UNIVERSIDAD NACIONAL DE MAR DEL PLATAFACULTAD DE CIENCIAS AGRARIASBIOQUIMICA I

TRABAJO PRÁCTICO N° 1: PRINCIPIOS DE BIOENERGÉTICA

Se denomina energía a la capacidad de un cuerpo para realizar trabajo. La energía total de un cuerpo depende de su posición (energía potencial: Ep), estado de movimiento (energía cinética: Ec) y condición interna (energía interna: U).

Se entiende por sistema, a una porción particular del universo en estudio. Todo el resto del universo que no comprende el sistema, se denomina entorno. Existen tres tipos de sistemas:

A) Sistemas aislados: no intercambian materia ni energía con el entorno.B) Sistemas cerrados: no intercambian materia con el entorno, pero sí energía.C) Sistemas abiertos: intercambian materia y energía con el entorno.

Los seres vivos constituyen sistemas abiertos, y debido a la interacción que realizan con su entorno, lo transforman permanentemente. La característica de estos sistemas es que no se hallan en equilibrio con su entorno sino en estado estacionario, en el cual la velocidad de transferencia de materia y energía desde el entorno al sistema se halla compensada exactamente por la de sentido inverso.

La termodinámica clásica estudia los cambios en la cantidad y distribución de la energía de un sistema cuando éste pasa de un estado inicial definido a uno final en equilibrio. Debido a que el estado de cualquier sistema se define en función de: temperatura, presión y composición química, cuando los dos primeros se mantienen constantes, los cambios energéticos pueden definirse en función de los cambios químicos. En otras palabras, las leyes de la termodinámica permiten predecir que ocurrirá cuando se mezclan un grupo de reactivos y contestar a la pregunta: ¿por qué ciertas reacciones químicas son espontáneas y otras no lo son?. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que la termodinámica no estudia la velocidad o los mecanismos a través de los cuales transcurren las mismas.

La primera ley de la termodinámica, es el principio de conservación de la energía y establece que en todo proceso la energía total del sistema y de su entorno permanece constante. La energía no se crea ni se destruye en un proceso determinado, pero puede transformarse de una forma en otra.

La segunda ley de la termodinámica, establece que en todo proceso la entropía del universo experimenta siempre un incremento hasta el equilibrio en el que es máxima. La fuerza inductora de todos los procesos físicos y químicos, es la tendencia de la entropía de alcanzar un valor máximo. El término entropía puede considerarse como desorden o libertad de las moléculas.

De esta segunda ley surgen los criterios de espontaneidad de una reacción: en un sistema cerrado sólo podrán ocurrir espontáneamente aquellas reacciones que aumenten la entropía total del sistema más la del entorno.

La unidad aceptada por el Sistema Internacional (SI) para la energía es el joule (J) y dado que la cantidad de energía para un sistema es una propiedad extensiva (depende de la masa del mismo), debe expresarse por una cantidad definida del compuesto, para lo cual se elige el mol. Por lo tanto la unidad de energía es J.mol -1 Antiguamente se expresaba la energía en calorías (cal). Para transformar cal a J, debe utilizarse el factor de conversión: 1 cal= 4,184 J.

Principios de bionergética1

La bioenergética estudia las transformaciones de la energía dentro de una célula. Los organismos vivos no constituyen una excepción a las leyes de la termodinámica. En la lógica molecular de la vida se pueden considerar a las células como máquinas químicas capaces de trabajar en condiciones de temperatura, presión y volumen esencialmente constantes. Al igual que las máquinas fabricadas por el hombre, todos los organismos vivos deben obtener su energía del entorno circundante.

¿Cómo se explica que los organismos vivos, violando aparentemente la 2da ley de la termodinámica, puedan crear y mantener su complicado orden en un entorno que está relativamente desordenado, y cuya tendencia es mantener o aumentar este desorden? Debe tenerse en cuenta que éstos toman de su entorno la forma de energía que les es útil y devuelven al ambiente una forma de energía que les es menos, transformándolo y aumentando su entropía. En todo proceso biológico, la entropía del sistema (S sist) más la entropía del entorno (S ent) aumenta, por lo tanto:

S sist + S ent = Suniverso >0.

