Bioenergetica. Termodinamica. Clase de Bioquimica

Bioenergética:Bioenergética:
 Es la rama de la termodinámica, que es laEs la rama de la termodinámica, que es la
ciencia general de las transformacionesciencia general de las transformaciones
energéticas, es una disciplina científica queenergéticas, es una disciplina científica que
guarda relación con la ínter conversión delguarda relación con la ínter conversión del
calor y otras formas de energía.calor y otras formas de energía.
 La bioenergética describe las formaLa bioenergética describe las formass enen
que los organismos adquieren, canalizan yque los organismos adquieren, canalizan y
utilizan la energía.utilizan la energía.

Bioenergética …Bioenergética …
 Sistema:Sistema:
– Porción del universo que se aísla para suPorción del universo que se aísla para su
estudio.estudio.
– Posee límites definidos.Posee límites definidos.
– Todo lo que está por fuera de sus límites es suTodo lo que está por fuera de sus límites es su
entorno.entorno.

Clasificación de los sistemas.Clasificación de los sistemas.
 Pueden ser:Pueden ser:
– Aislado:Aislado: es incapaz de intercambiar energía yes incapaz de intercambiar energía y
materia con sus alrededores.materia con sus alrededores.
– Cerrado:Cerrado: Capaz de intercambiar energía, peroCapaz de intercambiar energía, pero
no materia.no materia.
– Abierto:Abierto: el sistema intercambia con su entornoel sistema intercambia con su entorno
materia y energía.materia y energía.

Sistemas: ej.Sistemas: ej.
Abierto.Abierto.
CerradoCerrado
..
Aislado.Aislado.

Estado termodinámico.Estado termodinámico.
 Se define por 4 variables:Se define por 4 variables:
1.1. n= número de moles.n= número de moles.
2.2. T= temperatura ( K ).T= temperatura ( K ).
3.3. P= presión.P= presión.
4.4. V= volumen.V= volumen.

Funciones o propiedadesFunciones o propiedades
Termodinámicas.Termodinámicas.
 Son funciones de estado.Son funciones de estado.
 Depende del estado del sistema.Depende del estado del sistema.
 Todas las funciones depende del estadoTodas las funciones depende del estado
inicial y final de la termodinámica.inicial y final de la termodinámica.

Funciones o propiedades Termodinámicas …Funciones o propiedades Termodinámicas …
Energía interna: EEnergía interna: E
Entalpía: HEntalpía: H
Entropía: SEntropía: S
Energía libre de Gibbs: GEnergía libre de Gibbs: G
Energía libre de Helmontz: AEnergía libre de Helmontz: A

Primera ley de la termodinámica:Primera ley de la termodinámica:
 La energía interna de un sistema soloLa energía interna de un sistema solo
puede modificarse mediante intercambiospuede modificarse mediante intercambios
de calor o de trabajo con el entorno por lode calor o de trabajo con el entorno por lo
que el cambio de energía interna vieneque el cambio de energía interna viene
dado por:dado por:
 E = q – w .E = q – w .

La ecuación expresa la primera ley de laLa ecuación expresa la primera ley de la
termodinámica, una afirmación de la “conservacióntermodinámica, una afirmación de la “conservación
de energía”.de energía”.
Cuando se produce un proceso físico o un reacciónCuando se produce un proceso físico o un reacción
química, podemos sumar los ingresos y los gastosquímica, podemos sumar los ingresos y los gastos
de energía y hacer un balance.de energía y hacer un balance.
Por ejemplo: un proceso en el que el sistemaPor ejemplo: un proceso en el que el sistema
absorbe una determinada forma de calor, al tiempoabsorbe una determinada forma de calor, al tiempo
que realiza una cantidad de trabajo exactamenteque realiza una cantidad de trabajo exactamente
equivalente de trabajo sobre su entorno.equivalente de trabajo sobre su entorno.

 en este caso, tantoen este caso, tanto qq comocomo ww son positivosson positivos
y q = w, por lo que E = 0.y q = w, por lo que E = 0.
Los cambios de energía interna, dependenLos cambios de energía interna, dependen
únicamente de los estados inicial y final delúnicamente de los estados inicial y final del
sistema.sistema.
Las cantidades de calor y trabajoLas cantidades de calor y trabajo
intercambiados en cualquier procesointercambiados en cualquier proceso
dependen en gran medida de las condicionesdependen en gran medida de las condiciones
que impongamos.que impongamos.

