BIOENERGETICA. Estudio de los cambios energéticos que acompañan reacciones químicas. 1.) Células son sistemas químicos autónomos auto-replicativos

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1 BIOENERGETICA Estudio de los cambios energéticos que acompañan reacciones químicas 1.) Células son sistemas químicos autónomos auto-replicativos 2.) Células tienen que obedecer a las leyes de física y química - Una célula es una estructura altamente ordenada. Para crear orden a partir del caos hay que invertir energía. Cualquier sistema que se deja solo, va a incrementar su desorden espontáneamente (segunda ley termodinámica) ej. un edificio se derrumba - Células son ordenadas necesitan inversión de energía (E) - La primera ley termodinámica dice que la energía en un sistema y su medio ambiente es constante (no se puede ni crear ni destruir energía) - La célula adentro está más ordenada libera calor (= E) y el medio ambiente llega a ser más desordenado. 3.) Organismos se encuentran en un estado de steady-state constantemente inversión de energía constantemente liberación de energía G tiempo De donde viene la energía? 4.) La fuente de la energía original es el sol plantas animales

2 5.) Transformación de la energía de la luz a energía química formación de enlaces covalentes hν CO 2 + H 2 O glucosa + O 2 Energía aparece en muchas formas interconvertibles ej. luz, calor, energía química 6.) Los procesos químicos se pueden dividir en dos categorías: - los procesos que tienen la tendencia de comenzar a funcionar por si mismos reacción que libera energía - los procesos que no comienzan a funcionar por si mismos, a menos que se gaste energía reacción que requiere energía reacciones de liberación de energía catabólicas reacciones de requerimiento de energía anabólicas 7.) El organismo acopla procesos que liberan energía con los que requieren energía. 8.) Energía libre (según Gibbs: G ) - Cuando la energía total de los productos de una reacción química es menor que la de los reactantes, esta energía es liberada por la reacción que ocurre. La energía libre es la energía disponible para realizar trabajo (= G) bajo condiciones constantes de temperatura y presión. G < 0 reacción exergonica catabólica oxidación de comida G > 0 reacción endergonica anabólica síntesis de biomoléculas movimiento G o cambio de energía libre estandard, conc. de reactantes 1M G o cambio de energía libre estandard a ph ) Energía puede ser cinética (= activa ) o potencial (= almacenada ) - Cada molécula contiene una cantidad de energía potencial igualando la cantidad de energía que fue necesaria para originalmente sintetizarla. - Por lo tanto un organismo vivo que se compone de compuestos orgánicos es un almacén de energía potencial. El rompimiento de los compuestos orgánicos va a liberar energía libre. Pero hay una restricción. No obstante, cada transformación energética resulta en la reducción de la cantidad de la energía del sistema que se puede usar (la energía libre), porque hay un incremento de la cantidad de desorden. Por eso no es posible utilizar

3 toda la energía liberada en una reacción para realizar trabajo, algo se transforma en calor, que finalmente aumenta el desorden del sistema completo. Plantas atrapan la energía (luz = radiación electromagnética) del sol y la transforman a energía química que es la energía de los enlaces covalentes entre los átomos de las moléculas orgánicas. 9.) Células obtienen energía por la oxidación de estas bio-moléculas. Oxidación = removimiento de electrones Reducción = adición de electrones oxidación A e - + B A ox + Be - donador de e - aceptor de e - reducción oxidado reducido 4HC CO 2 + H 2 O reducido oxidado La combustión de material comestible en una célula convierte las moléculas orgánicas (en las cuales C + H están en un estado relativamente rico en electrones) a CO 2 y H 2 O, donde dejaron electrones y por lo tanto están altamente oxidadas. H H H O O H C H H C OH C = O H C C H H H OH O metano metanol formaldehido ácido formico CO 2 más reducido más oxidado mayor cantidad de e - CH 4 CH 4 red. e - E C agregar e - (agregar H) remover e - (agregar O) reducir oxidar CO 2 +H 2 CO 2

4 - La forma energéticamente más estable de C es CO 2 y de H como H 2 O. - A pesar que CO 2 es la forma más estable de C, un organismo vivo no desaparece en un puff. - Antes que el C puede pasar a configuraciones más estable requiere energía de activación. - Utilizamos enzimas y muchos pasos pequeños 10.) Organismos parten moléculas orgánicas en secuencias de reacciones catalizadas por enzimas. G energía de activación tiempo Metabolismo es una serie de reacciónes, algunas de estas, como la oxidación completa de glucosa a CO 2 y agua, liberan una gran cantidad de energía, algunas otras, como juntar varios cientos de amino ácidos para formar una proteína, necesitan una gran cantidad de energía. Como se pueden acoplar estos procesos? C C ATP red. CO 2 CO 2 ATP + H 2 O ADP + P i ATP + H 2 O AMP + PP i

5 - tiene una constante de equilibrio alta y hidroliza fácilmente a ph7.0 - el G < 0, va a ocurrir espontáneamente, a una velocidad mesurable solamente con un catalizador ATP es un compuesto termodinámicamente utilizable pero cinéticamente estable - ATP es el reservorio de la energía química potencial - ATP es un compuesto de alta energía, tiene enlaces de alta energía, - ATP juega muchos roles en la célula - ATP es la moneda de energía de la célula comida oxidable Reacciones exergonicos en la célula plantas verdes Energía de la luz contracción muscular síntesis de nuevo material para la célula ATP trabajo osmótico Producción de luz bioluminiscencia

6 En reacciones metabólicas se encuentran los procesos catabólicos de oxidación de compuestos (ej. glucosa, grasa) y la energía liberada en estas reacciones exergonicas esta capturada por la síntesis de ATP. La oxidación es el removimiento de electrones. ADONDE van los electrones? Son dos las moléculas más importantes, que cumplen la función de aceptores de electrones en células, NAD y FAD NAD NADH, A re A ox FAD FADH El metabolismo tiene que proveer o realizar reacciones para regenerar las moléculas aceptoras de electrones. Seguramente cada uno de Uds. ha experimentado en su cuerpo lo necesario que es la regeneración de los aceptores de electrones. -C-OH azucar -COO - piruvato acetyl-co-a NAD + NADH,H + NAD + lactato TCA CO 2 NADH,H + NAD + cadena respiratoria O 2 H 2 O

7 Cuando el músculo trabaja muy duro, no hay suficiente oxigeno para oxidar el NADH,H +, por lo tanto la célula utiliza un atajo ( short cut ); se forma lactato solamente para proveer NAD + como aceptor de electrones para la glicólisis (que produce la energía para el movimiento muscular). Este lactato en el músculo es el que produce el dolor en los músculos hasta que eventualmente se degrada. Próximo capitulo: glicólisis en detalle