Page 1

eXe

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

Tema Nº 3

Las reacciones que suceden dentro de la célula se acompañan de cambios energéticos y la bioenergética se ocupa de estudiar tales cambios. Todas las transformaciones de energía están de acuerdo con las leyes de la termodinámica. La energía liberada en la degradación de moléculas grandes no se utiliza directamente por los seres vivos, se transfiere a un mensajero determinado llamado ATP, que sirve como transportador de energía en la célula, que se genera durante ciertas reacciones catabólicas y se emplea durante las reacciones de biosíntesis y otros procesos, tales como transporte, movimiento. En el sentido más amplio la bioenergética comprende todas las transformaciones de energía y materia que ocurren en la biosfera. Energía y materia están relacionadas por la ecuación de Einstein: E = mc2 [Energía = masa x (velocidad de la luz)2] Todas las transformaciones de energía y materia deben cumplir con las leyes de la termodinámica: La Ley del Universo es constante. No se crea ni se pierde DE = Ei - Ef = Q - W Ei = energía inicial, Ef = energía final, Q = calor, W = trabajo 2da Ley: Todos los Sistemas termodinámicos tienden al equilibrio, es decir, tienden a un estado de máxima ENTROPIA o desorden del sistema y de mínima ENERGIA LIBRE DE GIBBS o capacidad de realizar trabajo. Las variaciones de entropía (DS) y de energía libre (D G) de un sistema están relacionadas por la expresión DG=DH-TDS Donde D H es la variación de entalpía o calor de reacción. Fíjese, muchas reacciones químicas se realizan de forma que la presión se mantiene constante desde el principio al final, a lo largo de todo el proceso, y en ausencia de cualquier tipo de trabajo distinto al de expansión.De forma que el calor implicado en un proceso realizado a presión constante, y de forma que el de expansión sea el único trabajo involucrado, es igual al cambio en una propiedad termodinámica: La entalpía Sólo parte del cambio de energía libre se puede aprovechar para realizar trabajo. 3.1.2.- Todos los sistemas son termodinámicamente irreversibles. DG y DS son funciones de estado y dependen del estado inicial y final del sistema y no del camino para llegar al estado final. Sólo los procesos espontáneos pueden realizar trabajo y el signo de DG está asociado con la espontaneidad de un proceso, así tenemos que para procesos que ocurren en condiciones isotérmicas: DG = 0 proceso en equilibrio, no realiza trabajo DG = + proceso no espontáneo, se realiza trabajo sobre él. (Endorgónico) DG = - proceso espontáneo, con capacidad para realizar trabajo (Exorgónico)

1 de 7

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

2 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

Los organismos vivos son sistemas fisicoquímicos altamente ordenados que requieren continuo aporte de materia y energía para realizar trabajo biológico y mantener sus estructuras, las cuales están en constante recambio. Los organismos vivos se pueden considerar sistemas termodinámicos abiertos polifásicos o heterogéneos, que presentan un equilibrio dinámico en estado estacionario. Los organismos vivos como sistemas altamente ordenados tienen baja entropía y alta energía libre, alejados del equilibrio termodinámico. 3.1.3.- Para un organismo vivo el equilibrio termodinámico equivale a la muerte y descomposición, estado de máxima entropía y mínima energía libre de Gibbs. Materia y Energía Organismo Materia y Energía(Nutrientes) vivo (Desechos) El continuo aporte de materia y energía en la biosfera genera Flujo de Energía y Ciclo de materiales. Organismos autótrofos / Organismos heterótrofos DGo = + 686 / - 686 DHo = + 673 / - 673 DSo = - 43,6 / + 43,6 DGo, D Ho y DSo = valores en condiciones estándar (1 atm, 25 ºC, 1 M) en Kcal/mol. El esquema representa los principales procesos de fijación y utilización de energía por los seres vivos. Se aprecia que la fuente última de energía es el sol y que los organismos heterótrofos dependen de los organismos autótrofos para obtener energía. 3.1.4.- Todos los seres vivos son altamente eficientes para captar, transformar y utilizar energía. La eficiencia es de alrededor de 40%, la que se ejemplifica con la respiración celular, donde un mol de glucosa, cuyo DGo = - 686 Kcal / mol, produce entre 36 y 38 moles de ATP, lo que corresponde aproximadamente al 40% del DGo, eficiencia mayor que la de cualquier máquina conocida. Esta alta eficiencia se explica por la existencia de: 1. Vías metabólicas constituidas por múltiples secuencias de reacciones catalizadas por enzimas y bajo estricta regulación. 2. Acoplamiento de reacciones catabólicas y anabólicas. 3. Compuestos fosforilados para la transferencia de energía.

