BIOENERGÉTICA ELEMENTOS DE TERMODINÁMICA CINÉTICA BIOQUÍMICA

Transcripción

1 BIOENERGÉTICA ELEMENTOS DE TERMODINÁMICA CINÉTICA BIOQUÍMICA

2 Los capítulos precedentes describieron la lógica molecular creciente de la vida, desde moléculas inorgánicas simples, pasando por moléculas orgánicas sencillas, unidades sillares de construcción: monosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos y nucleótidos, (monómeros). Así, vimos la construcción de macromoléculas (biopolímeros) y luego el ensamble de estas macromoléculas entre sí, haciendo estructuras supramoleculares con funciones específicas en membranas, ribosomas, núcleos, etc. Estas biomoléculas no se presentan en células y tejidos, como estructuras estáticas e inmutables.

3 Las biomoléculas cambio. son estructuras en permanente En todo organismo viviente se producen miles de reacciones químicas, cuyo conjunto recibe el nombre de METABOLISMO. Además de las sustancias reactivas y productos, en toda reacción química debe considerarse el ingrediente ENERGIA. Toda sustancia para reaccionar debe, previamente, estar energizada, activada generalmente por uniones fosfato de alta energía. Las reacciones químicas se acompañan de cambios energéticos, necesarios de conocer para entender la lógica del metabolismo.

4 Energía Es la propiedad de un sistema que expresa su capacidad de producir trabajo. No se define en términos de tamaño, forma o masa. Sólo se revela cuando se ha producido un cambio. Sus unidades más utilizadas son el Joule, la Caloría o el Ergio. La forma de medir la energía, siempre pasa por la determinación de las calorías. 1 Caloría es la cantidad de calor que se necesita brindar, para incrementar la temperatura en un grado (de 14,5 a 15,5ºC) de un gramo de agua.

5 Energía Potencial Cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía almacenada en un determinado lugar, debido a su posición. Ej: agua en represa, una pila o batería, etc. Energía de combustión Contenida en los enlaces de de carbono de los combustibles y que resulta liberada en un proceso de oxidación. Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, lo que transforma su estructura química. Esa energía química se transforma en energía cinética. Energía Cinética Es la que poseen los cuerpos en movimiento (la luz corresponde al movimiento de un fotón).

6 Esquema de la combustión de una molécula reducida. Diferencia entre la combustión directa, con liberación de la energía en forma de calor, y la combustión en la célula, donde se almacena parte de la energía contenida en la molécula en energía útil para la célula.

7 La energía que necesita un organismo proviene de los nutrientes y de la energía almacenada en dicho organismo. La célula utiliza como combustible los glúcidos, lípidos y proteínas para realizar trabajo celular: Reacciones químicas Movimiento de moléculas a través de una membrana Reacciones que generan orden, o sea alto contenido en información Crecimiento y división celular Ello nos lleva a definir que la Bioquímica es totalmente dinámica, la célula utiliza la energía que obtiene de los nutrientes para su autoconstrucción (biosíntesis).

8 Para vivir, todos los seres vivos necesitan fundamentalmente: energía y materia (carbono). Por eso se clasifican según la fuente de energía y el origen de la forma química del carbono. Fototrofos: obtenien energía desde la luz Quimiotrofos: obtenien energía desde los alimentos Litotrofos : usan como fuente de carbono el carbono inorgánico (CO2) Organotrofos : emplean como fuente de carbono el carbono orgánic

9 Tipo organismo Proced. carbono Proced. Energía Dador de electrón y/o hidrógeno Ejemplos FOTOTROFOS FOTOLITO TROFOS CO 2 LUZ Compuestos inorgánicos H 2 O, H 2 S, S Cel.verdes de plantas super. Algas azul-verd FOTO ORGANO TROFOS Compuestos orgánicos LUZ Compuestos Orgánicos Bacterias purpureas no sulfuradas QUIMIOTROFOS QUIMIOLITO TROFOS CO 2 Reacciones REDOX Compuestos.inorgánicos Bacterias desnitrificantes H 2 O, H 2 S, S, Fe NH 3 QUIMIO ORGANO TROFOS Compuestos orgánicos Reacciones REDOX CompuestosO rgánicos (glucosa) Todos los animales super. Mayoria de MO

10 Fuente de carbono y de energía de los organismos. (a) Autótrofos: utilizan como fuente de carbono el CO2 y como fuente de energía del sol (Fotolitotrofos) (b) Heterótrofos: utilizan como fuente de carbono los nutrientes reducidos, como los polisacáridos, de donde extraen la energía química en forma de ATP (Quimiorganotrofos).

