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Tema 16: IntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroducciIntroduccióóóóóóóón al n al n al n al n al n al n al n al
metabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergmetabolismo y Bioenergééééééééticaticaticaticaticaticaticatica
Bioenergética
CONTENIDOSCONTENIDOS••Fuentes de Carbono y EnergFuentes de Carbono y Energíía para el Metabolismo: a para el Metabolismo: Anabolismo y CatabolismoAnabolismo y Catabolismo
••Bases termodinBases termodináámicas de las reaccionesmicas de las reaccionesbioqubioquíímicas: micas: VariaciVariaci óón de energn de energíía libre.a libre.
••Acoplamiento energAcoplamiento energéético de las reacciones bioqutico de las reacciones bioquíímicas.micas.
••Compuestos ricos en energCompuestos ricos en energíía: Potencial de transferencia de a: Potencial de transferencia de ~P~P
•• ATP y su papel biolATP y su papel biolóógico.gico.
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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
� Sintetizar y degradar biomoléculasnecesarias en funciones especializadas
� Polimerizar precursores monoméricosen macromoléculas
IntroducciIntroduccióón al metabolismon al metabolismo
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IntroducciIntroduccióón al metabolismon al metabolismo
Catabolismo
Energía química
Anabolismo
Moléculas precursoras
• Aminoácidos• Azúcares• Ac grasos
• Bases nitrogenadas
Macromoléculas celulares
• Proteínas• Polisacáridos
• Lípidos• Ácidos nucleicos
Productos finales de baja energía
CO2H2ONH3
Nutrientes que contienen energía
CarbohidratosGrasas
Proteínas
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Catabolismo Anabolismo
� Biosíntesis� Requiere energía
� Fase de degradación� Liberación de energía
Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen e n una célula u organismo
� Cada reacción ocasiona un pequeño cambio químico es pecífico
� Un precursor se convierte en producto a través de i ntermediarios: metabolitos
� Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas
CaracterCaracteríísticassticas
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� Células y organismos vivos son sistemas abiertos qu e intercambian materiales y energía con su entorno.
Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilizac ión de la energía en los sistemas biológicos.La única energía que pueden utilizar las células es la energía libre ���� Energía libre de Gibbs (G)
� Utilizan la energía para la producción de un trabaj o biológico.
� Aprovechan la energía:
� A partir de la energía solar
� A partir de componentes químicos de su entorno (nutrientes)
� Biosíntesis (anabolismo)
� Trabajo mecánico (contracción muscular)
� Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente)
� Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso)
BioenergBioenergééticatica
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� Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes d e la termodinámica
� Principio de conservación de la energía
� Aumento natural del desorden
Entalpía (H): contenido calórico del sistema
∆∆∆∆H > 0 Reacción endotérmica (absorbe calor)
∆∆∆∆H < 0 Reacción exotérmica (libera calor)
Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema
∆∆∆∆S > 0 Aumenta entropía en el sistema
Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes
∆∆∆∆S < 0 Disminuye entropía en el sistema
∆G = ∆H - T ∆S
BioenergBioenergééticatica
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∆∆∆∆G > 0 Reacción endergónica, consume energía
Cantidad de energía capaz de realizar trabajo duran te 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)
∆∆∆∆G = 0 Proceso en equilibrio
∆∆∆∆G < 0 Reacción exergónica, genera energía (espontánea)
� Predice si una reacción es factible o no∆∆∆∆G = GP - GR
ReactivosGR
ProductosGP
EnergEnergíía libre de a libre de GibbsGibbs
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Bioenergética
A + B C + D
Keq =[C]eq [D]eq
[A] eq [B] eq
∆∆∆∆G = - RT ln K eq∆∆∆∆G = 0
