T7 Bioenergética - Apuntes 7 PDF

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Bioquimica I medicina...

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Tema7.Bioenergética

Bioquímica‐1(GME)

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TEMA7 BIOENERGÉTICA  Introducción  EnergíadelasMoléculas  Funcionesdeestado o Entalpía o Entropía o EnergíalibredeGibbs  Metabolismo o Reaccionesacopladas o FormasdeE:ATP,Transportadoresdee– o Lasrutasmetabólicasestáninterconectadas  ‐oOo‐ Introducción La Termodinámica es la ciencia que describe y relaciona las propiedades físicas de la materiaysusintercambiosdeenergía. Elprimerprincipiodelatermodinámicadice:“Laenergíanosecrea ni sedestruye,sólo setransforma”.Todaslascélulasy,portanto,todoslosseres vivoslocumplen.Porunlado, dependen del suministro de energía (E) del sol. Las plantas transforman la E del sol en nutrientes.Losseresheterótrofos,como los animales, utilizanesosnutrientescomofuente deE. Los seres vivos, o sistemas biológicos, tienen cualidades que los diferencian de la materiainerte,basadasenlautilizacióndelaE: ‐ Generanymantienenunordenmientrasqueelentornotiendealdesorden. ‐ Mantienenunacomplejidadquímicayunagranorganización. ‐ Extraen,transformanyutilizanlaEdelentorno. ‐ Cada componente de los organismos vivos tiene funciones definidas. Los componentesserelacionanydeformaregulada. Pero antes de continuar definiremos qué es la energía. La energía es la capacidad de produciruncambio,ysemideenfunción delacantidad detrabajorealizadopara producir esecambio. Lascélulasdelosanimalesobtienenlaenergíade los nutrientes.Losnutrientesaportan lípidos, hidratos de carbono y proteínas como fuente química de E. De modo que en un ‐1‐ 

Tema7.Bioenergética

Bioquímica‐1(GME)

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procesodecombustión delosnutrientesseliberalaE desusmoléculasylacélulalasutiliza para realizar un trabajo celular, como por ejemplo reacciones químicas no espontáneas, movimiento de moléculas a través de una membrana, reacciones que generen orden (alto contenidodeinformación)ocrecimientoydivisióncelular. Los seres vivos hemos desarrollado una serie de reacciones químicas (catalizadas por enzimas) que permiten recuperar parte de la E de las moléculas y almacenarla en otras moléculasdealtocontenidoenergético,otrapartesepierdeoliberaalentornoenformade calor.Losprocesossonmáseficacescuantomásrendimientoenergéticoseconsigaymenos calorseemitaalentorno.  Energíaytermodinámica.Conceptosbásicos. Paracumplirla1aLeydelaTermodinámica:“LaEnergíanosecreanisedestruye,solose transforma”, es necesario definir los siguientes conceptos: Un sistema es la parte del universo que delimitamos mentalmente para su estudio, es decir, la porción de materia cuyaspropiedadesseestánestudiando. Todo lo que rodea al sistema constituye su ambiente o entorno, de modo que el conjuntoformadoporelsistemayelentornosedenominauniverso. En una reacción química, las sustancias que intervienen constituyen el sistema termodinámico, que va de un sistema inicial (reactivos) a un sistema final (productos). El entornoes elmediodondeseproducelareacciónquímica,de modoque eluniverso es el conjuntodereactivosyproductospresentesenunasoluciónylaatmósferaqueloenvuelve. Segúnlarelaciónquesedéconelentorno,lossistemasson: - Aislados: No intercambian materia ni energía con el entorno, de modo que no produceefectosobservablesconelexterior. - Cerrados:IntercambianEperonomateria. - Abiertos; Intercambian tanto E como materia. Las células se consideran sistemas abiertosporquecaptancombustiblesquímicosdelentornoyextraen energía desu oxidaciónyademásalgunasextraenEdelaluzsolar. Según la fuente de materia (de C) los organismos vivos se clasifican en autótrofos (inorgánica) y heterótrofos (orgánica), y según la fuente de energía hay fotótrofos (luz) o quimiótrofos (compuestos químicos), que a su vez se dividen en quimiorganótrofos (orgánicos) y quimiolitótrofos (inorgánicos). La tabla 1 muestra esta clasificación y qué organismosseencuentranencadaunodelosgrupos:    ‐2‐ 

Tema7.Bioenergética

Bioquímica‐1(GME)

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TIPOSGENERALESDENUTRICIÓN FUENTEDEENERGÍA Luz (Fotótrofos)

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Inorgánico (Autótrofo)

FUENTE DE CARBONO Orgánica (Heterótrofo)

Fotoautótrofo Bacterias fotosintéticas Cianobacterias Algas Plantas Fotoheterótrofo Bacterias Algas

REACCIONESQUÍMICAS(Quimiótrofos) CompuestosOrgánicos CompuestosInorgánicos (Quimioorganótrofos) (Quimiolitótrofos) Quimiorganoautótrofo Quimiolitoautótrofo

Bacteriasquimiautótrofas

Quimiorganoheterótrofo Bacteriasheterótrofas ProtistasProtozoos Hongos

Animales

Bacteriasquimiautótrofas

Quimiolitoheterótrofo Bacteriasheterótrofas Protistasprotozoos Hongos

Tabla1. ClasificacióndelosseresvivosenfuncióndesufuentedeobtencióndeCyenergía.  Elaboración:AnaMartínez.