11 Los organismos vivientes obtienen su energía de la radiación solar (Fototrofos), que es captada y almacenada como energía química. Esta energía es transferida a otros seres por la cadena nutricia de la biósfera. Los organismos aeróbicos generan energía por oxidación de sustancias (glúcidos, lípidos y proteínas) incorporados con los alimentos. (Organismos Quimiotrofos), dando CO 2 y H 2 O. La energía química de un compuesto depende del movimiento de sus átomos y partículas, por sus enlaces y atracciones electrónicas entre dichos elementos.

12 Sistema de utilización y conversión de la energía en los organismos según la utilización de su fuente de energía, sol o nutrientes.

13 Ciclo del carbono LUZ SOLAR Fotolitotrofos Quimioorganotrofos (animales)

14 El organismo biológico (célula) resulta así, una máquina transformadora de energía. Metabolismo: conjunto de reacciones químicas que se producen en las células y nos permiten obtener energía (Catabolismo = oxidación) y utilizarla para los procesos de biosíntesis (Anabolismo = reducción), necesarios para la autoconstrucción de su materia. Es la suma del anabolismo o procesos de síntesis que consumen energía y del catabolismo procesos de degradación que producen energía. La energía obtenida se conserva, en forma de energía química, fácilmente aprovechable y en distintas moléculas, siendo la principal de ellas el ATP (adenosintrifosfato) que además es imprescindible para lograr su capacidad de reproducción

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21 Visión general del catabolismo. En la etapa I los polímeros se degradan en monómeros que son absorbidos por las células. En la etapa II, comienza su degradación a compuestos intermediarios (Acetil CoA). En la etapa III, en la mitocondria, se produce la oxidación completa de las moléculas (CO 2 y H 2 O) y la obtención de energía.

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24 Al producirse una reacción química, se rompen o se forman enlaces y el contenido energético puede disminuir o aumentar. El curso de cualquier reacción química es determinado por el cambio del contenido de energía del sistema en consideración. Resulta sencillo determinar el cambio de energía entre el estado inicial y el final (cambio que se simboliza con ). Definir Sistema Condiciones estandar: temperatura, presión, concentración, ph Cuando el proceso consume energía se llama Endergónico y cuando la libera: Exergónico.

25 Variación de la energía libre durante una reacción química. (a) Proceso exergónico, donde los reactivos presentan mayor contenido energético que los productos. (b) Proceso endergónico, donde los productos contienen mayor energía libre.

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27 Energia libre estandar La energia libre estandar está relacionada con la constante de equilibrio. G o = - RTlnK eq Equilibrio: G=0 La velocidad de formación es igual a la de desaparición

28 Predicción del sentido de una reacción química según la concentración real de los reactivos y productos. Se muestra el ejemplo de la reacción de conversión de glucosa-6-p (Glc-6-P) en fructosa-6-p (Frc-6-P).

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30 La energia libre estandar es aditiva en las reacciones acopladas glucosa + Pi glucosa-6-fosfat + H 2 O Gº = 13.8 kj/mol ATP + H 2 O ADP + Pi Gº = kj/mol ATP + glucosa ADP + glucosa-6-fosfato Gº = kj/mol

31 Proceso de hidrólisis del ATP. La hidrólisis del enlace fosfoanhídrido libera la repulsión de las cargas negativas. La molécula de fósforo inorgánico libre es estabilizada por la resonancia de los electrones. (b) La reacción espontánea de la hidrólisis del ATP se acopla a la reacción endergónica de formación de la glucosa-6-p.

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33 Compuestos fosforilados que al hidrolizarse liberan alta energía Fosfoenolpiruvato 1,3 bifosfoglicerato Fosfocreatina ATP Glicerofosfato Glucosa 6-P

34 Compuestos fosforilados que al hidrolizarse liberan alta energía