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Teórico-Práctico N°1 BIOENERGÉTICA Cátedra de Química Biológica II Año 2021 Facultad de Cs. Veterinarias Universidad Nacional de Rosario BIOENERGÉTICA Estudia las transformaciones de energía que tienen lugar en las células vivas BIOENERGÉTICA Estudia las transformaciones de energía que tienen lugar en las células vivas Para mantener su organización los sistemas vivos requieren energía El sol es la fuente original de esta energía Al oxidar nutrientes, se convierte la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía ENERGÍA SOLAR Células AUTÓTROFAS Productoras de moléculas RICAS en ENERGÍA Células HETERÓTROFAS Consumidoras de moléculas RICAS en ENERGÍA • CO2 • H2O • Moléculas ricas en energía • O2 METABOLISMO Conjunto de transformaciones de materia y de intercambios de energía que ocurren en el ser vivo. Tiene dos fases: CATABOLISMO Degradación de moléculas complejas Moléculas Moléculas complejas simples ANABOLISMO Síntesis de materia viva y de sustancias de reserva Moléculas Moléculas simples complejas ENERGÍA ENERGÍA SISTEMA: parte del universo que tomamos en consideración SISTEMAS AISLADOS NO intercambian materia ni energía con el medioambiente (entorno) que los rodea SISTEMAS CERRADOS intercambian energía pero NO materia SISTEMAS ABIERTOS intercambian energía y materia ENERGÍA ENERGÍA MATERIA SISTEMA ENTORNO UNIVERSO Ejemplo: planeta Tierra Ejemplo: célulaEjemplo: termo cerrado (aislado temporario) Termodinámica: es el estudio de los cambios y flujos de energía Se puede describir la transición de un estado a otro para un sistema dado, en términos de las funciones termodinámicas de estado: ✓ENERGÍA INTERNA (E) expresa la energía total del sistema (E. cinética y E. potencial) ✓ENTALPÍA (H) representa el contenido de calor dentro del sistema ✓ENTROPÍA (S) se refiere al grado de desorden del sistema ✓ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (G) equivale a la energía disponible que se puede convertir en trabajo. ES LA MÁS ÚTIL PARA PREDECIR SI UNA REACCIÓN PUEDE LLEVARSE A CABO EN UNA CÉLULA. Las funciones de estado dependen del estado inicial y final del sistema, y no del camino seguido para alcanzar ese estado, por ejemplo: Las funciones de estado se definen mejor como la variación entre el estado final y el inicial. Se representa como D (delta significa variación) D= estado final – estado inicial DE, DH, DS, DG Estado A T= 20°C Estado C T= 100°C Estado D T= 40°C Estado B T=80°C Las transformaciones biológicas de la energía siguen las leyes de la termodinámica 1° Ley de la Termodinámica PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA del universo. LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SE TRANSFORMA 2° Ley de la Termodinámica EN TODOS LOS PROCESOS NATURALES, LA ENTROPÍA DEL UNIVERSO AUMENTA LAS DOS FUNCIONES ENTALPÍA Y ENTROPÍA SE RELACIONAN MEDIANTE LA SIGUIENTE EXPRESIÓN, a Temperatura y Presión constantes: DG = DH – T.DS 1 caloría (cal) = 4,18 Joule (J) Siempre que una reacción química transcurre de manera que aumenta el número de moléculas, hay un aumento en el desorden molecular, y en la entropía C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O ESTADO INICIAL 7 moléculas ESTADO FINAL 12 moléculas AUMENTA LA ENTROPÍA La 2° Ley afirma que la entropía del universo aumenta durante todos los procesos naturales, pero no exige que el incremento de entropía tenga lugar en el sistema: los organismos vivos conservan su orden interno tomando energía libre de su entorno (nutrientes o luz solar) y devuelven al entorno una cantidad igual de energía en forma de calor y entropía. Los seres vivos consiguen mantener BAJA ENTROPÍA Incorporan ENERGÍA (nutrientes) Expulsan MOLÉCULAS y CALOR (desechos) Aumentan la entropía del ENTORNO Pausa La Variación de Energía Libre (DG) mide la capacidad de un sistema para entregar energía Permite predecir el sentido de una reacción química, pero no la velocidad Permite saber si un proceso es espontáneo o no DG = G final – G inicial DG < 0 Reacción ESPONTÁNEA (EXERGÓNICA) DG >0 Reacción NO ESPONTÁNEA (ENDERGÓNICA) DG = 0 Reacción EN EQUILIBRIO (menor que cero) (mayor que cero) DG°: variación de Energía Libre en condiciones estándar de laboratorio (concentraciones 1 M; T: 25°C (298°K); presión 1 atm; pH: 0 ) DG°’: variación de Energía Libre en condiciones estándar en los organismos biológicos (corregida a pH: 7 ) DG° = - 2,3.R.T. log Keq DG = DG° + 2,3.R.T. log Q DG° = estándar DG = real R: constante de los gases: 8,3 J/mol.