Unidad 3 Bioenergética y Metabolismo

Oxidativo

Describir las transformaciones, intercambioy uso de la ENERGIA en los seres vivos.

Explicar los procesos que completan la oxidación de las moléculas combustiblesen los seres vivos.

Objetivo terminal:

Objetivos Específicos

Describir los principios de la Termodinámica y su aplicación alos seres vivos.

Describir los Compuestos Ricos en Energía

Describir los mecanismos de las reacciones de Óxidoreducción que ocurren en los seres vivos

Describir las principales fuentes y destinos del Acetil CoA

Explicar las características del ciclo del Acido Cítrico

Explicar las características de la Cadena RespiratoriaY la Fosforilación Oxidativa

Objetivo Específico 1 (tres horas 45min)

1.- Ciclo de la materia y flujo de la energíaEn la atmósfera

2.- Leyes que rigen las transformaciones Energéticas

1era y 2da. Ley de la Termodinámicay su relación con el metabolismo

☺ Energía libre de Gibbs☺ Reacciones Acopladas

3.- Concepto de Metabolismo. Sus Fases:Catabolismo y Anabolismo

Es la rama de la termodinámica que estudia las

transformaciones y transferencias de energía en las

reacciones bioquímicas

Bioenergética

Bio = vida

Trata de las transformaciones del calor y la energía

Es la ciencia que investiga las transformaciones energéticas que acompañan a los cambios

físicos y químicos de la materia

Termodinámica

El ciclo de la materia consiste en todas las

transformaciones que sufre la materia en

energía desde que es elaborada por los

productores hasta ser descompuesta por las

bacterias y hongos, en las cadenas alimenticias.

El ciclo de la materia describe una trayectoria

cíclica, es decir, la materia que es producida y

descompuesta vuelve a ser producida por los

Fotótrofos ( reiniciación de la misma), cada vez

que un eslabón trófico come a un ser vivo, la

materia de éste es aprovechada y transformada

en energía química, en una cadena trófica el

eslabón mas beneficiado son los

descomponedores porque ellos al ser el ultimo

eslabón trófico aprovechan mas la materia y la

energía de los demás, a su misma vez

relacionado con el ciclo de la materia está el flujo

de la energía, a diferencia del ciclo de la

materia, el flujo de la energía es

UNIDIRECCIONAL y no cíclica.

Sustancias inorgánicas : agua, oxígeno, sales minerales, Dióxido de carbono, etc

Pasan a formar parte deLos seres vivos

Sustancias orgánicas: proteínas, lípidos, glucosa..

En un momento determinadoAbandonan el mundo orgánico

Vuelven a la tierra formando de nuevo materiainorgánica

Ecosistema Tierra

Sustancia inorgánica

Sustancia Orgánica

Tipos de Energía:LumínicaQuímicaMecánicaEléctricaCalórica

Es la capacidad para realizar trabajo

Energía

FLUJO DE LA ENERGÍA

Energía solar

Plantas (cloroplastos, fotosíntesis)

6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Energía química

ANIMALES HERBÍVOROS

Energía química

ANIMALES CARNÍVOROS

E. Química E. Mecánica E. Eléctrica E. Lumínica E. Calórica

Ejemplo transferencia de energía

Ejercicio violento

Energía acumulada en el cuerpoque proviene de alimentos dieta

Energía en movimiento o energía cinética

Desprendimiento de gran cantidad de energía enforma de calor (transpiración)

Energía potencial + Energía cinética

Energía total o Energía interna (E) =

Energía potencial es la energía debida a la posición

Energía cinética es la energía debida al movimiento

Se define de acuerdo al interés del investigador

Es la parte del universo cuyo cambio observamos

Sistema:

Por ejemplo: una célula, un tejido, el metabolismo, una población, el

planeta, etc.

Todo lo que rodea al sistema que sea relevante para el cambio

Entorno:

UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO

Cerrado: Sólo intercambia ENERGIA con el entorno

Abierto: Existe intercambio de MATERIA Y ENERGIA entre el

sistema y el entorno

Tipos de Sistemas:

Aislado: No intercambia energía ni materia con el entorno

Consumen nutrientes de su entorno (materia y energía) y

liberan a él productos de desecho

Los seres vivos son sistemas Abiertos

Se pueden medir las variaciones de sus componentes

¿Cómo medir la Energía total

o Energía interna (E) de un sistema?