Las transformaciones bioenergéticas en los seres vivos ocurren en múltiples etapas o secuencias de reacciones químicas catalizadas por enzimas o vías metabólicas. Esto hace posible la liberación de energía en "dosis pequeñas", lo que permite un mejor aprovechamiento de la "energía útil" y disipación del calor sin aumentar la temperatura, manteniendo así las condiciones homeotermas. Estas condiciones son importantes para las enzimas, muy sensibles a los aumentos de temperatura y cuya función es esencial para acelerar las reacciones a velocidad compatible con la vida. Además la acción enzimática permite regular el metabolismo. Los cambios de energía libre (DG), asociados a las reacciones químicas se deben estandarizar para hacerlas comparativas. A condiciones estándar: 25 °C, concentraciones 1 M, 1 atmósfera de presión DG = DGo. Las reacciones celulares están afectadas por el pH, por lo que en bioquímica a pH =7.0, DGo = DG’o La energía libre estándar (DGo), se puede calcular a partir de:

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

3 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

a) DGo de productos y DGo de reactantes DGo reacción = SDGo productos - SDGo reactantes b) las variaciones de entalpía (D Ho) y las variaciones de entropía (D So) estándar DGo = D Ho - TD So (condiciones isotérmicas a presión constante) c) la constante de equilibrio de la reacción, Keq., DGo = - RT 2.303 log Keq donde R = 1,987 cal/mol / °K u 8, 32 J/mol/°K. De acuerdo a la ecuación en c) el valor de DGo depende del valor de laKeq. Si Keq. = 1.0 entonces DGo = 0 y la reacción está en equilibrio Si Keq. > 1.0 entonces DGo = (-), la reacción es exergónica y procede a producto Si Keq. < 1.0 entonces DGo = (+), es reacción endergónica y procede a reactantes En la realidad las reacciones proceden en condiciones no -estándar, DG, la cuál se relaciona con DGo por la siguiente ecuación DG = DGo + RT 2.303 log Keq, si la reacción procede hasta el equilibrio, entonces DG = 0 y DGo = - RT 2.303 log Keq. d) la diferencia de potencial estándar, DEo, en reacciones redox (oxido-reducción) DGo =-nFD Eo donde F= constante de Faraday = 23,062 cal/ volt/equivalente y n = n° de electrones transferidos Las reacciones de oxido reducción son frecuentes en la célula. La transferencia de electrones va generalmente acompañada de transferencia de H y se habla de reacciones de oxido - reducción o reacciones de deshidrogenaciones e hidrogenaciones respectivamente. El potencial de referencia es la semireacción del electrodo de H: 2 H+ + 2 e- H2 (g) Siendo D Eo = 0.00 (25°C, 1 M, 1 atm.) Las reacciones que involucran la transferencia de 2 electrones, es la situación habitual en bioquímica Ejemplo. Oxaloacetato + 2 H+ + 2 e Malato + NAD+ + 2 H+ + 2 e 3.2.1 Reacciones acopladas y compuestos fosforilados de alta energía Las reacciones del metabolismo se pueden acoplar energéticamente de forma que los procesos exergónicos "muevan" los procesos endergónicos AB CD acoplamiento que puede ocurrir a través de un intermediario o transportador (Ej. NAD, FAD, A + B C + D CoA, etc. Otra forma de acoplamiento es la síntesis de compuestos de alta energía para incorporarlos a reacciones endergónicas. Importante papel en este tipo de acoplamiento cumplen los compuestos fosforilados de "alta energía" (con enlace anhidro y éster fosfórico), siendo los más importantes el par ATP - ADP, actuando el ATP como dador de energía y el ADP como aceptor de energía. El ATP actúa transportando energía desde los sitios de producción a los sitios de utilización de energía.

