción.
Un resumen de todo esto puede verse en el siguiente
esquema, en el que se señalan los flujos de energía en
el metabolismo celular.
Interrelaciones Metabólicas
Comprenden la integración de todos los órganos, que usan y generan combustibles e
interactúan para mantener un equilibrio dinámico adecuado a las diversas situaciones que enfrenta el organismo en el transcurso de la vida. Este equilibrio dinámico se refiere no
solo a la adecuada distribución de los componentes energéticos sino también al
apropiado abastecimiento y eliminación de los diferentes metabolitos, productos de la
función celular.