Objetivos. Tema 1.-Introducci

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1 Tema 1.-Introducci Introducción n al metabolismo Bases termodinámicas de las reacciones bioquímicas: Variación de energía libre. Compuestos ricos en energía: ATP y su papel biológico. Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas. Catabolismo y anabolismo Objetivos Significado del G de una reacción, su relación con Keq y cálculos de ambos parámetros Comprender qué son los compuestos ricos en energía y como se calcula el Potencial de transferencia de grupos fosfato Qué significa el acoplamiento energético de reacciones enzimáticas: una R endergónica es posible si se acopla con otra R exergónica G T < 0 Función del ATP en el acoplamiento de dichas reacciones Conceptos sobre vías metabólicas: Catabolismo y anabolismo

2 Bioenergética: Las células y los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. 1- Aprovechan la energía: tica: Bases termodinámicas micas de las reacciones bioquímicas: Variación n de energía a libre Gº A partir de la energía solar (org. autótrofos) A partir de componentes químicos (nutrientes) de su entorno (org. heterotótrofos) 2 - 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 vivas (P y T = ctes) es la energía libre Energía libre de Gibbs (G)

3 Introducción n al metabolismo Metabolismo: Conjunto ordenado de reacciones enzimáticas que se producen en las células. Conjunto de reacciones que transforman la materia con intercambio de energía. ESQUEMA DEL METABOLISMO Las reacciones bioquímicas están organizadas en vías metabólicas. Las vías metabólicas son interdependientes y su actividad está coordinada Funciones del metabolismo: Degradar las moléculas de los nutrientes para obtener energía química (ATP) Sintetizar las biomoléculas componentes de las células, consumiendo energía (ATP).

4 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 temperatura 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

5 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)

6 Relación n entre G G y Gº 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 (ph = 7) G o = - RT ln K eq

7 Relación n entre Gº y K de equilibrio A + B C + D K eq = [C] eq [D] eq G = 0 Gº = - RT ln K eq [A] eq [B] eq En condiciones estándar: 25º C, 1 atm presión, [A], [B] y [C], [D] = 1 M G o, NO es = G En condiciones fisiológicas: ph = 7 Gº Gº = - RT ln K eq Gº es otra forma de expresar la constante de equilibrio, es característica de cada reacción bioquímica// º en condiciones estandar y fisiológicas

8 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 los valores de algunas relaciones entre los valores de las variaciones de energía libre y de las K de equilibrio de las reacciones químicas.

9 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 la hidrólisis de un enlace y transferencia de grupo (rotura de un enlace rico en energía ~) Transfieren la energía en una sola reacción Son aquellos que ceden una energía > 25 kj/mol (potencial de transferencia de grupo) 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 del grupo a transferir (alta energía). Grupos transferidos en reacciones bioquímicas: Fosfato, Acilo, metilo, etc.

10 ATP: 5 -Adenosina trifosfato: estructura y función Enlace fosfoanhidro Enlace fosfoéster Adenina 5 -Adenosina trifosfato Ribosa ATP = Nexo entre los procesos dadores de energía y los procesos biológicos consumidores de energía. Desarrolla: - trabajo químico y - trabajo biológico

11 ATP: energía a de hidrólisis = potencial de transferencia del fosfato ATP + H 2 O ADP + Pi G o = -30,5 kj/mol = potencial de transf de Pi del ATP En células G o G [ATP], [ADP] y [Pi] 1M Concentración nucleótidos de guanina y Pi en algunas células [ATP] + [ADP] + [AMP] = cte Ejemplo en RBCs: G = G o + RT ln [ADP] [Pi] [ATP] G = -30,5 + RT ln [2,5x10-4 ] [1,65x10-3 ] [2,25x10-3 ] En eritrocitos humanos G = -51,8 kj/mol G o = -30,5 kj/mol

12 Fosfoenolpiruvato Otros metabolitos ricos en energía piruvato + Pi G o = -63 kj/mol 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

13 Características del metabolismo Metabolismo: Suma de reacciones enzimáticas que se producen en una célula u organismo vivo (transforma la materia e intercambia energía) Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas Cada reacción enzimática ocasiona un pequeño cambio químico específico Catabolismo Rutas de degradación Libera energía Rutas convergentes Anabolismo Rutas de Biosíntesis Requiere energía Rutas divergentes

14 Metabolismo = catabolismo + anabolismo Catabolismo Anabolismo

15 Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas A B C D G o 1 G o 2 G o 3 Las G o de las reacciones secuenciales (rutas metabólicas) son aditivas A D G o TOTAL = G o 1 + G o 2 + G o 3 Las reacciones endergónicas se pueden ACOPLAR a reacciones exergónicas para que las rutas metabólicas puedan tener lugar. A Exergónica G o 1 < 0 B G o TOTAL = G o 1 + G o 2 G o T < 0 C Endergónica G o 2 > 0 D A este hecho se le denomina acoplamiento energético

16 Ejemplo de acoplamiento energético: papel del ATP 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

17 El ATP es un índice de la carga energética celular La [ATP] + [ADP] + [AMP] en el interior celular es constante Carga energética celular = [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] Velocidad relativa Vía generadora de ATP Vía utilizadora de ATP Carga energética