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Bioenergética
Energía libre y entropía.Espontaneidad de una reacción química.Energía de la hidrólisis del ATP.Acoplamiento energético y principio del intermediario común.
Dino Salinas
La termodinámica estudia las transformaciones de la energía, permitiéndonos conocer cuándo un proceso ocurrirá o no.
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Sistema: región del universo que estudiamos. Ejemplo: un tablero de ajedrez, una célula, un vaso con agua.
Ambiente: región del universo externa al sistema.
Estado: conjunto de variables que describen al sistema en un instante determinado. Ejemplo: el estado de un gas definido como el conjunto de las variables temperatura, presión, volumen y concentración, en un instante dado.
Proceso: modalidad de cambio de un estado a otro en un sistema. Ejemplo: el calentamiento de un gas al interior de una botella, cambiando las variables temperatura y presión. Un mismo cambio de estado puede admitir más de un proceso.
Definiciones
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observadoomacroestadelconscompatibleosmicroestaddeNúmeroNBoltzmanndeconstantek
Con
B
≡≡
:
La entropía de un sistema en un estado determinado, conocida como S, se determina según:
NkS B ln=
Ejemplos de aumento de entropía en la naturaleza…
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Empleando la termodinámica, había que encontrar un número (energía) que disminuyese cuando ocurriese un proceso, fieles a la conjetura de que los estados finales (de equilibrio) en la naturaleza siempre son mínimos de algo.
Fue así como se demostró matemáticamente, empleando las leyes de la termodinámica, que había una función que disminuía si y sólo si un proceso era espontáneo.
Sin embargo, ni el sistema ni el proceso debían ser cualquiera:El proceso debería ser isotérmico e isobárico (ocurrir a temperatura y presión constantes), y el sistema debería ser abierto(intercambiar materia y energía con el ambiente)
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STG ∆−∆Η=∆Así, se define el cambio de energía libre de Gibbs...
Cambio de entalpía:Mide la absorción de calor, correspondiente a la energía necesaria para romper los enlaces.
Cambio de entropía:Mide el incremento del desorden de un sistema de muchas partículas.
Temperatura en ºK:Proporcional al promedio de la energía cinética traslacional (asociada al movimiento del centro de masa) de las moléculas.
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Recordando lo que ocurre cuando participa una enzima en una reacción química…
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Al equilibrio, el cambio de energía libre de Gibbs es cero, pudiendo deducirse:
[ ] [ ][ ] [ ]ba
dc
BADCRTGG
⋅⋅
+∆=∆ ln0'
'eqK
Puesto que...
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La tabla anterior puede deducirse si usted recuerda que...
Entonces...¿Cuál es la relación entre la constante de equilibrio y el cambio de energía libre estándar?
Debemos recordar que los cambios de energía libre son dependientes de las concentraciones químicas reales en la célula.
Entonces, calcule la energía libre de hidrólisis del ATP en los siguientes casos:
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Una pregunta inocente...
Si las condiciones estándares no son necesariamente las condiciones in vivo...
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¿Por qué se hacen cálculos de cambios de energía libre de Gibbs en condiciones estándares?
Las energías libres de Gibbs de procesos acoplados son aditivas
Sin un proceso se invierte, deberá cambiarse el signo de la variación de energía libre.
02
01
02
01
ΔΔDBCA__________________________________________
DC (2)
BA (1)
''
'
'
GGSuma:
G
G
++→+
∆→
∆→
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Entendiendo el acoplamiento de energía…
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Principio del intermediario común: reacciones acopladas
A+B → C+D
D+E → F+G
Esto permite la transferencia de energía de una reacción a la otra en condiciones isotérmicas.
Un ejemplo...
La molécula de ATP permite acoplar su energía de hidrólisis a reacciones que de otro modo serían muy poco espontáneas.
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Hidrólisis del ATP
ATP ADP + Pi
Glucosa + Pi Glucosa- 6P
Glucosa + ATP Glucosa-6Pi + ADP
Fosforilación de la glucosa
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El sistema ATP-ADP permite una conexión entre fosfatos de alta y baja energía, a través del principio del intermediario común.
Otro ejemplo...
Acoplamiento de una reacción a la hidrólisis de ATP, empleando el principio del intermediario común
Glutamato + ATP Glutamilfosfato + ADP
Glutamilfosfato + NH3 Glutamina + Pi
Glutamato + NH3 + ATP Glutamina + Pi + ADP
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Calcule el cambio de energía libre y discuta la espontaneidad para los siguientes procesos. Discuta la diferencia entre condiciones estándares e in vivo:
- La fosforilación del ADP por la fosfocreatina.- La Fosforilación de ADP por la Fructosa-6P.
TRABAJOPENDIENTE…
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- Leer:Capítulo sobre Principios de Bioenergética del libro “Lehninger Principles of Biochemistry” (2001) 3rd edition. David L Nelson & Michael M Cox. New York: W.H. Freeman & Co. (Existe edición en español del año 2004)
Física para las ciencias de la vida, A. H. Cromer, capítulo 12 (Termodinámica).
Texto del Taller de Integración, capítulo 8 (La entropía y el desorden)
