BIOENERGÉTICA BIOENERGÉTICA Es el análisis cuantitativo de la forma en que los organismos adquieren y utilizan la energía. Las transformaciones de la energía en las células obedecen las leyes de la termodinámica termodinámica. 1. Conservación de la energía: La energía puede cambiar de forma, pero no puede ser creada ni destruida. 2 Entropía: En el universo 2. siempre se tiende a incrementar el desorden. En todo proceso natural la entropía tiende a aumentar. 1.- PARÁMETROS TERMODINÁMICOS a) ENTALPÍA (H) Expresa el calor absorbido o liberado en una reacción química. ΔH = Hproductos – Hsustratos ΔH negativo → Exotérmica ΔH positivo → Endotérmica b) ENTROPÍA (S) Expresa el grado de desorden de una reacción química. ΔS = Sproductos – Ssustratos ΔS positivo → Espontánea ΔS negativo → No espontánea c) ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (G) Expresa la cantidad de energía necesaria para realizar trabajo. (P y T cte) t ) ΔG = Gproductos – Gsustratos ΔG negativo → Exergónica ΔG positivo → Endergónica Ecuación de GibbsGibbs-Helmholtz: Helmholtz: ΔG = ΔH – T ΔS 2.- CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES ΔG negativo EXERGÓNICA Ó Reacciones que ocurren espontáneamente. tá t Liberan energía. ΔG positivo ENDERGÓNICA Reacciones que no ocurren espontáneamente Requieren energía para ocurrir. SERES VIVOS Máquinas químicas que operan aTyP constantes Sistemas termodinámicos abiertos en estado estacionario 3 - DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA LIBRE 3. a) Energía libre estándar y constante de equilibrio ΔGº Gº = -R R T lnK l Keq R = constante de los gases 8.31 J/mol K T = temperatura en K (298 K = 25 ºC) Keq = constante de equilibrio en condiciones biológicas (pH = 7.0) Keq Ln Keq ∆G° Comentario >1 Positivo Negativo La formación de los productos se ve favorecida en el equilibrio. =1 Cero Cero La formación de los productos y reactantes es igualmente favorecida al alcanzar el equilibrio. <1 Negativo Positivo La formación de reactantes se ve favorecida en el equilibrio. Ejemplo: isomerización de la glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato, reacción eacc ó ca catalizada a ada po por la ae enzima a fosfoglucomutasa: os og uco u asa GLUCOSA 1 P ÅÆ GLUCOSA-6-P GLUCOSA-1-P GLUCOSA 6 P Cuando se alcanza la condición de equilibrio la concentración de glucosa-1-fosfato es 0.001M y la concentración de glucosa-6-fosfato es 0.019M, a 25°C y pH 7. Con estos valores se determina la constante de equilibrio Keq. Keq = G6P/G1P = 19 A partir de este valor se puede calcular ∆G° ΔG° = -RTLnKeq = -(8.31 J/mol K)(298K)(Ln19) = -7.3 KJ/mol EXERGONICA b) Energía libre estándar de formación ΔGº = ∑∆G° productos - ∑∆G° reactantes Tabla: Energías lib libres estándar tá d de d formación en disoluciones acuosas 1M a pH7 y 25°C Sustancia ∆Gº formación Kcal/mol Acetato -88,99 , Alanina -88,75 Aspartato -166,99 Bicarbonato -140 140,33 33 Dioxido de carbono -94,45 Fumarato -144,41 Glucosa -219,22 219 22 Lactato -123,76 Malato -201,98 Piruvato -113,44 113 44 Sucinato -164,97 Agua (líquida) -56,69 Ejemplo: Ej l se determinará d i á ell ∆G° G° para la l siguiente i i reacción, utilizando los datos de la tabla anterior. anterior fumarato + agua ↔ malato ∆G° = ∑∆G° productos d t - ∑∆G° reactantes t t ∆G° = -201,98 – (-144,41 + - 56,69) ∆G°= G° -0,88 Kcal/mol / c) Energía libre estándar y potenciales estándar de reducción Reacción redox dador de electrones aceptor de electrones Los electrones se pueden transferir mediante: 1 Directamente como electrones 1.electrones. Ej: el par redox Fe+3 / Fe+2 puede transferir un electrón al par redox Cu+1 / Cu +2 . 