°K= 0,002 kcal/mol.°K T: Temperatura en grados Kelvin → (T en °C + 273)= °K Condiciones estándard Condiciones no estándar (condiciones reales) Q= [Productos] [Reactivos] Keq= [Productos] eq [Reactivos] eq IMPORTANTE DG° = - 2,3.R.T. log Keq DG = DG° + 2,3.R.T. log Q DG° = estándar DG = real R: constante de los gases: 8,3 J/mol.°K= 0,002 kcal/mol.°K T: Temperatura en grados Kelvin → (T en °C + 273)= °K Condiciones estándard Condiciones no estándar (condiciones reales) Q= [Productos] [Reactivos] Keq= [Productos] eq [Reactivos] eq Reactivos Productos Kequilibrio DG° Dirección de la reacción Mayor que 1 NEGATIVA hacia productos 1 CERO EQUILIBRIO Menor que 1 POSITIVA hacia reactivos (espontánea) (no espontánea) ENLACES FOSFOANHIDRIDO (liberan energía cuando se rompen) ENLACE FOSFOÉSTER MOLÉCULAS RICAS EN ENERGÍA ATP (ADENOSINA TRIFOSFATO) La hidrólisis de ATP a ADP + Pi libera 7,3 kcal/mol de ATP (DG°= - 7,3 kcal/mol) REACCIONES ACOPLADAS Reacción 1 A + B → C + D Reacción 2 D + E → F + G Reacción total DG1° = - 8 kcal/mol DG2° = +3 kcal/mol DGT° = DG1° + DG2° = (-8 + 3) kcal/molA + B + E → C + F + G El proceso global es espontáneo (DGT° <0) DGT° = - 5 kcal/mol La reacción 1 tiene un DG1° negativo, quiere decir que libera energía, mientras que la reacción 2, tiene un DG2° positivo, significa que consume energía y no es espontánea, y por lo tanto, no ocurrirá. En este caso, entonces, la célula “acopla” ambas reacciones, de manera que, la Reacción 1 genera energía e impulsa a la reacción 2 para que ocurra. De esta manera, sumando ambas reacciones, y sumando sus valores de DGT° se obtiene una reacción global que sí se podrá llevar a cabo. SINTESIS DE ATP •FOSFORILACIÓN OXIDATIVA • FOTOFOSFORILACIÓN •FOSFORILACION A NIVEL DE SUSTRATO (GLUCÓLISIS, CICLO DE KREBS) Para usar el ATP en la SÍNTESIS de: -Proteínas -Lípidos -Hidratos de C -ADN, ARN •TRANSPORTE DE IONES •CONTRACCIÓN MUSCULAR UTILIZACIÓN DEL ATP ADP + Pi ATP Los nucleótidos de guanina como el GTP (guanosina trifosfato) poseen enlaces fosfoanhidrido de alta energía igual que el ATP • BIBLIOGRAFÍA • Lehninger, A.; Nelson, D.; Cox, M. “Principios de Bioquímica”. Ed. Omega, 2° edición.(disponible en pdf) • Blanco, A. “Química Biológica”. Ed. El Ateneo 6° edición. (disponible en pdf) • Melo Ruiz, V.; Cuamatzi Tapia, O. “Bioquímica de los Procesos Metabólicos”. Ed. Reverté, 2° edición • Smith,C.A. y Wood, E.J.; “Energía en los sistemas biológicos” Resolver 1) La enzima fosfohexosaisomerasa cataliza la reacción de conversión entre fructosa-6-P y glucosa-6-P Fru-6-P Glu-6-P La constante de equilibrio a 37º C es: Keq = 2 En base a estos datos, calcular: a) la variación de energía libre estándar (DGº’). b) el valor de la variación de energía libre real y el sentido en que se irá desplazando la reacción si las concentraciones se mantuvieran constantes con los siguientes valores: [F6P] = 0,02 M [G6P] = 0,16 M 2) a) Calcular la variación de energía libre estándar que se produce por el acoplamiento de las reacciones: ATP + H2O ADP + fosfato DGº’ = -7.3 Kcal/mol Glucosa +fosfato Glucosa-6-fosfato + H2O DGº’ = 3.3 Kcal/mol de acuerdoa la siguiente ecuación general: Glucosa + ATP Glucosa-6-fosfato + ADP b) Calcular el valor de la constante de equilibrio del proceso global 3) a)¿Cuál de las siguientes reacciones posee un valor más elevado de su constante de equilibrio (keq)? DG° (kcal/mol) Malato Oxaloacetato 3,14 Glucosa-1-P Glucosa-6-P -1,74 Glucosa-6-P Fosfogluconato + NADPH + H+ -0,10 Malato + NAD+ Oxaloacetato + NADH + H+ 7,14 b) Calcule la variación de energía libre real (DG) para la reacción: Malato Oxaloacetato DG° = 3,14 utilizando los siguientes datos: [malato] = 0,005 M [oxaloacetato]= 0,020 M (T= 37°C) 4) Para sintetizar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi), se necesitan 7,3 kcal de energía libre en total, con reactivos y productos en concentraciones 1M. Como las concentraciones reales fisiológicas son diferentes de 1M; calcular la variación de energía libre necesaria para sintetizar ATP en la célula, cuando las concentraciones fisiológicas de ATP, ADP y Pi son: [ATP] = 3,5 x 10-3 M [ADP] = 1,5 x 10-3 M [Pi] = 5 x 10-3 M
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