Energía final - Energía inicial E =

E productos - E reaccionantes E =

= Cambio o variación

Trabajo (w) hacia o desde el sistema

Calor (q) hacia o desde el sistema

Formas de intercambio de Energíaentre el sistema y su entorno

Cuando el sistema y su entorno tienen temperaturas diferentes

Cuando una fuerza mueve un objeto

Objetivo específico 1.

Hora clase 2

Leyes que rigen las transformaciones

Energéticas

1a LEY DE LA TERMODINÁMICA(Ley de la conservación de la energía)

E = q-w

Variación de energía del sistema E =

Calor del entorno absorbido por el sistema

q =

Trabajo realizado por el entorno sobre el sistema

(trabajo biológicamente útil)

w =

En cualquier transformación física o química, la cantidad total de energía del

universo permanece constante

1a LEY DE LA TERMODINÁMICA(Ley de la conservación de la energía)

La energía no se crea ni se destruye

solo se transforma

Entalpía (H)

H = E + PV

Energía internaE =

Presión*volumenPV =

Entalpía = Calor contenidoH =

En los sistemas bioquímicos:

E H =

Variación de energía del sistema E =

Variación de la entalpíaH=

H 0

H > 0

H = 0

Cuando:

La reacción o proceso desprende calor

La reacción o proceso absorbe calor del entorno

No se intercambia calor con el entorno

H 0

H > 0

H = 0

La reacción o proceso desprende calor

La reacción o proceso absorbe calor del entorno

No se intercambia calor con el entorno

Cuando:

H es negativa (-) la reacción es exotérmica

H es positiva (+) la reacción es endotérmica

la reacción o proceso es isotérmico

H reacción= H reactantesH productos +

Por ejemplo:

6 CO2 + 6 H20 ---------C6H12O6 + 6O2

Hf (Kj/mol)CO2 - 393.3H20 - 286.2C6H12O6 - 1274.9O2 0

6 (-393.3)+ 6(-286.2)------(-1274.9) + 6(0)

H = + 2802.1 Kj/mol Es endotérmica

Casi todos los procesos exotérmicosson espontáneos o irreversibles

H es negativa (-) la reacción es exotérmica

H es positiva (+) la reacción es endotérmica

Por ejemplo: la caída de una roca,la relajación de un músculo

No obstante:

Existen procesos espontáneos que sonendotérmicos

Por ejemplo: un trozo de hielo que se fundea temperatura ambiente

La entalpía no permite predecir La dirección de una reacción

Se requieren otras variablestermodinámicas

2a LEY DE LA TERMODINÁMICA

S universo =

Variación de entropía S =

Entropía (mide el grado de desorden)S =

S sistema + S entorno

La variación de la entropía del universoes positiva para todos los procesos espontáneos

El desorden del universo aumenta siempre. Es decir:

Todos los procesos físicos y químicos solo se producen espontáneamente

cuando aumenta el desorden

2a LEY DE LA TERMODINÁMICA

Permite predecir la espontaneidad y la

dirección con que ocurre una reacción

Todos los procesos espontáneos se producen en la dirección que incrementa

el desorden del universo

2a LEY DE LA TERMODINÁMICA

Por ejemplo:

Hielo Agua líquida

2a LEY DE LA TERMODINÁMICA

S universo =

Si Su es +

S sistema + S entorno

El proceso es espontáneo

Si Su es - El proceso inverso es espontáneo

Si Su es =0 El proceso no puede ocurrir

ENERGÍA LIBRE (G)

G =

G

H - TSsistema

Variación de Energía Libre (cal)

H

T

Ssistema

Variación de Entalpía (cal)

Temperatura (ºK) (ºK=273+ºC)

Variación de Entropía (cal)

Es la porción de la energía total que estádisponible para realizar trabajo. “Energía útil”

Cuando se producen cambios físicos o químicos con LIBERACION DE

ENERGIA se dice que el proceso es ESPONTÁNEO (Irreversible)

Cuando se requiere un APORTE constante de ENERGIA para mantener

un cambio se está produciendo un proceso NO ESPONTÁNEO (Reversible)

Si G es + La reacción es no espontánea(endergónica)(procede si gana E)

Si G es =0 El proceso está en equilibrio(no ocurre ningún cambio)

Si G es - La reacción es espontánea(exergónica) (irreversible)

En las reacciones bioquímicas:

H E

G = E - TSsistema

REACCIÓN EXERGÓNICA

A+B C+D

Ene

rgía

lib

re

Transcurso de la Reacción

Estado de transición

Gi Gf

Estado inicial (reactivos)

Estado final (productos)

