FLUJO DE ENERGIA EN LA CÉLULA Dra. Carmen Aída Martínez

Requerimientos celulares Materiales estructurales Catalizadores Información Energía Monosacáridos Ácidos grasos Aminoácidos Nucleótidos Agua Minerales Enzimas Ribozimas Moléculas que aceleran la velocidad de las reacciones químicas Capacidad para realizar trabajo Obtener Almacenar Utilizar Para guiar y dirigir sus actividades Almacenamiento (ADN) Transmisión (ARN) Expresión (proteínas)

Energía almacenada Energía de movimiento

Síntesis Eléctrico Energía Luz Mecánico Calor Concentración

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Flujo de energía y materia Pérdidas de calor Pérdidas de calor Energía solar Energía: unidireccional Energía química Fotótrofos Quimiótrofos

Flujo de energía y materia Pérdidas de calor Oxígeno Pérdidas de calor Energía solar Compuestos orgánicos Energía química Fotótrofos Quimiótrofos Dióxido de carbono todo lo que tiene masa, volumen y ocupa un lugar en el espacio Nitrato Materia: cíclico Agua

Energía interna: Total de Energía almacenada en el Flujo de energía y materia Pérdidas de calor Pérdidas de calor Energía interna: Total de Energía almacenada en el sistema Energía solar Energía química Fotótrofos Quimiótrofos Energía Libre: Energía disponible para realizar trabajo.

Flujo de energía y materia Pérdidas de calor Oxígeno Pérdidas de calor Aumento de E. Libre Disminución entropía Energía solar Compuestos orgánicos Entropía: Medida de la aleatoriedad o desorden. Energía química Fotótrofos Quimiótrofos Dióxido de carbono Disminución de E. Libre Aumento entropía Nitrogeno Agua

TERMODINÁMICA Estudia el flujo de energía en los sistemas (cambios energéticos) Los principios que lo gobiernan Las leyes termodiná-mica gobiernan los cambios energéticos en una reacción proveen herramien-tas para predecir la espontanei-dad de la misma

BIOENERGÉTICA Los cambios en la energía libre (DG) permite cuantificar y predecir la factibilidad energética de una reacción química Describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos

Pérdidas de calor Oxígeno Pérdidas de calor Energía solar Compuestos orgánicos Energía química Fotótrofos Quimiótrofos Los organismos son sistemas termodinámicos obligatoriamente abiertos, es decir intercambian materia y energía con el entorno. Dióxido de carbono Nitrogeno Agua

Intercambio de energía entre un sistema y su entorno se produce de dos formas: Como Calor Como trabajo

TERMODINAMICA Primera ley de la termodinámica Conservación de la energía Primera ley de la termodinámica Espontaneidad termodinámica Segunda ley de la termodinámica

Leyes Termodinámicas Primera Ley: Conservación de la energía La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. La energía total del universo permanece constante, aunque puede cambiar

Variación de la entalpía Variaciones de calor: DH = Hproductos – Hreactivos H=Entalpía: Cantidad de calor Positivo: Productos reactivos = Exotérmica Negativa: Productos reactivos = Endotérmica

Leyes Termodinámicas Segunda Ley: Espontaneidad termodinámica Cuando la energía se convierte de una forma a otra, disminuye la cantidad de energía útil (energía libre) Se incrementa la aleatoriedad (desorden) del universo (Entropía)

Espontaneidad termodinámica Indica si una reacción química puede producirse, pero no indica si se producirá. Puede evaluarse por: Cambio de energía libre (DG) mide espontaneidad Keq. Mide direccionalidad

Variación de Energía Libre DG ΔG = ΔH – T ΔS ΔH = incremento de la entalpía ΔS = Cambio en la entropía T = temperatura Disminución ΔG : espontánea

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]

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

La reacción favorecida es hacia la derecha Valores de la Keq Keq > 1 concentración de productos mayor que concentración de reactivos. 2 10 La reacción favorecida es hacia la derecha (reacción directa) Keq = = 0.2

La reacción favorecida es hacia la izquierda Valores de la Keq Keq < 1 concentración de reactivos mayor que concentración de productos. 10 2 La reacción favorecida es hacia la izquierda (reacción inversa) Keq = = 5

Reacción en equilibrio. Valores de la Keq Keq = 1 concentración de reactivos igual a concentración de productos 2 Reacción en equilibrio. Keq = = 1

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 Reacción exergónica Reacción química que es espontánea Libera energía al entorno Su Keq es > 1 Su DG = negativo Los productos poseen menor energía que los reactantes

Reacciones endergónicas Reacción endergónica Reacción química que ocurre cuesta arriba Necesita energía para ocurrir Su Keq es < 1 Su DG = positivo En este caso los productos contienen mayor energía que los reactantes.

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

CATABOLISMO Ruta metabólica de degradación de macromoléculas (grasas, carbohidratos y proteínas) en moléculas más simples Se libera la energía química (procesos exergónicos) y se produce ATP a partir de ADP

ANABOLISMO Ruta metabólica de biosíntesis o construcción de macromoléculas (proteínas, ADN) a partir de moléculas precursoras más pequeñas Requiere de energía (procesos endergónicos) por lo que se consume ATP

Vías catabólicas y anabólicas

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

pH La concentración de iones hidrógeno en una solución. H2O H+ + OH- Agua pura = 10 -7 M PH = - log H+ = log 1 = 7.0 H+

PH PH: 7 Neutro PH: > 7 Básico o alcalino ( capturan iones H+ ) Grupos amino PH: < 7 ácido ( liberan iones H+ ) Grupos carboxilo y fosfato PH normal: 7.2 -7.4