 Metabolismo El metabolismo es el conjunto de reacciones que se producen en una célula u organismo. Permite cubrir todas las necesidades vitales de las células y del organismo. En general,sedivideendosfasesopuestas: Catabolismo:fase dedegradación u oxidación,paralaobtención deE, biencomoATPo comopoderreductor,yoriginandoproductosdedesecho(CO2,NH4+yH2O). Anabolismo:fase debiosíntesiso reducción,con consumodeE.Esta clasificacióndelas reacciones es algo formal, para facilitar su estudio, pero ambos tipo ocurren simultáneamenteenlascélulas. Aunque son procesos opuestos, no son exactamente inversos, pudiendo tener pasos comunes.

‐3‐ 

Tema7.Bioenergética

Bioquímica‐1(GME)

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Energíadelasmoléculas Paraestudiarlaenergíadelasmoléculashayquetenerencuentaquelatransformación deenergíabiológicasiguelasleyesbásicasdelatermodinámica. Yahemoshabladodela1aLeyoPrincipiodeconservaciónelaenergía:“laenergíanose creanisedestruye, solamentesetransforma”,cualquiercambiofísico oquímico,eltotalde la energía del universo permanece constante, aunque la forma de energía cambie. Por ejemplo,laenergíaquímicasepuedetransformarenenergíaenformadecalor. Pero no toda la energía de se aprovecha por completo. Por ello se denomina energía potencial ala cantidadde energíacontenida en una molécula. Sin embargo, el rendimiento energético se refiere a la energía útil obtenidade ese sistema. Depende tanto dela energía contenidaenelnutrientecomodela eficiencia desuprocesodigestivo.Unnutriente tiene un elevado contenido de E, a medida que se obtiene E de él se almacena en algún otro componente celular, aunque parte de esa E se desperdicia en forma de calor, que es una formadeE noútilparalascélulas.En unproceso decombustión de unamoléculaenlugar deliberarsetodasuenergíaenforma decalor,losseresvivoshan desarrollado unaseriede pasos graduales, de reacciones químicas, para poder almacenar de una forma eficiente la energíaquesevadesprendiendoencadapaso.Elprocesoestantomáseficazcuantomenos calor se emita al entorno y más rendimiento de trabajo se consiga, o energía útil se almacene. Laenergíainternadelasmoléculasvienedadaporlosdistintosmovimientosquesedan enellas:vibración,rotaciónytraslación,asícomoporlaenergíadesus enlaces.LaEinterna de una molécula puede variar produciendo tanto trabajo (W) y calor (Q). Por tanto, la variacióndelaEinternadeunamoléculasemidecomo:ΔE=Q–W. Elresultadodelavariación deEnergíalibresemidecomo«Δ»,variación oincremento, desdeelestadofinalmenosestadoinicial.SihabíamásEenelProductooenelReactivo: ΔE=ΣEProductos–ΣEReactivos Sinoseproducencambiosdeenergíainterna,W=Q. 

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Tema7.Bioenergética

Bioquímica‐1(GME)

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Funcionesdeestado Las funciones de estado son formas de medir la Energía de las moléculas. Con el condicionantede quesemideelestadoinicial delas moléculasyelfinal,sin importarcómo sellegade unestadoalotro.Por ejemplo,podemosmediren unareacciónquímicalaE de losreactivosydelosproductos,sinimportarnosquéhacefaltaparaquesucedaesareacción Las funciones de estado que describimos a continuación reflejan la 2a Ley de la termodinámica: “en todos los procesos naturales, la entropía del universo (sistema + entorno)aumenta”. Lasfuncionesdeestadomás ilustrativaspara medirlaenergíadelasmoléculasson: la entalpía (H), la entropía (S) o la energía libre de Gibbs (G). Son magnitudes cuyo valor solamente depende del estado del sistema y no de cómo alcanzó ese estado. Se miden según el cambio que se produce en un sistema desde un estado inicial a uno final, y se representaporΔ(estadofinal–estadoinicial).  Entalpía Laentalpía(H)es elcontenido decalor internodelsistemaapresiónconstante.Refleja elnúmeroyeltipodeenlacesquecontieneunamolécula,olosreactivosylosproductosde unsistema. Laentalpíaexpresalaenergíaquesepuedeliberarenlaformacióndemoléculasapartir deátomos.Deestemodo, cuandoseforma unamolécula,laenergíadelproductoesmenor quelaenergía delosátomos, demodo quese da unapérdida deenergíaen elsistema,que en forma de molécula es más estable. Para romper el enlace covalente, es necesario un aporteenergéticoequivalentealquesedesprendióensuformación. Así,elincrementodeentalpía(ΔH)expresa unamedida delacantidad deEabsorbidao cedida por un sistema termodinámico y por tanto, la cantidad de energía que un sistema dadopuedeintercambiar consuentorno.En cualquierreacción química,lavariaciónde la entalpíaeslasumadeentalpíadelosproductosmenoslasumadeentalpíadelosreactivos: ΔHreacción=ΣHproductos–ΣHreactivos. Cuandoseda una reacción,enlaquelosproductossondiferentesa losreactivos,hay un cambio de contenido calórico debido a la energía contenida en los enlaces químicos. Entonceslasreaccionespuedenserdedostipos: - Endotérmicas.Absorbencalordelentornoen elquetranscurrelareacción, yaqueel contenidocalóricoesmayorenlosproductosqueenlosreactivos(ΔH>0). - Exotérmicas. Liberan calor al entorno en el que transcurre la reacción, ya que el contenidocalóricoesmenorenlosproductosqueenlosreactivos(ΔH[R]

Keq>1

Ln>0

ΔGo’=–*+ ΔGo’0

+

+;ΔGo’>0

ΔG>0,Noespontánea

Si[P]...