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TERMODINAMICA Y BIOENERGÉTICA

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La bioenergética es el estudio de las transformaciones de energía que tienen lugar en la célula, y de la naturaleza y función de los procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la termodinámica

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Organismos Autótrofos: Son aquellos que pueden utilizar el CO2 como fuente de carbono (bacterias, vegetales)

Organismos Heterótrofos: obtienen carbono de moléculas orgánicas complejas.

(animales, microorganismos)

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Metabolismo: es la suma de todas las reacciones químicas que ocurren en la célula. Tiene lugar en una serie de reacciones catalizadas, llamadas “rutas metabólicas”.

Catabolismo: es la fase degradadora. Las moléculas nutrientes se convierten en otras mas pequeñas y simples.

Anabolismo: moléculas pequeñas reaccionan para convertirse en otras mas grandes y complejas.

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Las células necesitan de energía para poder realizar sus actividades de desarrollo, crecimiento, renovación de sus estructuras, síntesis de moléculas, etc.

La energía química que utiliza una célula animal para realizar trabajo proviene principalmente de la oxidación de sustancias incorporadas como alimentos. (carbohidratos, grasas)

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Al producirse una transformación química, generalmente se rompen enlaces y el contenido de energía de las moléculas aumenta o disminuye. (DG aumenta o disminuye)

La “moneda” de intercambio de Energía en los procesos biológicos es el ATP

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Las oxidaciones se efectúan por adición de O, por pérdida de H o por otra reacción que resulte en la pérdida de electrones.

La reducción, por el contrario, implica ganancia de electrones.

NADH y FADH2 son los principales transportadores de electrones, ya que sufren oxidaciones y/o reducciones reversibles.

Sus reducciones, permiten la conservación de la Energía Libre que se produce en la oxidación de los sustratos

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EQULIBRIO QUÍMICO

A + B C + D1

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Reacción directa (1): V1= k1[A][B]

Reacción inversa (2): V2 = k2 [C][D]

En el EQUILIBRIO: V1 = V2

K1[A][B] = K2 [C][D]

Reordenando: K1/K2 = [C][D]/[A][B]

ESTO ES : Keq = [C][D]/[A][B]11

Keq = [C][D]/[A][B]

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Para cada reacción química, el valor de la Keq es característico a una Tº dada.

Si Keq >1, la reacción se encuentra desplazada hacia

Si Keq <1, la reacción se encuentra desplazada hacia

si Keq =1, la reacción se encuentra en Equilibrio y no hay desplazamiento neto.

DEFINICIONES

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ENERGÍA: Es la “capacidad para producir un trabajo”.

SISTEMA: “ toda porción del universo que se somete a estudio”

MEDIO: “es lo que rodea al sistema”

UNIVERSO = SISTEMA + MEDIO

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PROCESO EXOTÉRMICO: es aquel que transcurre con liberación de calor al medio.

PROCESO ENDOTÉRMICO: el que transcurre tomando calor del medio.

PROCESO EXERGÓNICO: libera energía. (ESPONTANEO)

PROCESO ENDERGÓNICO: absorbe energía. (NO ESPONTANEO)

DEFINICIONES

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ENTALPÍA ( )DH : es la energía en forma de calor, liberada o consumida en un sistema a ,T y P constantes.

ENTROPÍA (DS): energía no degradada, no utilizada para realizar trabajo.

ENERGÍA LIBRE (DG): energía disponible para realizar trabajo. Es Energía contenida en las moléculas. Representa la energía intercambiada en una reacción química

PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA

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PRIMER PRINCIPIO:“ LA ENERGÍA TOTAL DEL UNIVERSO

PERMANECE CONSTANTE”Equivale a decir: la energía del universo no se

crea ni se destruye, permanece invariante. Solo se transforma.

SEGUNDO PRINCIPIO:“ LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO

AUMENTA”Equivale a decir que el grado de desorden en el

universo aumenta.

