Diapositiva tomada del Texto Paralelo de Eder Bladimir Blanco Martínez

TRANSFERENCIA DE ENERGIA

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 sustancias

capaces de oxidarse.

2.El mecanismo de oxidación de dichas sustancias.3.La utilización de la energía liberada en estas reacciones.

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 tres procesos de transformación de energía:

1. En la fotosíntesis la energía radiante del sol se transforma en energía química, que queda almacenada en los enlaces de los carbohidratos y otras moléculas complejas sintetizadas.

2. Mediante la respiración celular esta energía pasa a una nueva forma que son los enlaces fosfato producidos en la degradación escalonada de la glucosa y otras moléculas.

3. El trabajo celular se produce cuando la energía química de los enlaces fosfato es utilizada por la célula para realizar un trabajo. Este trabajo puede ser muscular (contracción muscular), eléctrico (impulsos nerviosos), osmótico ( transporte de moléculas en contra de un gradiente de concentración) o químico (síntesis de nuevas moléculas para el crecimiento 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 PRODUCTOSGlucógeno Glucosas libres

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

Proceso espontáneo y Proceso que requiere energía

• 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

Una vez en el interior de la célula, los nutrientes sufren todo un conjunto de reacciones químicas que recibe el nombre de metabolismo .

Los nutrientes en el lenguaje biológico, incluyen no solamente los alimentos y el agua, sino también el oxígeno, el anhídrido carbónico, la energía luminosa y química.

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

Vías catabólicas y anabólicas

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 actua como segundo mensajero.

OTROS COMPUESTOS FOSFORILADOS DE ALTO CONTENIDO ENERGÉTICO

COMPUESTO  G0' 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.