Tema 16: IntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroduccióóóóóóóón al n al n al n al n al n al n al n al

metabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergééééééééticaticaticaticaticaticaticatica

Bioenergética

CONTENIDOSCONTENIDOS••Fuentes de Carbono y EnergFuentes de Carbono y Energíía para el Metabolismo: a para el Metabolismo: Anabolismo y CatabolismoAnabolismo y Catabolismo

••Bases termodinBases termodináámicas de las reaccionesmicas de las reaccionesbioqubioquíímicas: micas: VariaciVariaci óón de energn de energíía libre.a libre.

••Acoplamiento energAcoplamiento energéético de las reacciones bioqutico de las reacciones bioquíímicas.micas.

••Compuestos ricos en energCompuestos ricos en energíía: Potencial de transferencia de a: Potencial de transferencia de ~P~P

•• ATP y su papel biolATP y su papel biolóógico.gico.

Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas).

� Las vías metabólicas son interdependientes y sus actividades están coordinadas

� Funciones:

� Degradar moléculas nutrientes para obtener energía química y para convertirlas en biomoléculas componentes de la célula

� Sintetizar y degradar biomoléculasnecesarias en funciones especializadas

� Polimerizar precursores monoméricosen macromoléculas

IntroducciIntroduccióón al metabolismon al metabolismo

IntroducciIntroduccióón al metabolismon al metabolismo

Catabolismo

Energía química

Anabolismo

Moléculas precursoras

• Aminoácidos• Azúcares• Ac grasos

• Bases nitrogenadas

Macromoléculas celulares

• Proteínas• Polisacáridos

• Lípidos• Ácidos nucleicos

Productos finales de baja energía

CO2H2ONH3

Nutrientes que contienen energía

CarbohidratosGrasas

Proteínas

Catabolismo Anabolismo

� Biosíntesis� Requiere energía

� Fase de degradación� Liberación de energía

Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen e n una célula u organismo

� Cada reacción ocasiona un pequeño cambio químico es pecífico

� Un precursor se convierte en producto a través de i ntermediarios: metabolitos

� Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas

CaracterCaracteríísticassticas

� Células y organismos vivos son sistemas abiertos qu e intercambian materiales y energía con su entorno.

Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilizac ión de la energía en los sistemas biológicos.La única energía que pueden utilizar las células es la energía libre ���� Energía libre de Gibbs (G)

� Utilizan la energía para la producción de un trabaj o biológico.

� Aprovechan la energía:

� A partir de la energía solar

� A partir de componentes químicos de su entorno (nutrientes)

� Biosíntesis (anabolismo)

� Trabajo mecánico (contracción muscular)

� Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente)

� Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso)

BioenergBioenergééticatica

� Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes d e la termodinámica

� Principio de conservación de la energía

� Aumento natural del desorden

Entalpía (H): contenido calórico del sistema

∆∆∆∆H > 0 Reacción endotérmica (absorbe calor)

∆∆∆∆H < 0 Reacción exotérmica (libera calor)

Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema

∆∆∆∆S > 0 Aumenta entropía en el sistema

Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes

∆∆∆∆S < 0 Disminuye entropía en el sistema

∆G = ∆H - T ∆S

BioenergBioenergééticatica

∆∆∆∆G > 0 Reacción endergónica, consume energía

Cantidad de energía capaz de realizar trabajo duran te una reacción a Tª y presión constantes

� Proporciona información sobre:

� La dirección de la reacción química

� Composición en el equilibrio

� La cantidad de trabajo desarrollado

� Variación de energía libre (∆G)

∆∆∆∆G = 0 Proceso en equilibrio

∆∆∆∆G < 0 Reacción exergónica, genera energía (espontánea)

� Predice si una reacción es factible o no∆∆∆∆G = GP - GR

ReactivosGR

ProductosGP

EnergEnergíía libre de a libre de GibbsGibbs

Bioenergética

A + B C + D

Keq =[C]eq [D]eq

[A] eq [B] eq

∆∆∆∆G = - RT ln K eq∆∆∆∆G = 0

� En condiciones estándar:

� En condiciones fisiológicas:

∆∆∆∆Go

∆∆∆∆G´

∆∆∆∆G´ es una forma de expresar la constante de equilibrio , característica de cada reacción bioquímica

∆∆∆∆G´ = - RT ln K´ eq

25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M

pH = 7

RelaciRelacióón entre n entre ∆∆G y K de equilibrioG y K de equilibrio

Bioenergética

∆∆∆∆Go = variación de E libre en condiciones estándar.Valor fijo para cada reacción

∆∆∆∆G = variación de E libre real. Es variable, depende [ R] y [P] y de la Tª

∆∆∆∆Go = - RT ln K eq

[C] [D]

