Química Biológica - Otoño 2024 - Módulo 1 - PDF

QUÍMICA BIOLÓGICA Otoño 2024 Módulo 1 Fundamentos de la Bioquímica y Bioenergética Parte 2 Dra. Cintia Amaral Montesino  Ciencia que describe y relaciona las propiedades...

QUÍMICA BIOLÓGICA Otoño 2024 Módulo 1 Fundamentos de la Bioquímica y Bioenergética Parte 2 Dra. Cintia Amaral Montesino  Ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia y sus intercambios de energía (del griego : therme, calor y dynamis (fuerza o poder) Sus principios se utilizan para evaluar el flujo y los intercambios de materia y Energía La vida obedece las leyes de la Termodinámica  Bioenergética Rama de la Termodinámica Estudia las transformaciones energéticas que ocurren en los seres vivos. Trata las diferencias energéticas entre los estados final e inicial de los procesos o reacciones bioquímicas en el metabolismo Metabolismo: Conjunto de reacciones catalizadas por enzimas que ocurren en un organismo vivo o célula Entalpía, Entropía, Energía Libre (Funciones de estado)  Energía: Capacidad de producir cambio y se mide por la cantidad de trabajo realizado durante este período de cambio No se define en términos de tamaño, forma y masa Existe en numerosas formas Energía potencial, de combustión, química Energía potencial: Energía combustión Cantidad de trabajo que se puede realizar al liberar la energía almacenada en un Energía contenida en los lugar. enlaces de Carbono de los combustibles en un proceso de combustión (oxidación) La célula transforma la energía química de los nutrientes en trabajo celular Reacciones químicas no favorables o espontáneas Transporte de membranas Reacciones que generen orden Crecimiento y división celular  Leyes de la Termodinámica: La cantidad total de la Energía del Universo es constante. La Energía no se Primera ley: crea ni se destruye solo puede transformarse de una forma a la otra. El desorden del Universo aumenta Segunda Ley: siempre.Los procesos físicos y químicos naturales se producen de manera espontánea solo cuando incrementan el desorden del universo Tercera Ley: Al acercarse la temperatura de un cristal sòlido perfecto al cero absoluto (0 K) el desorden se aproxima a cero Los organismos transforman energía y materia de su entorno para realizar las reacciones químicas Sistema: Toda parte del universo o materia que es objeto de estudio (organismo completo, una célula, reacción química) Entorno: Es el resto del universo que rodea al sistema Universo: Conjunto formado por el sistema y el entorno Tipos de Sistemas:  Tipos de Sistemas: -Abierto: La materia y Energía se intercambian entre el sistema y sus alrededores, sus fronteras permiten el intercambio de calor y masa (ser humano- epitelios (piel, pulmón, intestino) -Cerrado: Solo intercambia energía con el entorno permite el flujo de calor pero no de masa -Aislados: No pueden intercambiar materia o energía con su entorno, no hay efectos observables en el exterior  Los organismos vivos no están aislados necesitan de la interacción con su entorno Las interacciones metabólicas en los seres vivos y su comunicación con el exterior permiten mantener su homeostasis. El organismo humano es un sistema termodinámico abierto y flexible, que requiere el intercambio de materia y energía con su entorno..  FUNCIONES DE ESTADO ENTALPÍA, ENTROPÍA, ENERGÍA LIBRE Función de estado o variable de estado: Magnitud física macroscópica que caracteriza al estado de un sistema en equilibrio Propiedades termodinámicas que solo dependen del estado del sistema. Es independiente de la forma en que el sistema alcanzó ese estado. Ej: Entalpía, de entropía y de energía libre Las funciones termodinámicas cuyos valores varían dependiendo de la vía utilizada en el proceso, como el calor, y el trabajo, no son funciones de estado. Incremento= estado final – estado inicial  H- Entalpía o calor a presión constante: (del griego) enthalpein, calentarse Contenido de calor interno del sistema reaccionante a presión constante Refleja el número y tipo de enlaces que contiene una molécula H= E + PV, ΔH = ΔE El incremento de entalpía de un sistema ΔH expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es la cantidad de energía que el sistema intercambia con su entorno. La variación de Energía total de un sistema biológico es equivalente al calor producido o absorbido por el sistema (energía en forma de calor)  Cambios de Entalpía (calor) ΔH (-) o menor que cero: El proceso, la reacción libera calor al entorno y se denomina exotérmico ΔH (+): El proceso, la reacción absorbe calor del entorno y se denomina endotérmica ΔH=0 : El proceso es isotérmico. No se intercambia calor con el entorno Los cambios de entalpía no dicen nada de la velocidad de la reacción, solo del flujo de calor  ΔH = ΔH Productos - ΔH Reactivos ΔHf estándar: Se refiere a la entalpía estándar de formación por mol (25 grados, 1 atm, concentración de productos y reactivos) Hf estándar : Es la energía que se desprende o que se absorbe cuando se forma 1mol de 1 sustancia, bajo condiciones estándar a partir de sus elementos más estables Hf estándar prima- pH = 7  ENTROPÍA : Mide el grado de desorden o libertad de un sistema. En- trope (giro) Desorden tiende a ser espontáneo Regresar al orden requiere energía. (no-espontáneo)  Segunda Ley de la Termodinámica “ El desorden del universo aumenta siempre. Todos los proceso físicos o químicos se producen de manera espontánea solo cuando incrementa el desorden” Desorden relativo entre los Los seres vivos liberan componentes celulares y su calor debido a la ruptura entorno de enlaces y la acoplan a rutas metabólicas para generar orden  ENTROPÍA (S) Función que mide el grado de desorden o libertad de un sistema (Mayor Entropía – mayor desorden) Los procesos espontáneos se producen en la dirección que incrementa el desorden total del universo (el sistema y su entorno) La entropía aumenta en los procesos espontáneos ΔSuniv = ΔS sist + Δsent (en todo proceso real) Entra materia y energía a la célula, parte de la energía celular se utiliza para que ocurran reacciones químicas que generan moléculas ordenadas, otra parte se disipará en forma de calor aumentando la entropía del entorno y del universo Reacciones exotérmicas: aumenta la entropía del entorno por el desprendimiento de calor que se produce Reacciones endotérmicas: disminuye la entropía del entorno por el calor que se absorbe EN LOS SERES VIVOS EL AUMENTO DE ENTROPIA OCURRE EN SU ENTORNO  CAMBIOS DE ENTROPÍA (S) ΔSuniv = ΔS sist + Δsent (en todo proceso real) Δsuniv (+) : Proceso que aumenta el desorden del universo Δsuniv (-) : Proceso que no aumenta el desorden del universo Δsuniv =0 : No tiende a producirse ningún proceso. Los organismos que están en equilibrio con su entorno están muertos  ENERGÍA LIBRE DE GIBBS Verdadero criterio de espontaneidad ΔG = ΔH - TΔSsis (A temp y P cte) ΔH (-): Liberación de Energía durante la reacción ΔS (+): Incremento de la aleatoriedad o desorden del sistema. Si TΔSsis es suficientemente grande, ΔG será negativo y aumentará Δsuniv (reacción favorable) ΔSuniv = ΔS sist + Δsent  ENERGÍA LIBRE DE GIBBS Función más conveniente para predecir espontaneidad Depende de la relación entre Entalpía y Entropía ΔG (-) Proceso exergónico y espontáneo Disminuye Energía Libre Ocurre cuando ΔS (+) o muy grande – Proceso espontáneo ΔG (+) - Proceso endergónico y no espontáneo Aumenta Energía Libre ΔG = 0 - Proceso en equilibrio , no se produce ningún cambio de energía libre ΔG – No proporciona información sobre las velocidades de reacción Predicción del sentido ΔG =Gp-Gr de la reacción ΔGº (-) favorable Exergónico, espontáneo ΔGº (+) no favorable Endergónico, no espontáneo VARIACIONES DE LA ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR Energía Libre Estándar ΔGº : Está definida para reacciones a 25 ºC (298K) y a 1 atm de presión, Concentración de 1.0 M. El sentido de la reacción dependerá del contenido energético de las moléculas Se relaciona con la Constante de Equilibrio de la Reacción (Keq) Ecuación de Gibbs: R = (En reacciones en equilibrio ΔG=0) En reacciones bioquímicas, donde el pH=7, se establece con el signo (‘) en la ecuación Predicción del sentido de la reacción en la célula dependerá de las concentraciones de los reactivos y productos reales y del contenido energético de los mismos  Reacciones acopladas, secuenciales Son aquellas donde la energía libre de una reacción (exergónica) es utilizada para conducir/dirigir una segunda reacción (endergónica). Por lo tanto las reacciones acopladas representan reacciones liberadoras de energía acopladas a reacciones que requieren energía. ΔGº’global= ΔGº’ reacciòn1 + ΔGº’ reacciòn2 = 1.7 kJ/mol - 14.2 kJ/mol = -12.5 kJ/mol ΔGº’global= ΔGº’ reacción1 + ΔGº’ reacción2  ATP (Trifosfato de Adenosina): Es el puente energético entre el catabolismo y el anabolismo ATP: Moneda energética del metabolismo  NUCLEÓTIDOS: Cada nucleótido tiene 3 componentes: un azúcar: Ribosa o desoxirribosa, una base nitrogenada que puede ser púrica o pirimídica, y un radical fosfato que permite los enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos. Funciones de los nucleótidos -Actúan como transmisores de energía (ATP) -Actúan como señales químicas en las células en respuesta a hormonas y otros estímulos (AMPc) -Son componentes de coenzimas, intermediarios metabólicos (NAD, FAD, NADP) -Constituyentes de ácidos nucleicos Nucleósido  ATP Tiene un potencial de transferencia de grupos fosfatos medio Es un transportador intermediario de grupos Fosfatos de compuestos de energía elevada a compuestos de menor energía