BIOENERGETICA Estudio de los cambios energéticos que

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
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-
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
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5.) Transformación de la energía de la luz a energía química
formación de enlaces covalentes
hν
CO2 + H2O
glucosa + O2
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
∆Go
cambio de energía libre estandard, conc. de reactantes 1M
∆Go´
cambio de energía libre estandard a pH 7.0
9.) 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
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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
A e+
donador de e-
oxidación
B
aceptor de e-
reducción
Aox
oxidado
4HC
+
Bereducido
CO2 + H2O
oxidado
reducido
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 CO2 y H2O,
donde dejaron electrones y por lo tanto están altamente oxidadas.
H
ox.
H C H
H
H
ox. H
ox.
H C OH
C=O
H
H
metano
metanol
más reducido
mayor cantidad de e-
formaldehido
CH4
ácido formico
O
C
O
CO2
más oxidado
CH4
red.
ox.
e-
E
CO2+H2
O
ox.
H C
OH
agregar e(agregar H) reducir
C
remover e(agregar O)
oxidar
CO2
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- La forma energéticamente más estable de C es CO2 y de H como H2O.
- A pesar que CO2 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 CO2 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
ox.
CO2
C
red.
ATP
CO2
ATP + H2O
ADP
+ Pi
ATP + H2O
AMP +
PPi
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-
-
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
Energía
de la luz
Reacciones
exergonicos
en la célula
contracción
muscular
síntesis de
nuevo material
para la célula
plantas
verdes
ATP
trabajo
osmótico
Producción de luz
bioluminiscencia
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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
ox.
NAD
NADH,
Are
Aox
FAD
ox.
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
NAD+
NADH,H+
NAD+
lactato
acetyl-Co-A
TCA
CO2
NADH,H+
cadena respiratoria
O2
NAD+
H2O
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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
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