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