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

4 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

COMPUESTOS FOSFORILADOS El par ATP - ADP ocupa un lugar central en la escala de energía, pudiendo actuar como aceptor de energía en procesos con menor DG’o y como dador de energía en procesos con mayor DG’o. Ejemplo. En el músculo se puede conservar energía como fosfageno creatina - P para ser luego utilizado durante la actividad muscular intensa.

EL ACOPLAMIENTO ENTRE LAS REACCIONES EXERGONICAS (QUE LIBERAN ENERGÍA AL MEDIAO) Y ENDERGONICAS (QUE GASTAN ENERGÍA DEL MEDIO) EN LOS SERES VIVOS SE REALIZA A TRAVÉS DEL ATP. Por eso se le conoce como moneda de intercambio energético celular. La mayoría de los organismos nos alimentamos de metabolitos complejos (proteínas, lípidos, glúcidos) que degradamos a lo largo del tracto intestinal. De modo que a las células llegan metabolitos complejos, pero no tan complejos como los ingeridos. En la célula van a ser oxidados por una serie de reacciones químicas degradativas -> catabolismo. Como productos del catabolismo se obtienen metabolitos simples y energía. Ambos con los precursores para la síntesis de los componentes celulares. Todo el conjunto de reacciones de síntesis se llama anabolismo. En el catabolismo: oxidación; liberación de electrones que serán captados por unos transportadores de electrones como el NAD+ (que al aceptar electrones se reduce a NADH). Por otra parte, la energía liberada quedará retenida en su mayoría en el ATP. La síntesis (anabolismo) de los compuestos celulares se realizará con los metabolitos simples, utilizando la energía contenida en el ATP y los electrones contenidos en el NADH, ya que éste es un proceso reductivo (toma electrones). El ATP es esa moneda de intercambio energético debido a su estructura química. Cuando se hidroliza libera mucha energía que va a ser captada por las enzimas que catalizan las reacciones de biosíntesis. ¿Por qué tienen los enlaces del ATP tanta tendencia a hidrolizarse? Veamos la molécula de ATP y su hidrólisis a ADP + Pi:

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

5 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

Se puede representar así: A-P~P~P Donde “~” son los enlaces anhídrido de ácido, que son de alta energía. En la hidrólisis del ATP se está hidrolizando uno de esos enlaces anhídrido de ácido. Esto libera gran energía, concretamente 7'7kcal/mol. Es decir: ΛG = -7'7kcal/mol Es una reacción muy exergónica. Su keq es 11. Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía. 3.2.3.- Razones químicas de la tendencia ala hidrólisis del ATP. Las razones químicas de esa tendencia son 3: - Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa. Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos. La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis. - Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP (las flechas entre los O de los Pi). Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis. - Solvatación: la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP. - En la célula existen muchos enlaces de alta energía, la mayoría de los cuales son enlaces fosfato. El ATP ocupa una posición intermedia entre los fosfatos de alta energía.