Las células pueden dividirse en dos grandes clases según el tipo de energía que obtienen de su entorno. Las fotosintéticas utilizan la luz como principal fuente de energía, transformando la energía radiante en química. Las heterótrofas obtienen energía de su entorno a partir de moléculas orgánicas reducidas. Aunque ambos tipos celulares obtienen energía de su entorno en formas distintas, las dos la recuperan y la utilizan mediante el ATP (adenosina trifosfato) (Figura 1). Este compuesto posee una unión química rica en energía con el fosfato terminal, que lo transforma en el compuesto transportador de energía por excelencia. El ATP se escinde en ADP (adenosina difosfato) y fosfato inorgánico liberando 31 kJ.mol-1, energía utilizada para realizar diversos trabajos celulares (Figura 2).

Figura 1: Estructura de la molécula de ATP.

Figura 2: Utilización del ATP para distintos trabajos celulares.

CO2 ATP

Oxidación productora de Biosíntesis Transporte Contracciónenergía de las moléculas (trabajo activo muscular combustibles químico) (trabajo (trabajo

osmótico) mecánico)

Principios de bionergética2

O2 ADP + Pi

Para responder a la pregunta formulada inicialmente, referida a la espontaneidad de las reacciones químicas, en un sistema vivo se debería calcular S total o del universo. Como la entropía es una función matemática, y por lo tanto, no puede medirse experimentalmente, se define otra función: la energía libre de Gibbs (G), que tiene en cuenta las entropías del sistema y del entorno. Las variaciones de G son fácilmente medibles y a través de ellas puede establecerse el siguiente criterio:

G < 0 = reacción espontáneaG > 0 = reacción no espontáneaG = 0 = reacción en equilibrio

Dada una reacción química:

aA + bB cC + dD

la variación de la energía libre de la reacción se define como:

G = G0 + R T ln [C] c [D] d [A]a [B]b

donde G0 es una constante característica de la reacción y corresponde a la variación de energía libre (Gproductos - Greactivos) en condiciones estándares, las que corresponden a 1 atm. de presión, 25 °C (298 K) de temperatura y concentraciones 1 M de reactivos y productos, y se encuentra tabulada. Si además, la reacción transcurre a pH 7.0, se denota Go’. R es la constante de los gases ideales (R= 0,082 l atm.K-1.mol-1 ó 8,31 J.K-1.mol-1; T es la temperatura en K, y [C]c es la concentración de la sustancia C elevada al coeficiente estequiométrico, y lo mismo para el resto de las sustancias intervinientes.

El signo de G (y no el de G0) permite predecir si es posible que la reacción suceda en las condiciones de trabajo, y su magnitud da idea de cuán alejada está la reacción de la posición de equilibrio.

Debido a que las reacciones espontáneas entregan energía al entorno se denominan exergónicas. Por el contrario, las reacciones no espontáneas necesitan de la entrega de energía desde el medio para que sucedan y se denominan endergónicas. En el caso particular en que la energía se libere en forma de calor serán exotérmicas y si toman calor del medio, endotérmicas.

Un conjunto de reacciones en las que el producto de una es reactivo de la siguiente, se denominan reacciones acopladas, mediante un intermediario común:

A + B C + D G1

C X + Y G2

A + B D + X + Y GTOTAL

Cada una posee una variación de energía libre propia, siendo la variación de energía libre de la reacción final resultante, igual a la suma de las variaciones de energía libre de cada reacción:

GTOTAL = G1 + G2

Principios de bionergética3

Esta propiedad explica la importancia de las reacciones acopladas en el metabolismo celular, ya que para que la reacción global se produzca es necesario que el G final sea negativo, independientemente de que el G de alguna de las reacciones particulares sea positivo. Por ejemplo, la reacción catalizada por la enzima glucoquinasa, en condiciones estándares y pH 7:

glucoquinasaATP + glucosa ADP + glucosa-6-fosfato

tiene un Go’ de -4 Kcal.mol-1 y puede considerarse constituida por dos reacciones componentes, una exergónica que proporciona energía:

ATP + agua ADP + Pi

con un Go’ de -7,3 Kcal.mol-1, y otra endergónica que necesita del consumo de energía:

glucosa + Pi glucosa-6-fosfato + agua

con un Go’ de 3,3 Kcal.mol-1.

De esta forma, se hace posible la segunda etapa de la reacción, imprescindible para el metabolismo, a pesar de poseer un G>0.

Generalmente, el ATP desempeña el papel de enlazar o acoplar reacciones enzimáticas, que se efectúan con transferencia de grupos fosfato, comportándose de este modo como un vehículo para la transferencia de energía química. Existen otros grupos distintos del fosfato que son transferidos enzimáticamente mediante reacciones consecutivas con intermediarios comunes (por ejemplo los átomos de hidrógeno, los grupos amino y acetilo). Sin embargo las células utilizan fundamentalmente grupos fosfatos con el objeto de transferir la energía en las rutas metabólicas centrales.