� En condiciones estándar:
� En condiciones fisiológicas:
∆∆∆∆Go
∆∆∆∆G´
∆∆∆∆G´ es una forma de expresar la constante de equilibrio , característica de cada reacción bioquímica
∆∆∆∆G´ = - RT ln K´ eq
25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M
pH = 7
RelaciRelacióón entre n entre ∆∆G y K de equilibrioG y K de equilibrio
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Bioenergética
∆∆∆∆Go = 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
∆∆∆∆Go = - RT ln K eq
[C] [D]
[A] [B]∆∆∆∆G = ∆∆∆∆Go + RT ln
� Si la reacción está en el equilibrio ∆∆∆∆G = 0
0 = ∆∆∆∆Go + RT ln[C]eq [D]eq
[A] eq [B] eq
RelaciRelacióón entre n entre ∆∆GGºº y y ∆∆GG
� Si la reacción es en condiciones fisiológicas ∆∆∆∆Go’ = - RT ln K’ eq
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K´eq < 1 ∆∆∆∆Go´ (+) R P
K´eq = 1 ∆∆∆∆Go´ (0) R P
K´eq > 1 ∆∆∆∆Go´ (-) R P
∆∆∆∆Go´ = - RT ln K´ eq
RelaciRelacióón entre n entre ∆∆GG’º’º y y KK’’eqeq
equilibrio
espontánea
endergónica
Tabla que recoge algunas relaciones entre los valores de las variaciones de energía libre y las K de equilibrio de las reacciones
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A B C D∆∆∆∆Go´1 ∆∆∆∆Go´2 ∆∆∆∆Go´3
Las ∆∆∆∆Go´ de reacciones secuenciales son aditivas
A D ∆∆∆∆Go´TOTAL = ∆∆∆∆Go´1 + ∆∆∆∆Go´2 + ∆∆∆∆Go´3
� Las reacciones exergónicas espontáneas se acoplan a reacciones endergónicas para que éstas tengan lugar
A B
C D
Exergónica∆∆∆∆Go´1 < 0
Endergónica∆∆∆∆Go´2 > 0
∆∆∆∆Go´TOTAL = ∆∆∆∆Go´1 + ∆∆∆∆Go´2 ∆∆∆∆Go´T < 0
Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas
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ATP ADP
Glucosa Glucosa 6-P
∆G´o2 = -30,5 kJ/mol
∆G´o1 = 13,8 kJ/mol
∆G´oTOTAL = ∆G´o
1 + ∆G´o2 = 13,8 + (-30,5) = -16, 7 kJ/mol
Glucosa + Pi Glucosa 6-P + H 2O
ATP + H2O ADP + Pi
Glucosa + ATP Glucosa 6-P + ADP
Reacción global exergónica
Ejemplo de Acoplamiento energEjemplo de Acoplamiento energééticotico
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� El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exe rgónicas estámediado por intermediarios de alta energía
� Los compuestos ricos en energía:
� Liberan la energía mediante hidrólisis y transferen cia de grupo (rotura enlace rico en energía ~)
� Son aquellos que ceden una energía > 25 kJ/mol (pote ncial 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 hidr ólisis del enlace de alta energía.
� Transfieren la energía en una sola reacción
� Grupos transferidos: Fosfato Acilos
Compuestos ricos en energCompuestos ricos en energíía ya yPotencial de transferencia de Potencial de transferencia de ̴̴̴̴PP
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5´-Adenosina trifosfato
� Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía
ATP: 5’-Adenosina trifosfato :
Adenina
Ribosa
Enlace fosfoéster
Enlacefosfoanhidro
ATPATP
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ATP + H2O ADP + Pi
∆∆∆∆G´o = -30,5 kJ/mol
� En células ∆∆∆∆Go´ ≠ ∆∆∆∆G´
� [ATP], [ADP] y [Pi] ≠ 1M
Concentración nucleótidos de guanina y Pien algunas células
[ADP] [Pi]
[ATP]∆G´ = ∆Go´ + RT ln
[2,5x10-4] [1,65x10-3]
[2,25x10-3]∆G´ = -30,5 + RT ln
∆∆∆∆G´ = -51,8 kJ/mol
ATPATP
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∆∆∆∆G´o = -49,3 kJ/mol1,3-Bisfosfoglicerato 3-Fosfoglicerato + Pi
∆∆∆∆G´o = -43 kJ/molFosfocreatina Creatina + Pi
� Flujo de grupos P
Dadores de P de alta energía ATP Aceptores de P de baja energí a
Fosfoenolpiruvato
1,3-Bisfosfoglicerato
Fosfocreatina
Glucosa-6-fosfato
Glicerol-3-fosfato
∆∆ ∆∆G´o
de h
idró
lisis
(kJ
/mol
)
Compuestos Fosfato de alta energía
Compuestos Fosfato de baja energía
ATP
Otros metabolitos ricos en energOtros metabolitos ricos en energííaa
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Valores de energValores de energíía libre esta libre estáándar de la hidrndar de la hidróólisis lisis de algunos compuestos biolde algunos compuestos biolóógicos de intergicos de interééss
Fosfoenolpiruvato (PEP)1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG)
Fosfocreatina