Ea

Transcurso de la Reacción

Ea

Gi

Gf G0

Ene

rgía

lib

reREACCIÓN ENDERGÓNICA

A+B C+D

Transcurso de la Reacción

Ea

Gi Gf

G=0

Ene

rgía

lib

reREACCIÓN ISOERGÓNICA

A+B C+D

Formas de Energía Libre

1) G

2) Gº

Variación de la Energía Libre

Variación de la Energía Libre estándar

25ºC1 atm de presión1 M

3) Gº‟ Variación de la Energía Libre estándarfisiológica 25ºC

1 atm de presión1 M y pH=7.0

Formas de calcular las variaciones de energía libre (G)

A partir de la H y de la S:

G = H - TS

A partir de la G de formación: (GF) de productos y reactantes:

Gº = GºF prod - GºF reac

Gº’ = G1º’+ G2º’Por aditividad:

A partir de la Keq: G ’ = -2,3 RT log Keq

A partir del Eo : Gº‟ =-n F Eo‟F = 23,063 cal /mol.volt o 96,500 jul./ mol. volt

RELACIÓN ENTRE G y LA CONCENTRACIÓN DE LOS REACTANTES Y PRODUCTOS

G = Go + 2,303 RT log ProductosReactantes

En el equilibrio G = 0

Go = - 2,303 RT log Keq

En cualquier circunstancia diferente del equilibrio:

G = Go + RT ln Productos

Reactantes

R= Constante de los gases =1,99 cal/ºK 8,31 J/ºK

Keq 1 : La reacción es exergónica

(equilibrio desplazado a la derecha)

Keq 1 : La reacción es endergónica

(equilibrio desplazado a la izquierda)

Keq = 1 : La reacción es isoergónica

(igual probabilidad de ir hacia la derecha que

hacia la izquierda)

G = Go + 2,303 RT log ProductosReactantes

A+B-------C+D

CALCULO DEL G A PARTIR DE S y H

Calcular el G de la descomposición de N2O5 cristalino a 25°C:N2O5 2NO2 + ½O2

Sabiendo que:S = 0,4701 kJ/molºK y H = 109,6 kJ/mol °K

Respuesta:G = H - TS

T = 25°C + 273 = 298°K

G = 109,6 kJ/mol - (298°K) (0,4701 kJ/mol °K)

G = -30,5 kJ/mol

CALCULO DEL G A PARTIR DE LA ENERGÍA LIBRE DE FORMACIÓN (Gf)

Calcular el G de la reacción:C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O

Datos:Gf CO2 = -94,26 Kcal/mol ; Gf H2O = -56,69 Kcal/molGf C6H12O6 = -217,63 kcal/mol ; Gf O2 = 0

Respuesta:

G = Gfpro- Gfreac

G =[ 6(-94,26 kcal/mol) + 6(-56,69 kcal/mol)] – [1(-217,63 kcal/mol)]

G= (-565,6 - 340,14) - (-217,63); G = -905,74 + 217,63

G = -688 kcal/mol o G = -2873 kJ/mol

1 cal = 4,184 J o 1 J = 0,239 cal o 1kJ = 0,239 kcal

CALCULO DEL G A PARTIR DE LA keq

Calcular el G para la hidrólisis del ATP

ATP + H2O ADP + Pi

Datos:pH= 7 T=25°C G° = -7700 cal/mol[ATP]= 10-3M [ADP]= 10 –4 M [Pi] = 10-2 M

Respuesta:G = G° + 2,303 RT log Keq

G = -7700cal/mol+ 1364 cal/mol log 10-4 10-2

10-3

G = -7700 + 1364 log 10-3

G = -7700 + 1364 (-3)G = -7700 - 4092

G = -11792 cal/mol

CALCULO DEL G POR ADITIVIDAD

Calcular el valor de G y la Keq para la reacción:

Glucosa + ATP Glucosa 6P + ADP

Sabiendo que:

Glucosa 6P + H2O Glucosa + Pi G= -3138 cal/mol ; Keq= 199,8

ATP + H2O ADP +Pi G= -7700 cal/mol ; Keq= 4,42 x 105

Resultado:

El G de la reacción inversa= - G ; G= +3138 cal/mol

La keq de la reacción inversa = 1/keq; keq = 1/199,8 = 5 x 10-3

G= 3138 cal/mol + (-7700 cal/mol) = -4562 cal/mol

Keq= (5 x 10-3) (4,42 x 105) = 22,1 x 102; es decir: keq = 2,21 x 103

Reacciones acopladas

Las reacciones endergónicas se acoplan con las reacciones exergónicas para poderse llevar a cabo

Tipos de Reacciones Acopladas:

•Acoplamiento de oxido-reducción

El producto de una reacción es elsustrato de la siguiente

•Acoplamiento energético contransferencia de grupo (fosfato, acilo ometilo)

Acoplamiento energético

Procesos altamente favorecidos se combinan con procesos desfavorecidos para impulsar reacciones,

transportar sustancias a través de membranas, transmitir impulsos nerviosos y contraer músculos.