[A] [B]∆∆∆∆G = ∆∆∆∆Go + RT ln

� Si la reacción está en el equilibrio ∆∆∆∆G = 0

0 = ∆∆∆∆Go + RT ln[C]eq [D]eq

[A] eq [B] eq

RelaciRelacióón entre n entre ∆∆GGºº y y ∆∆GG

� Si la reacción es en condiciones fisiológicas ∆∆∆∆Go’ = - RT ln K’ eq

K´eq < 1 ∆∆∆∆Go´ (+) R P

K´eq = 1 ∆∆∆∆Go´ (0) R P

K´eq > 1 ∆∆∆∆Go´ (-) R P

∆∆∆∆Go´ = - RT ln K´ eq

RelaciRelacióón entre n entre ∆∆GG’º’º y y KK’’eqeq

equilibrio

espontánea

endergónica

Tabla que recoge algunas relaciones entre los valores de las variaciones de energía libre y las K de equilibrio de las reacciones

A B C D∆∆∆∆Go´1 ∆∆∆∆Go´2 ∆∆∆∆Go´3

Las ∆∆∆∆Go´ de reacciones secuenciales son aditivas

A D ∆∆∆∆Go´TOTAL = ∆∆∆∆Go´1 + ∆∆∆∆Go´2 + ∆∆∆∆Go´3

� Las reacciones exergónicas espontáneas se acoplan a reacciones endergónicas para que éstas tengan lugar

A B

C D

Exergónica∆∆∆∆Go´1 < 0

Endergónica∆∆∆∆Go´2 > 0

∆∆∆∆Go´TOTAL = ∆∆∆∆Go´1 + ∆∆∆∆Go´2 ∆∆∆∆Go´T < 0

Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas

ATP ADP

Glucosa Glucosa 6-P

∆G´o2 = -30,5 kJ/mol

∆G´o1 = 13,8 kJ/mol

∆G´oTOTAL = ∆G´o

1 + ∆G´o2 = 13,8 + (-30,5) = -16, 7 kJ/mol

Glucosa + Pi Glucosa 6-P + H 2O

ATP + H2O ADP + Pi

Glucosa + ATP Glucosa 6-P + ADP

Reacción global exergónica

Ejemplo de Acoplamiento energEjemplo de Acoplamiento energééticotico

� El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exe rgónicas estámediado por intermediarios de alta energía

� Los compuestos ricos en energía:

� Liberan la energía mediante hidrólisis y transferen cia de grupo (rotura enlace rico en energía ~)

� Son aquellos que ceden una energía > 25 kJ/mol (pote ncial de transferencia de grupo)

Potencial de transferencia de grupo: Capacidad de un compuesto para de ceder “el grupo” a otra sustancia,.Se mide por la energía libre desprendida en la hidr ólisis del enlace de alta energía.

� Transfieren la energía en una sola reacción

� Grupos transferidos: Fosfato Acilos

Compuestos ricos en energCompuestos ricos en energíía ya yPotencial de transferencia de Potencial de transferencia de ̴̴̴̴PP

5´-Adenosina trifosfato

� Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía

ATP: 5’-Adenosina trifosfato :

Adenina

Ribosa

Enlace fosfoéster

Enlacefosfoanhidro

ATPATP

ATP + H2O ADP + Pi

∆∆∆∆G´o = -30,5 kJ/mol

� En células ∆∆∆∆Go´ ≠ ∆∆∆∆G´

� [ATP], [ADP] y [Pi] ≠ 1M

Concentración nucleótidos de guanina y Pien algunas células

[ADP] [Pi]

[ATP]∆G´ = ∆Go´ + RT ln

[2,5x10-4] [1,65x10-3]

[2,25x10-3]∆G´ = -30,5 + RT ln

∆∆∆∆G´ = -51,8 kJ/mol

ATPATP

∆∆∆∆G´o = -49,3 kJ/mol1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato + Pi

∆∆∆∆G´o = -43 kJ/molFosfocreatina Creatina + Pi

� Flujo de grupos P

Dadores de P de alta energía ATP Aceptores de P de baja energí a

Fosfoenolpiruvato

1,3-Bisfosfoglicerato

Fosfocreatina

Glucosa-6-fosfato

Glicerol-3-fosfato

∆∆ ∆∆G´o

de h

idró

lisis

(kJ

/mol

)

Compuestos Fosfato de alta energía

Compuestos Fosfato de baja energía

ATP

Otros metabolitos ricos en energOtros metabolitos ricos en energííaa

Valores de energValores de energíía libre esta libre estáándar de la hidrndar de la hidróólisis lisis de algunos compuestos biolde algunos compuestos biolóógicos de intergicos de interééss

Fosfoenolpiruvato (PEP)1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG)

Fosfocreatina