Bioenergética GCMB 2007 PDF

BIOENERGETICA Nociones de sistemas termodinámicos abiertos. GCMB - 2007  Definición Disciplina que considera a los sistemas vivos como máquinas químicas capaces de trabajar en condiciones de temperatura, presión y v...

BIOENERGETICA Nociones de sistemas termodinámicos abiertos. GCMB - 2007  Definición Disciplina que considera a los sistemas vivos como máquinas químicas capaces de trabajar en condiciones de temperatura, presión y volúmenes constantes. Su propósito es estudiar los principios químicos, físicos y termodinámicos que regulan la dinámica del sistema de regulación del ATP, en la energética de las células vivas.  Características La bioenergética describe la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. Utiliza las ideas básicas de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre. Los cambios en la energía libre (ΔG) proveen una cuantificación de la factibilidad energética de una reacción química y pueden proveer de una predicción de si la reacción podrá suceder o no.  Sistemas Abierto: capaz de intercambiar materia y energía con su entorno (los organismos vivos captan nutrientes, liberan productos de desecho y generan trabajo y calor) Cerrado: capaz de intercambiar únicamente energía. Aislado: no es capaz de intercambiar con su entorno.  1º ley de la termodinámica Principio de conservación. La energía no se crea ni se destruye durante un proceso determinado, puede transformarse de una forma a otra. Ej: La energía química puede transformarse en energía térmica, radiante, eléctrica o mecánica. ΔE = Ei - Ef = Q – W (Ei = energía inicial, Ef = energía final, Q = calor absorbido, W = trabajo realizado)  Entalpía Es una cantidad que se emplea para describir los sistemas biológicos ya que: “bajo presión constante, la entalpía cambia entre los estados inicial y final de un proceso” H = E + (P × V) ΔH, es el calor medido que se genera o se absorbe. Así tenemos: ΔH = ΔE + (P × ΔV) = Qp – W + (P × ΔV) = Qp – W’  Entalpía Si W = 0, como habitualmente ocurre en las reacciones químicas: ΔH = Qp Además, ΔV es tan despreciable en los procesos biológicos, que: ΔH = ΔE  Utilidad Determinación de la ΔH resultante de la oxidación de 1 g de glucosa a CO2 y H2O. Realizar esta medición en forma directa es imposible, como resultado de las numerosas reacciones metabólicas que no intervienen en la oxidación de la glucosa. Podemos medirla con un calorímetro de presión constante en lugar de un músculo, y aún obtener el mismo resultado.  2º ley de la termodinámica Todos los sistemas termodinámicos tienden al equilibrio, es decir: Tienden a un estado de máxima entropía (ΔS) o desorden del sistema y de mínima energía libre (ΔG) o capacidad de realizar trabajo. La 2º ley de la termodinámica proporciona un criterio para determinar si un proceso es espontáneo.  Espontaneidad y desorden La 2º ley establece, que los procesos espontáneos se producen en direcciones que aumentan el desorden global de los sistemas. Para cualquier proceso con energía constante (ΔE = 0), un proceso espontáneo se caracteriza por ΔS > 0. Un sistema puede ordenarse a expensas del desorden de su entorno en una magnitud mayor aplicando energía al sistema. “Los organismos vivos mantienen un orden a partir del desorden de los nutrientes que consumen”  Energía Libre La espontaneidad de un proceso no puede conocerse a partir del conocimiento aislado de la entropía, ya que: Los procesos exotérmicos pueden ser espontáneos aunque su ΔS < 0 (tienden al orden), ejemplo: Muchas proteínas desnaturalizadas de manera espontánea asumirán su conformación nativa, altamente ordenada.  Energía libre de Gibbs Representa la porción del cambio de energía (ΔH) que está disponible. Capaz de realizar trabajo útil en condiciones de temperatura y presión constante a medida que el sistema tiende al equilibrio. La relación entre la variación de energía libre de un sistema reactante y la entropía, se define como: ΔG = ΔH - T ΔS Únicamente los procesos espontáneos son capaces de realizar trabajo.  