EL METABOLISMO ES UN PROCESO ESTRICTAMENTE CELULAR Y CORRESPONDE AL CONJUNTO DE REACCIONES QUÍMICAS, ORGANIZADAS EN VÍAS METABOLICAS, QUE UTILIZAN LOS ORGANISMOS PARA

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

6 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

APROVECHAS LA ENERGÍA DE LOS NUTRIENTES. El conjunto de reacciones químicas y enzimáticas se denomina ruta o vía metabólica. El mantenimiento de la vida requiere de un cambio continuo de sustancias y una constante transformación de la energía, para que ocurran estos cambios se deben cumplir tres fases que son las siguientes: Absorción: Es la fase donde penetran en el protoplasma las sustancias químicas y la energía que procede del medio ambiente. La energía puede penetrar en la célula: bajo forma de energía radiante (calor, luzelectricidad, etc.) La absorción de la materia consiste en la penetración de especies químicas a través de la membrana plasmática. Esto implica que todo lo que absorbe el protoplasma debe hallarse en solución sean, sólidas, líquidas o gaseosas. Transformación: La fase de transformación abarca todos los actos por los que el protoplasma transforma las especies químicas y la energía absorbidas. Comprende especialmente: a) La secreción: Consiste en que el protoplasma produzca compuestos (enzimas o fermentos) que intervienen en las transformaciones. b) La digestión: Consiste en hacer solubles las sustancias absorbidas que las pone en condiciones de entrar en reacción con formación de otras sustancias químicas. c) La asimilación: Consiste en que el protoplasma se transforme en algunos de sus componentes propios. d) La desasimilación: Consiste en que en el protoplasma se desintegra parte de sus componentes o de sus reservas, de los que resultan los compuestos y la energía que interviene en la asimilación. Excreción: Consiste en la eliminación de las especies químicas que no sé incorporados al protoplasma o se dispersa energía (calor, luz). La absorción, transformación y excreción que constantemente se produce en los organismos vivos dan un crecimiento de la materia y de la energía (anabolismo) o de un decrecimiento o pérdida de materia y energía (catabolismo).

03/12/2012 10:53 a.m.


eXe

7 de 7

https://adivirtual.unefm.edu.ve/moodle/medicina/file.php/22/moddata/...

3.3.1.- Las vías metabólicas corresponden a series secuenciales de reacciones enzimáticas destinadas a generar productos específicos. Los reactantes, los compuestos intermediarios y los productos, se denominan metabolitos. Existen miles de metabolitos y muchas vías metabólicas, las que se han agrupado en dos categorias: -Vías catabólicas o catabolismo en las que metabolitos complejos son degradados exergonicamente a metabolitos más simples, produciendo energía aprovechable en trabajo biológico (ATP). -Vías anabólicas o anabolismo en que metabolitos simples son transformados endergonicamente en metabolitos más complejos, como proteínas, polisacaridos, fosfolípidos, etc. Las principales fuentes de energía para este proceso son ATP y el coenzima reducido NADPH (Nicotinamida adenina dinucleotido fosfato reducido) PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LAS VÍAS METABÓLICAS. 1.- Todas las reacciones de una vìa metabolica están catalizadas por enzimas. 2.- Las vías metabólicas son irreversibles, dando así direccionalidad a la vía y permitiendo el control independiente de ambos procesos: catabolismo y anabolismo. Una de las primeras etapas de la vía es irreversible, es la etapa limitante de la vía. 3.- Todas las vías metabólicas son reguladas, lo que se realiza habitualmente regulando la etapa limitante de la vía. 4.- Las vías metabólicas están compartamentalizadas, ocurren en sitios o compartimentos específicos de las células. 3.3.4.- Metabolismo degradativo o catabolismo Vías exergónicas u oxidativas, que tienen como principales nutrientes la glucosa, los aminoácidos y los ácidos grasos. La característica importante del metabolismo oxidativo, es que una gran diversidad de sustancias es convertida en algunos pocos intermediarios comunes, que pueden ser oxidados hasta CO2 y H2O, a través del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria en la mitocondria. Este hecho indica que el catabolismo es convergente.

03/12/2012 10:53 a.m.

3 Bioenergetica