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U.T.I. Biología Celular

Bioenergética e introducción al metabolismo

Departamento de Bioquímica Noviembre de 2005


Definiciones

LA TERMODINAMICA ES LA CIENCIA QUE ESTUDIA LA ENERGIA Y SUS TRANSFORMACIONES

LA BIOENERGETICA O TERMODINÁMICA BIOQUÍMICA ES EL ESTUDIO DE LOS CAMBIOS DE ENERGÍA QUE OCURREN EN LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS


Definiciones

LA ENERGÍA DEL UNIVERSO ES CONSTANTE LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO ESTÁ AUMENTANDO


Definiciones SISTEMA: Es la porci贸n de universo que tomamos como objeto de estudio. Existen tres tipos de sistemas: SISTEMAS AISLADOS SISTEMAS CERRADOS SISTEMAS ABIERTOS ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de propiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T) SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO


Energía Total de un Sistema La suma de todas las formas de energía de un sistema se denomina energía total, la cual es la suma de las energías cinética, potencial e interna. La energía interna representa la energía molecular de un sistema (energía de las moléculas, sus interacciones, energía de protones, etc.).


EnergĂ­a Interna de un Sistema


Concepto de Equilibrio Termodinámico

• Un sistema se define como termodinámicamente en equilibrio si mantiene un equilibrio térmico, mecánico, de fase y químico.


Primera ley de la termodinámica “Conservación de la energía” La energía no se crea ni se destruye. Se conserva constante y puede interconvertirse. ∆E = q – w q es el calor hacia el sistema w es el trabajo hecho por el sistema E es la energía interna y ∆E la variación entre el estado final y el inicial. Es una función de estado


Entalpía - ∆H representa la medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a presión constante: H = E + PV or ∆H = ∆E + P∆V cambio en energía El cambio de entalpía depende únicamente del estado inicial y final de la reacción, por lo que constituye una función de estado. A volumen constante: ∆H = ∆E Si el sistema es una reacción química la entalpía es el calor de reacción a presión constante


- ∆H > 0 Reacción endotérmica - ∆H < 0 Reacción exotérmica


Segunda ley de la termodinámica ‘Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un valor máximo’ La segunda ley provee criterios para determinar si un proceso se producirá o no pero no nos dice nada acerca de la velocidad del proceso La termodinámica permite predecir si un proceso ocurrirá espontáneamente La cinética química permite predecir a qué velocidad se produce dicho proceso


Entropía (S) •La entropía es una medida del grado de desorden de un sistema. • Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia el máximo desorden. • La segunda ley se puede resumir como: ∆Ssistema + ∆Sentorno= ∆Suniverso>0 en todo proceso real S = k ln W •S= Entropía •K= Constante de Boltzmann •W= es el número de formas diferentes que se pueden encontrar los componentes del sistema


Entropía (S)

Baja entropía

Alta entropía

•Hielo a 0ºC

•Agua a 0ºC

•Un diamante a 0ºK

•Un diamante a 106 ºK

•Una molécula de proteína en su conformación nativa

•La misma molécula de proteína en un entorno desnaturalizante, desplegada


Diffusion as an entropy-driven process

Sistema está en equilibrio porque las moléculas se distribuyen al azar

El sistema se aleja del equilibrio, y se encuentra más ordenado

El sistema vuelve al equilibrio

La tendencia al equilibrio es una consecuencia de la tendencia al aumento de la entropía. La entropía del universo NUNCA disminuye (i.e.,la transición de (c) a (b) no ocurre nunca espontáneamente)


La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad • Los sistemas biológicos son sistemas abiertos por lo cual se requiere una nueva función de estado que incluya tanto energía como entropía. • La variación de energía libre de Gibbs (G) es la función de estado que mejor describe la segunda ley en estos sistemas.

∆G = ∆ H - T ∆ S (a T y P constantes)

∆ G es la diferencia de energía libre ∆ H es la diferencia de entalpía ∆ S es la diferencia de entropía T es la temperatura absoluta (en K)


La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad

Conceptualmente podemos definir ∆G como la fracción de variación total de energía que es capaz de efectuar trabajo a medida que el sistema tiende al equilibrio, a P y T constante. ∆G = - w(trabajo máximo)

Cuanto más alejado esté el sistema del equilibrio, más trabajo podrá realizar 1. Los sistemas vivientes se encuentran alejados del equilibrio parapoder realizar trabajo •


La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad • Una nueva forma de enunciar la segunda ley (la más importante para nuestros fines) sería: “Dado un sistema abierto, el criterio para que un proceso sea espontáneo a P y T constantes, es que ∆G sea negativo". ∆G < 0

Proceso exergónico

∆G > 0

Proceso endergónico

En el equilibrio, ∆G = 0.