2.- Se pueden transferir en forma de átomos de hidrógeno. Ej: AH2 ↔ A + 2e- + 2H+ (FADH2) 3.- Pueden ser transferidos de un dador electrónico a un aceptor en forma de hidruro que incluye a dos electrones. Ej: NAD+ 4.- Finalmente como una combinación directa de un reductor orgánico con oxígeno. Ej: oxidación de un hidrocarburo a alcohol. POTENCIAL ESTANDAR DE REDUCCION (Eº) Medida (en volts) de la afinidad que tiene por los electrones, el aceptor de los electrones. L Luego: ΔGº = -n F ∆E° donde: n= número de electrones transferidos F= constante de Faraday (96,48 KJ/ v mol) ∆E° = diferencia de potencial de reducción Ejemplo: Ej l d determinar t i ∆Gº para la ∆Gº, l reacción ió en lla cuall ell acetaldehido es reducido por el transportador electrónico NADH acetaldehido + NADH + H+ ↔ etanol + NAD+ Las semireacciones pertinentes y sus valores de E° son: Acetaldehido + 2H+ + 2e- ↔ etanol NAD+ + H+ + 2e 2 - ↔ NADH E° = -0,20 v E° = -0,32 0 32 v La reacción global tiene un ∆E° ∆E = + 0,12 0 12 voltios y n =2 Por lo tanto ∆G° = -n F ∆E° = - 2 * 96,5 * 0,12 = - 23,7 KJ / mol Cuando C d llas concentraciones t i de d las l especies i reaccionantes i t no son 1M, se tendrá: ΔG = -n F ∆E Donde E estará dado por: E=E Eº + RT Ln [aceptor electrón] nF [dador electrón] R = constante de los gases (8.31 J/mol*K) T = temperatura ºK (298 ºK) n = Número de electrones transferidos. F = constante de faraday (96.480 J/V*mol) Luego: E = Eº + 0.026 Ln [[aceptor p electrón]] n [dador electrón] Ejemplo: Determinar el ∆G, de la reacción anterior cuando las concentraciones del acetaldehido y NADH son 1M y las del etanol y el NAD+ son 0,1 M COMO HACEN LOS SERES VIVOS PARA LLEVAR A CABO REACCIONES ANABÓLICAS Y PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGÍA A TRAVES DE REACCIONES ACOPLADAS Elementos 1 Una reacción que libera energía 2 Una reacción que requiera energía 3 Un intermediario común PARA QUE DOS REACCIONES PUEDAN ACOPLARSE ES NECESARIO QUE TENGAN UN INTERMEDIARIO COMUN Ejemplo:Fosforilación de la glucosa acoplada a la hidrólisis del ATP REACCION 1 REACCION CC ON 2 ATP Glucosa G ucos + fosfato os o ATP + glucosa Elementos ADP + fosfato f f t ΔGº´(kJ mol-1) -30,9 30 9 Glucosa-6-P G ucos +16,7 ,7 Glucosa-6-P + ADP -14,2 Una reacción que libere energía ( ΔG<O) Una reacción que requiera energía (ΔG>O) Un intermediario común fosfato REACCION 1 REACCION 2 REACCIONES ACOPLADAS REACCIONES REACCIONES EXERGONICAS ENDERGONICAS (Liberan energía libre) (Requieren energía libre) ATP TRANSPORTADOR DE ENERGIA DESDE LOS PROCESOS CELULARES PRODUCTORES DE ENERGIA A LOS PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGIA COMPUESTOS CON ENLACES FOSFATOS DE GRAN ENERGIA HIDRÓLISIS DE ACETIL CO-A NADH / NAD+ FADH2 / FADH+ / FAD