BIBLIOGRAFÍA:

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Principios de bionergética4

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TRABAJO PRÁCTICO N° 1: PRINCIPIOS DE BIOENERGÉTICA

BIOENERGETICA: PROBLEMAS

1.- Defina:- Variación de energía libre.- Variación de energía libre estándar. - Reacciones exergónicas.- Reacciones endergónicas.

2.- ¿Qué signo tiene la variación de energía libre en una reacción que ocurre espontáneamente?

3.- ¿Qué ocurre con la variación de energía libre cuando un sistema se encuentra en estado de equilibrio?

4.- ¿Qué tipo de sistema son los seres vivos?

5.- ¿Qué son las reacciones acopladas? ¿Qué ventajas le ofrecen al sistema? ¿Qué importancia tienen en el metabolismo? Cite ejemplos.

6.-Calcule las constantes de equilibrio para las siguientes reacciones que se producen a 25°C y pH 7.

a) GLUCOSA-6-P + H2O--------------------------------GLUCOSA + Pi G°' = -3,3 KCAL/mol.

b) GLUTAMINA + H2O ----------------------------------GLUTAMATO- + NH4+.

G°' = -3,4 KCAL/mol.

7.- Calcule la variación de energía libre estándar de las siguientes reacciones a 25°C y pH 7.

a) GLUTAMATO + OXALACETATO ------------ASPARTATO + -OXOGLUTARATO Keq = 6,8

b) ISOPROPANOL + NAD+-----------------------OXALACETATO + NADH + H+

Keq = 7,2 10-9

c) MALATO + NAD+--------------------------------OXALACETATO + NADH + H+

Keq = 7,5 10-13

8.- La constante de equilibrio (a 25°C y pH 7) para la reacción de la aldolasa (fructosa -1,6 difosfato ------- gliceraldehído-3 fosfato + dihidroxiacetona fosfato) es 10-4.

a) Calcular la concentración de gliceraldehído-3-fosfato que está en equilibrio con una de fructosa-1,6 difosfato de 2x10-3 M y una de dihidroxiacetona-fosfato de 4x10-4 M.

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b) Calcular el G°' para la reacción escrita en la dirección de la síntesis de fructosa-1,6 difosfato.c) Calcular el G para la reacción escrita en la dirección de formación de gliceraldehído-3-fosfato y

dihidroxiacetona-fosfato bajo condiciones de estado estacionario en el cual las concentraciones de todos los componentes son mantenidas en 10-4 M.

9.- La Glu-1-P se convierte en Fru-6-P en dos reacciones sucesivas:

Glu-1-P -----------------------------Glu-6-P G°' = -1,7 Kcal/mol.

Glu-6-P ----------------------------- Fru-6-PG°' = 0,4 Kcal/mol.

Determine el G°' total.

10.- La reacción catalizada por la enzima glucoquinasa, que es imprescindible para el metabolismo, es la siguiente:

glucoquinasa ATP + glucosa ADP + glucosa-6-fosfato

y es exergónica en condiciones estándares.

La misma puede considerarse constituida por dos reacciones componentes:

I) ATP + agua ADP + Pi con Keq = 0,971,

II) glucosa + Pi glucosa-6-fosfato + agua con ΔGo’ de 3,3 Kcal.mol-1.

a) Calcule ΔG°' de la reacción total. b) Explique si son espontáneas cada una de las reacciones constituyentes y la reacción total.

11.-La hidrólisis del pirofosfato inorgánico procede con un G°' de -7000 cal/mol. La Keq. para la hidrólisis del alfa-glicerol fosfato es 100. A partir de estos datos:

a) Escriba las semirreacciones.b) Calcule K'eq. y G°' para una reacción hipotética en la cual el alfa-glicerol fosfato es sintetizado a

partir de glicerol y pirofosfato inorgánico.

12.-La reacción catalizada por la fosfogliceromutasa es la siguiente:

2-fosfoglicerato ------------------------------- 3-fosfoglicerato (2PGA) (3PGA)

a pH 7 y 25°C. La Keq es 6.

Calcule:a) El G°'.b) La concentración de estos compuestos en hígado de rata es del orden de

10-4 M para 2PGA y 5.10-4 M para 3PGA. Calcule el G.

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