Dra. Judith García de Rodas Salón 207 BIOENERGÉTICA (tema 6) Dra. Judith García de Rodas Salón 207

Saberes: al finalizar la actividad el/la estudiante: Reconocerán la importancia del flujo energético en los sistemas vivos. Utilizarán los valores de cambio en energía libre para predecir la espontaneidad de las reacciones químicas en los organismos. Relacionarán la bioenergética con el metabolismo celular

Flujo de energia en los sistemas vivos

Requerimientos celulares Materiales estructurales Catalizadores Información Energía Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Nucleótidos Agua Minerales Enzimas Ribozimas Almacenamiento (ADN) Transmisión (ARN) Expresión (proteínas) Obtener Almacenar Utilizar

ENERGÍA Necesaria para: Es 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

Eléctrico Síntesis Energía Luz Mecánico Calor Concentración

Materia y Energía Materia: todo lo que tiene masa, volumen y ocupa un lugar en el espacio Energía: La capacidad de un sistema para realizar un trabajo, utilizando energía Clases de Energía: mecánica, eléctrica, potencial, química, calorífica, lumínica etc.

Aumento de energía Libre Flujo de energía y materia Aumento de energía Libre Disminuye la entropía Pérdidas de calor Oxígeno Pérdidas de calor Energía solar Compuestos orgánicos Energía: unidireccional Energía química Fotótrofos Quimiótrofos Dióxido de carbono Disminución de E. Libre Aumento entropía Materia: cíclico Nitrato Agua

TERMODINÁMICA Estudia el flujo de energía en los sistemas (cambios energéticos en el universo) Las leyes termodinámicas gobiernan los cambios energéticos en una reacción, y proveen herramientas para predecir la espontaneidad de la misma, si es favorable o inducida

BIOENERGÉTICA 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 (DG) permite cuantificar y predecir la factibilidad energética de una reacción química

El Universo Se compone de dos partes: Sistema: Entorno 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

No hay intercambio de energía Hay intercambio de energía Clases de sistemas entorno No hay intercambio de energía entorno Hay intercambio de energía Sistema cerrado Sistema abierto

Formas de Intercambio de Energía entre un sistema y el entorno TRABAJO: Utilizar la energía para cualquier proceso diferente al flujo de calor CALOR: Es una forma de energía útil para las máquinas En organismos permite mantener temperatura corporal, mediante la transpiración Trabajo: cambio uniforme de moléculas en el entorno Calor: aumenta el desorden de las moléculas en el entorno

Leyes Termodinámicas Primera 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

Leyes Termodinámicas Segunda Ley: Espontaneidad termodinámica En cada cambio físico o químico, se incrementa la aleatoriedad (desorden) del universo Toda reacción espontánea da como resultado disminución del contenido de energía libre del sistema

Espontaneidad termodinámica Indica la probabilidad de que una reacción química ocurra. 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 termodinámica En 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 libre Energía que está disponible para hacer un trabajo útil Para sistemas biológicos, con presión, volumen y temperatura constantes, la variación de energía libre (DG), se relaciona con las variaciones de entalpía y entropía ΔH= ΔG + TΔS

Variación de Energía Libre DG La variación de energía libre es una medida de la espontaneidad termodinámica, basada únicamente en las propiedades del sistema donde ocurren las reacciones DG se puede calcular a partir de la Keq, a partir de las concentraciones de reactivos y productos ΔGº´ = -R T ln Keq R= Constante de gases 1.9 cal./º/mol T= Temperatura en º Kelvin. lnKeq log. Natural de Keq. Keq = [productos] / [reactantes]

Equilibrio Químico Se establece cuando las velocidades de las reacciones directa e inversa son iguales A + B C + D Reacción directa Reacción inversa

Constante de equilibrio Keq 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]

Valores de la Keq 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 Keq 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 = 0.1 se favorece reacción inversa Si la concentración de productos = 2 y la concentración de reactivos = 2 Keq = 1 está en equilibrio

Energía Libre Estándar DGº´ 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 de DGº y DGº´ 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 DG = 0

Procesos 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 requiere energía

Reacciones exergónicas y endergónicas 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)

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

Vías catabólicas y anabólicas Moléculas en los alimentos Variedad de moléculas que forman a una célula Energía para realizar trabajo VÍAS CATABÓLICAS VÍAS ANABÓLICAS Variedad de monómeros para biosíntesis de macromoléculas

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 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 Acopladas La energía de una reacción exergónica se utiliza para realizar una endergónica

Mecanismos para el intercambio de Energía en los Sistemas Vivos Transferencia del grupo fosforilo ATP-ADP Cada fosforilacion o desfosforilación intercambian 7.3Kcal/mol.

Actividades celulares en que participa el ATP Flujo de información (núcleo~citoplasma) Síntesis molecular Movimiento de vesículas ATP Bombeo iónico Eliminación de compuestos Contracción muscular Producción de compuestos

Otros compuestos fosforilados de alto contenido energético 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

Mecanismos para el intercambio de Energía en los Sistemas Vivos Reacciones de óxido-reducción implican cambios en el estado electrónico de los reactantes (ganancia o pérdida de electrones yo protones)

LABORATORIO Observación de cambios de metabolismo humano: ¿Porqué es importante tomar los signos vitales previo a iniciar el procedimiento? ¿Qué significado tiene la aceleración del metabolismo? Porqué cambia el valor del pH del agua al espirar? ¿A qué se debe la diferencia entre el tiempo de variación del pH antes y después de hacer ejercicio? ¿A qué se debe el cambio de color del agua? ¿Cómo eliminan los animales del ácido carbónico que se forma en el organismo?

Preguntas??????? Muuuchas Gracias...