∆G = ∆ H - T ∆ S


∆G=+213J/mol ∆G=-225J/mol

Hielo

Agua


Contribuci贸n de S y H a las reacciones qu铆micas

Cambios favorables de S yH

Reacci贸n dirigida por H

Reacci贸n dirigida por S


∆G y concentración. Condiciones Estándar ∆G es influenciada por las características de las moléculas reaccionantes, temperatura, presión etc. Las condiciones estándar para la energía libre (∆G˚’) en bioquímica se calculan bajo las siguientes condiciones: T = 298˚K (25˚C) P = 1 atm pH = 7.0 [ ] = 1 M para reactivos y productos R = constante de los gases


∆G y concentración A+B

C+D


Para una reacción simple: ∆G= ∆Go’ + RT ln [productos] [reactivos] En otras palabras, ∆G es la suma de dos partes: ∆Go’, que depende de las propiedades intrínsecas de las moléculas reaccionantes, más una función que depende de la concentración. Como se ve, ∆G se vuelve más negativo a medida que disminuye la relación de productos/reactivos.


En el equilibrio

• En el equilibrio ∆G=0 • ∆Gº y K’eq se relacionan de la siguiente K’eq= [C][D] forma: A+B C+D [A][B]

∆Gº’ = -RT ln Keq •Si ∆Go’ es negativo, K’eq > 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de C y D) •Si ∆Go’ es positivo, K’eq < 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de A y B).


Relación K’eq y ∆G’º en reacciones químicas en condiciones estándar A+B

C+D

∆Gº’ = -RT ln Keq

Cuando K’eq es

∆Gº’ es

Con 1M de componentes

>1.0

Negativo

Hacia la derecha

=1.0

Cero

Equilibrio

<1.0

Positivo

Hacia la izquierda


Energía Libre de Activación

∆G


Reacciones acopladas


Reacciones acopladas Una cantidad termodinámica (ej: ∆G, ∆H o ∆S) nos indica que una reacción es permitida, A Æ B está “permitida”; B Æ A no es espontánea, a menos que se le acople otra reacción favorecida (ej: ATP Æ ADP) Sin embargo, para que la reacción se produzca, la energía neta debe descender (i.e., ∆G total debe ser negativa.)


Reacciones acopladas


Introducci贸n al metabolismo


Definiciones

Metabolismo: actividad celular muy coordinada y dirigida en la que muchos sistemas multi- enzimáticos cooperan para cumplir 4 funciones: • obtener energía química a partir de nutrientes ricos en energía • convertir moléculas nutrientes en moléculas características de la propia célula • polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos y otros • Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas


Definiciones

Cinco características principales del metabolismo: 1. Las vías metabólicas son irreversibles 2. Las vías anabólicas y catabólicas deben ser diferentes 3. Cada vía metabólica tiene un primer paso limitante 4. Todas las vías metabólicas están reguladas finamente 5. En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en localizaciones celulares específicas


Ciclos del C, O y N en la biosfera


Estados de oxidaci贸n del Carbono


Relaci贸n entre catabolismo y anabolismo


Diferentes tipos de rutas metab贸licas


Reacciones acopladas en el metabolismo


COMPUESTOS FOSFATO DE “ALTA ENERGÍA”


Ciclo del ATP


Factores que influyen en el ∆G de hidrólisis del ATP 1. Repulsión electrostática 2. Estabilización por resonancia del Pi saliente 3. Ionización del ADP 4. Mayor solvatación de ADP + Pi que ATP ∆G = ∆Go’ + RT ln

[ADP][Pi] [ATP]

[ADP] = 0,25 x 10-3 M [Pi] = 1,65 x 10-3 M [ATP] = 2,25 x 10-3 M ∆G = -51,8 KJ/mol


Flujo de grupos fosfato


Estabilizaci贸n por resonancia de los fosfatos


TopografĂ­a del metabolismo


REACCIONES ACOPLADAS