A B Gº = +10 kJ/mol

C D Gº = -30 kJ /mol

A+C B+D Gº = -20 kJ/mol

Compuestos de alta energía

Son intermediarios metabólicos cuyopotencial de transferencia de grupo es igual oinferior a -7 Kcal / mol ( -30 KJ / mol )

Potencial de Transferencia de grupo: Energíalibre que el compuesto es capaz de ceder aotra sustancia junto con el grupo transferido

Go‟ de hidrólisis coincide con el potencial detransferencia de grupo

El concepto de compuesto de altaenergía implica que los productos de larotura hidrolítica del enlace rico enenergía se encuentran en formas masestables que el compuesto original

¿Por qué son de alta energía?

Sus productos de hidrólisis tienen mas formas resonantes que ellos

Presentan repulsión de cargas

Presentan impedimento estérico

Inestabilidad

Adenosintrifosfato (ATP)

Fosfatos

Adenina

Ribosa

Adenosíntrifosfato (ATP)

•Repulsión entre las cargas negativas

•Mayor número de formas resonantes del ADP y el Pi (productos) que del ATP:

•Impedimento estérico por la presencia de oxígenos

Clasificación de los compuestos de alta energía

1) Los que transfieren grupos fosfato:Fosfoanhidros (ATP,ADP,GTP,GDP)Acil-fosfatos (Ác.1,3difosfoglicérico)Enol-fosfatos (Ác. Fosfoenolpirúvico)Fosfoguanidinas (Creatín- P, Arginín- P)

2) Los que transfieren grupos acilo:Acil-CoA

3) Los que transfieren grupos metilo:Adenosilmetionina

COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO

COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO

COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS FOSFATO

COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS ACILO

ACIL-CoA

ACETOACETIL-CoA

COMPUESTOS QUE TRANSFIEREN GRUPOS METILO

Grupo transferido (Gh°´= -10 kcal/mol)

Valores de Gº „ de hidrólisis de los principales compuestos de alta energía

Kcal mol KJ mol

Fosfoenolpiruvato -14,8 -61,9

Carbamilfosfato -12.3 -53

1,3 bis-fosfoglicerato

-10,3 -43,1

Creatina-fosfato -10,3 -43,1

ATP ADP + Pi -7,3 -30,5

ATP AMP + Ppi -8,2 -34,3

Glucosa 1P -5,0 -20,9

Glucosa 6P -3,3 -13,8

Glicerol 1P -2,2 -9,2

Los compuestos ricos en energía puedentransferir diversos grupos desde el compuestoinicial (dador) a un compuesto aceptor en unaforma termodinámicamente factible siempreque se halle presente un enzima adecuado parafacilitar la transferencia

1-3 Bifosfoglicerato Fosfoglicerato quinasa 3-fosfoglicerato

ADP ATPTransfiere grupofosfato

Papel del ATP en el metabolismo

Es la figura central del sistema de transferencia de energía en el interior de

la célula.

Es el intermediario común en muchas de las reacciones acopladas que hacen

posible el flujo de energía en el metabolismo.

Funciona como un transporte activo de la energía, ya que distribuye la energía en lugares donde la requieren las necesidades celulares.

Papel central del ATPen el metabolismo

Conjunto de reacciones químicas que ocurren en las células de los seres

vivos.

* Catabolismo: Conjunto de reacciones de degradación

Metabolismo

Se divide en 2 fases:

* Anabolismo: Conjunto de reacciones de síntesis

Nutrientes:Carbohidratos

ProteínasLípidos

Energía Química

Energía calorica y productos finales

CO2

H2ONH3

Moléculas

precursoras como

AminoácidosAzúcares

ácidos grasosbases nitrogenadas

Macromoléculas:

Proteínas

PolisacáridosLípidos

Ácidos nucleicos

Catabolismo

ATPNADHNADPHFADH2

ADP+PiNAD+

NADP+

FAD

Visión general del metabolismo

Anabolismo

Generación de energía

Oxidativo-degradativo

Propósito

Naturaleza del proceso

Energética

Moléculas iniciales

Productos finales

Formación de compuestos

Reductivo - sintético

Rinde energía

Altamente variables,estructuras complejas

Relativamente pocos,estructuras simples

Usa energía

Altamente variables,estructuras complejas

Relativamente pocos,estructuras simples

Catabolismo Anabolismo

Catabolismo Vs Anabolismo

Son secuencias de reacciones en las cuales el producto de una reacción es el sustrato de la

siguiente.

