metabolismo y Bioenergética

Transcripción

1 Bioenergética Tema 16: Introducción n al metabolismo y Bioenergética CONTENIDOS Fuentes de Carbono y Energía a para el Metabolismo: Anabolismo y Catabolismo Bases termodinámicas micas de las reacciones bioquímicas: Variación n de energía a libre. Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas. Compuestos ricos en energía: Potencial de transferencia de ~P ATP y su papel biológico.

2 Introducción n al metabolismo Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas). Las vías metabólicas son interdependientes y sus actividades están coordinadas Funciones: Degradar moléculas nutrientes para obtener energía química y para convertirlas en biomoléculas componentes de la célula Polimerizar precursores monoméricos en macromoléculas Sintetizar y degradar biomoléculas necesarias en funciones especializadas

3 Introducción n al metabolismo Nutrientes que contienen energía Catabolismo Productos finales de baja energía Carbohidratos Grasas Proteínas Energía química CO2 H2O NH3 Macromoléculas celulares Proteínas Polisacáridos Lípidos Ácidos nucleicos Anabolismo Moléculas precursoras Aminoácidos Azúcares Ac grasos Bases nitrogenadas

4 Características Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas Un precursor se convierte en producto a través de intermediarios: metabolitos Cada reacción ocasiona un pequeño cambio químico específico Catabolismo Fase de degradación Liberación de energía Anabolismo Biosíntesis Requiere energía

5 Células y organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materiales y energía con su entorno. Aprovechan la energía: A partir de la energía solar Bioenergética A partir de componentes químicos de su entorno (nutrientes) Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico. Biosíntesis (anabolismo) Trabajo mecánico (contracción muscular) Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente) Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso) Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. La única energía que pueden utilizar las células es la energía libre Energía libre de Gibbs (G)

6 Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la termodinámica Principio de conservación de la energía Aumento natural del desorden Bioenergética G = H - T S Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes Entalpía (H): contenido calórico del sistema H > 0 H < 0 Reacción endotérmica (absorbe calor) Reacción exotérmica (libera calor) Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema S > 0 S < 0 Aumenta entropía en el sistema Disminuye entropía en el sistema

7 Energía a libre de Gibbs Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes Proporciona información sobre: La dirección de la reacción química Composición en el equilibrio La cantidad de trabajo desarrollado Variación de energía libre ( G) Predice si una reacción es factible o no Reactivos G R G = G P - G R Productos G P G = 0 G > 0 G < 0 Proceso en equilibrio Reacción endergónica, consume energía Reacción exergónica, genera energía (espontánea)

8 Bioenergética Relación n entre G G y K de equilibrio A + B C + D K eq = [C] eq [D] eq G = 0 G = - RT ln K eq [A] eq [B] eq En condiciones estándar: 25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M G o En condiciones fisiológicas: ph = 7 G G = - RT ln K eq G es una forma de expresar la constante de equilibrio, característica de cada reacción bioquímica

9 Bioenergética Relación n entre Gº y G G o = variación de E libre en condiciones estándar. Valor fijo para cada reacción G = variación de E libre real. Es variable, depende [R] y [P] y de la Tª G = G o + RT ln Si la reacción está en el equilibrio G = 0 [C] [D] [A] [B] 0 = G o + RT ln [C] eq [D] eq [A] eq [B] eq G o = - RT ln K eq Si la reacción es en condiciones fisiológicas G o = - RT ln K eq

10 Relación n entre G º y K eq K eq < 1 G o (+) R P K eq = 1 G o (0) R P K eq > 1 G o (-) R P endergónica equilibrio espontánea G o = - RT ln K eq Tabla que recoge algunas relaciones entre los valores de las variaciones de energía libre y las K de equilibrio de las reacciones

11 Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas A B C D G o 1 G o 2 G o 3 Las G o de reacciones secuenciales son aditivas A D G o TOTAL = G o 1 + G o 2 + G o 3 Las reacciones exergónicas espontáneas se acoplan a reacciones endergónicas para que éstas tengan lugar A C Exergónica G o 1 < 0 Endergónica G o 2 > 0 B D G o TOTAL = G o 1 + G o 2 G o T < 0

12 Ejemplo de Acoplamiento energético ATP G o 2 = -30,5 kj/mol ADP G o 1 = 13,8 kj/mol Glucosa Glucosa 6-P Glucosa + Pi ATP + H 2 O Glucosa + ATP Glucosa 6-P + H 2 O ADP + Pi Glucosa 6-P + ADP G o TOTAL = G o 1 + G o 2 = 13,8 + (-30,5) = -16, 7 kj/mol Reacción global exergónica

13 Compuestos ricos en energía a y Potencial de transferencia de P El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exergónicas está mediado por intermediarios de alta energía Los compuestos ricos en energía: Liberan la energía mediante hidrólisis y transferencia de grupo (rotura enlace rico en energía ~) Transfieren la energía en una sola reacción Son aquellos que ceden una energía > 25 kj/mol transferencia de grupo) (potencial de Potencial de transferencia de grupo: Capacidad de un compuesto para de ceder el grupo a otra sustancia,. Se mide por la energía libre desprendida en la hidrólisis del enlace de alta energía. Grupos transferidos: Fosfato Acilos

14 ATP ATP: 5 -Adenosina trifosfato: Enlace fosfoanhidro Enlace fosfoéster Adenina 5 -Adenosina trifosfato Ribosa Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía

15 ATP + H 2 O G o = -30,5 kj/mol ADP + Pi ATP En células G o G Concentración nucleótidos de guanina y Pi en algunas células [ATP], [ADP] y [Pi] 1M G = G o + RT ln [ADP] [Pi] [ATP] [2,5x10-4 ] [1,65x10-3 ] G = -30,5 + RT ln [2,25x10-3 ] G = -51,8 kj/mol

16 Otros metabolitos ricos en energía 1,3-Bisfosfoglicerato Fosfocreatina 3-Fosfoglicerato + Pi Creatina + Pi Fosfoenolpiruvato 1,3-Bisfosfoglicerato G o = -49,3 kj/mol G o = -43 kj/mol Flujo de grupos P G o de hidrólisis (kj/mol) ATP Fosfocreatina Compuestos Fosfato de alta energía Compuestos Fosfato de baja energía Glucosa-6-fosfato Glicerol-3-fosfato Dadores de P de alta energía ATP Aceptores de P de baja energía

17 Valores de energía a libre estándar de la hidrólisis de algunos compuestos biológicos de interés Fosfoenolpiruvato (PEP) 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG) Fosfocreatina