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICASMedir el contenido de energía de un

sistema es muy difícil, generalmente medimos el cambio de energía entre dos estados.

La variación de energía (DG) para ir de A hacia B es:

DGBA = GB - GA

Para ir de B hacia A:DGAB = GA – GB = - DGBA

Matemáticamente:DG = DH -TDS

A B1

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CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

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Las reacciones cuya DG es positivo no transcurren espontáneamente.

Las reacciones cuyo DG es negativo son las que se producen espontáneamente.

Si DG = 0 la reacción se encuentra en equilibrio químico.

Hay una relación entre DG y la constante de equilibrio:

DG = DGº + RT ln [productos]/[reactivos]

Si DG = 0 (en el equilibrio): DGº = -RT ln Keq

CAMBIOS DE ENERGÍA LIBRE EN LAS REACCIONES QUÍMICAS

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DGº es la variación de Energía Libre en condiciones estándar (Tº= 298ºK, [ ] = 1M, P = 1atm)

DGº’ es la variación de energía libre estándar a un pH próximo al fisiológico (pH = 7)

R = 1,987 cal/mol grado

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COMPUESTOS DE ALTA ENERGÍA

ATP

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Es el compuesto de alta energía de mayor importancia en la célula.

El ATP a pH fisiológico se encuentra como ATP4-. Las 4 cargas negativas se encuentran próximas y originan tensiones intramoleculares que desaparecen al hidrolizarse en ADP+Pi o AMP+PPi.

Además los productos de la hidrólisis se solvatan mejor y se estabilizan por resonancia contribuyendo a disminuir DG y desplazando la reacción hacia

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Desde el punto de vista energético, una reacción con un DG positivo no podría ocurrir a no ser que exista un aporte de energía que la haga posible.

Dicho aporte, lo proveen compuestos de alto contenido energético, que se caracterizan por tener enlaces que al romperse liberan una alta cantidad de energía. Este proceso se llama acoplamiento.

MOLECULAS DE ALTA ENERGIA : ATP, Acetil-CoA, Creatina Fosfato, Fosfoenol Piruvato, por ejemplo.

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REACCIONES ENERGÉTICAMENTE ACOPLADAS

nombre DGº’(kcal/mol)

ATP ADP + P -7,3

ADP AMP + P -7,7

AMP adenosina + P -3,4

Una reacción altamente exergónica puede hacer que otra endergónica ocurra si ambas se acoplan.

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ATP + H2O ADP + Pi

GLUCOSA + Pi GLUCOSA-6-P + H2O

energia

Gº'= -7,3 kcal/mol

Gº'= +3,3 kcal/mol

GLUCOSA + ATP GLUCOSA-6-P + ADP Gº'= -7,3 + 3,3 = -4,0 kcal/mol

+

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A B DGºab B C DGºbc

A C Dgºac

DGºac = DGab + DGbc

“Los valores de DGº de reacciones secuenciales son aditivos”

Este principio explica por que una reacción termodinámicamente desfavorable puede ocurrir, si se acopla a otra reacción que sea exergónica, a través de un intermediario común

ACTIVACION

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Es la unión de moléculas biológicas de modo tal que, la ruptura de ese enlace químico formado, tiene un DG <0

EJEMPLOS:1) A + COENZIMA A-COENZIMAA-COENZIMA + B AB + COENZIMA DG<0

2)FOSFORILACION

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Estructura química de la Acetil CoA. El grupo acetilo aparece a la izquierda de la figura, unido al azufre (S)

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La Coenzima A es un transportador de grupos acilo.

Al grupo sulfhidrilo terminal, se unen los grupos acilo mediante un enlace tioester.

La hidrólisis de un tioester es muy favorable termodinámicamente, lo que hace que esta molécula tenga un alto potencial de transferencia de grupos acilo.

La CoA es un “transportador de acilos activado” igual que el ATP es “un transportador de P activado”.

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Bibliografía

Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition. David L. Nelson and Michael M. Cox