Energía libre y trabajo El signo de ΔG está asociado con la espontaneidad de un proceso. ΔG = 0; proceso en equilibrio (no realiza trabajo) ΔG = +; proceso no espontáneo; endergónico (se realiza trabajo sobre él) ΔG = -; proceso espontáneo ; exergónico (capaz de realizar trabajo)  Energía Libre estándar ΔGº La energía libre estándar (ΔGº) de una reacción, se define como la diferencia entre las sumas de las energías libres de los productos y la suma de las energías libres de los reactantes, a una temperatura de 25 ºC (298 ºK), a concentración 1M y a 1 atmósfera de presión. ΔGº = Gº prod. - Gº react. “ΔGº es una constante para cualquier reacción química, mientras que el ΔG varía con las concentraciones de los reactantes y productos.”  Energía Libre estándar ΔGº ΔG = ΔGº, cuando los reactantes y productos se presentan a concentración 1 M. Una reacción química se produce sólo cuando ΔG presenta signo (-), es decir, sí disminuye la energía libre del sistema. Si la ΔG es positiva, implica que la reacción química puede realizarse en el sentido en que se halla escrita, pero se encuentra desfavorecida termodinámicamente.  Flujo de Energía en la biosfera El esquema representa los principales procesos de fijación y utilización de energía por los seres vivos. Se aprecia que la fuente última de energía es el sol y que los organismos heterótrofos dependen de los organismos autótrofos para obtener energía.  Alta eficiencia - sistemas vivientes Todos los seres vivos son altamente eficientes para captar, transformar y utilizar energía. La eficiencia es de alrededor de 40%, la que se ejemplifica con la respiración celular, donde 1 mol de glucosa , cuyo ΔGº = - 686 Kcal / mol, produce entre 36 y 38 moles de ATP, lo que corresponde aproximadamente al 40% del ΔGº. Eficiencia mayor que la de cualquier máquina conocida.  Alta eficiencia - sistemas vivientes Esta alta eficiencia se explica por la existencia de: 1. Vías metabólicas constituidas por múltiples secuencias de reacciones catalizadas por enzimas y bajo estricta regulación. 2. Acoplamiento de reacciones catabólicas y anabólicas. 3. Compuestos fosforilados para la transferencia de energía.  Adenosin trifosfato (ATP) El ATP actúa de modo cíclico como un simple transportador de la energía química de las reacciones catabólicas del metabolismo. Las cuales proporcionan energía con el propósito de realizar el trabajo celular. El ATP se genera por condensación del ADP y Pi, a través, de reacciones de fosforilación ligadas o acopladas a expensas de la energía que se libera en la degradación de moléculas combustibles.  Adenosin trifosfato (ATP) El ATP, puede ceder su grupo fosfato terminal a moléculas aceptoras específicas, que son activadas energéticamente, permitiendo efectuar diversas funciones como: Transporte activo, biosíntesis, contracción muscular. La hidrólisis del ATP genera las moléculas de ADP y Pi, con la consecuente liberación de energía. El ADP se puede fosforilar por la oxidación del combustible celular, que libera energía, a fin de formar ATP.  Propiedades del ATP El ATP, ADP y AMP, se encuentran en los tejidos animales y vegetales a concentraciones que fluctúan, entre 2 a 10 mM. En células de metabolismo activo las concentraciones de ATP son superiores a las de ADP y AMP. A pH 7,0 el ATP y ADP son aniones (moléculas con carga negativa)  Propiedades del ATP El ATP presenta 4 protones ionizables en sus grupos P condensados, mientras que, el ADP presenta 3 protones ionizables. Tres de los 4 H+ del ATP se hallan totalmente ionizados a pH 7,0. El cuarto H+ presenta un pK = 6,95 y por lo tanto disociado en un 50% a pH 7,0.  Propiedades del ATP En células intactas el ATP y ADP se hallan como complejos 1:1 con magnesio. Ej: MgATP-2 y MgADP-. Consecuencia de la afinidad de los grupos PPi por los cationes bivalentes. En la mayor parte de las reacciones enzimáticas, donde el ATP es el dador de fosfato, su forma activa es el complejo MgATP-2. Estructura del ATP  Transferencia energética entre compuestos fosforilados La ubicación del ATP en la escala, le permite actuar como conductor de energía entre donadores de fosfatos de “alta energía” y receptores de fosfato de “baja energía”. Transferencia energética GRACIAS…