* Vías Catabólicas: Realizan procesos oxidativos que producen energía libre

Vías metabólicas

* Vías Anabólicas: Reacciones de síntesis de compuestos que requieren energía lbre proveniente de las vías

catabólicas

*Vías Anfibólicas: Actúan como enlaces entre las Vías catabólicas y las anabólicas

Son reacciones que transcurren con transferencia de electrones.

Agente Reductor: es el donador de electrones

Reacciones de Oxido-Reducción

Oxidación:

Agente Oxidante: es el aceptor de electrones

Reducción:

Pérdida de electrones

Ganancia de electrones

Ared + Box Aox + Bred

Cu+ + Fe3+ Cu2+ + Fe2+

En algunas reacciones de Oxido-Reducciónsolo se transfieren electrones (e-):

Piruvato + NADH + H Lactato + NAD+

En muchas reacciones de Oxido-Reducciónse transfieren electrones y protones:

El cobre se oxida yel hierro se reduce

El NADH+H se oxida yel piruvato se reduce

El intercambio de Energía Libre (G) es proporcional a la tendencia de las

sustancias reaccionantes para donar o aceptar electrones.

Eo’ Se define como la fuerza electromotríz de un compuesto para

aceptar electrones provenientes de un agente reductor

En las reacciones de Oxido-Reducción:

Potencial de reducción : Eo’

25ºC, pH=7.0 y 1M

Las variaciones de energía librepueden ser expresadas en términos deGo’ y, en forma análoga, como Eo’

Go‟ =-n F Eo‟

n = número de electrones transferidos

F = Constante de Faraday: 23,063 cal /v (96,500 jul./v)

Eo‟ = Diferencia de potencial redox(Eo’ del agente oxidante – Eo’ del agente reductor)( aceptor de e- - donador de e- )

La relación entre Go‟ y Eo‟ es :

Potenciales de reducción estandar para semireacciones de reducción de interés bioquímico:

Semireacción Eo‟ (V)

2H+ +2e- H2 -0.42

12 O2+2H++2e- H2O +0.82

Fe3++ e- Fe2+ +0.77

Ubiquinona+2H++2e- QH2 +0.10

Fumarato+2H+ +2e- Succinato +0.03

Oxalacetato + 2H+ +2e- Malato -0.17

Piruvato + 2H+ +2e- Lactato -0.18

FMN + 2H+ +2e- FMNH2 -0.20

FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0.22

NAD+ + 2H+ +2e- NADH+H + -0.32

NADP+ + 2H+ +2e- NADPH+H+ -0.32

Potenciales de reducción estandar para semireacciones de reducción de interés bioquímico:

Semireacción Eo‟ (V)

2H+ +2e- H2 -0.42

12 O2+2H++2e- H2O +0.82

Fe3++ e- Fe2+ +0.77

Ubiquinona+2H++2e- QH2 +0.10

Fumarato+2H+ +2e- Succinato +0.03

Oxalacetato + 2H+ +2e- Malato -0.17

Piruvato + 2H+ +2e- Lactato -0.19

FMN + 2H+ +2e- FMNH2 -0.20

FAD + 2H+ +2e- FADH2 -0.22

NAD+ + 2H+ +2e- NADH+H+ -0.32

NADP+ + 2H+ +2e- NADPH+H+ -0.32

Los electrones fluyen de forma espontáneadesde las especies con un valor de Eº‟ más

negativos a las especies con un Eº‟ más positivo

El flujo de electrones puede utilizarse paragenerar y capturar energía en la respiración

aerobia:

Eº‟ más negativo NADH+H+

Eº‟ más positivo ½O2

2e- ATP

energía

Principales vías metabólicas que intervienen en la producción de energía:

proteinas carbohidratos lípidos

aminoácidos glucosa Acidos grasos

piruvato

Acetil CoA

Ciclo del ácidocítrico

Cadena de electrones y Fosforilación oxidativa

Transportadores electrónicos (coenzimas reducidas)

CO2

ATP

GTP

ATP

NADH

NADHNADH

NADH

FADH2

FADH2