Consideremos la siguiente reacción:Consideremos la siguiente reacción:
CHCH33 (CH(CH22)) 1414 COOHCOOH ( sólido)( sólido) ++ 2323 OO22
1616 COCO22 (gas)(gas) ++ 1616 HH22OO (líquido)(líquido)

La reacción del ác. Palmítico se produce de unaLa reacción del ác. Palmítico se produce de una
manera mucho mas indirecta. En nuestro cuerpomanera mucho mas indirecta. En nuestro cuerpo
cuando metabolizamos las grasas.cuando metabolizamos las grasas.
Consideremos esta reacción de 2 formas:Consideremos esta reacción de 2 formas:
A VOLUMEN CONSTANTEA VOLUMEN CONSTANTE: podemos medir el calor que: podemos medir el calor que
pasa desde el recipiente de reacción (el sistema) al bañopasa desde el recipiente de reacción (el sistema) al baño
de agua (el entorno) por el cambio de temperatura que sede agua (el entorno) por el cambio de temperatura que se
produce en el baño, conociendo la masa del agua y laproduce en el baño, conociendo la masa del agua y la
capacidad de calor (por gramo) de agua. Como elcapacidad de calor (por gramo) de agua. Como el
recipiente de la reacción tiene volumen fijo, no se harecipiente de la reacción tiene volumen fijo, no se ha
realizado trabajo alguno sobre el entorno, ni este lo harealizado trabajo alguno sobre el entorno, ni este lo ha
realizado sobre el sistema. En consecuencia:realizado sobre el sistema. En consecuencia:
ΔΔE = qE = q

 El calor que se desarrolla en una reacción a volumenEl calor que se desarrolla en una reacción a volumen
constante es igual a la variación de energía.constante es igual a la variación de energía.
A PRESIÓN CONSTANTEA PRESIÓN CONSTANTE:: ( de 1 atm.)( de 1 atm.) El sistemaEl sistema
puede expandirse o contraerse libremente, ypuede expandirse o contraerse libremente, y
finalmente se contrae en una cantidad proporcional afinalmente se contrae en una cantidad proporcional a
la disminución del número de moles de gas, quela disminución del número de moles de gas, que
pasan de 233 a 16 moles durante la reacción.pasan de 233 a 16 moles durante la reacción.
La reducción del volumen de gas significa que elLa reducción del volumen de gas significa que el
entorno ha realizado una determinada cantidad deentorno ha realizado una determinada cantidad de
trabajo sobre el sistema.trabajo sobre el sistema.

 puede calcularse de la siguiente manera:puede calcularse de la siguiente manera:
 cuando el volumen (V) se modifica a una presióncuando el volumen (V) se modifica a una presión
constante (P).constante (P).
w = p . V.w = p . V.
La cantidad de calor liberada al entorno esLa cantidad de calor liberada al entorno es
ligeramente superior en estas condiciones deligeramente superior en estas condiciones de
presión constantepresión constante..

Intercambio de calor y trabajo en reaccionesIntercambio de calor y trabajo en reacciones
a volumen y presión constante.a volumen y presión constante.
 Fig.Fig.

Entalpía.Entalpía.
 Para expresar el cambio de calor en unaPara expresar el cambio de calor en una
reacción a presión constante, necesitamosreacción a presión constante, necesitamos
una nueva magnitud, launa nueva magnitud, la ENTALPÍA (H): seENTALPÍA (H): se
define de la siguiente manera:define de la siguiente manera:
H = E + P.VH = E + P.V
El cambio H depende tan solo de los estadosEl cambio H depende tan solo de los estados
inicial y final del proceso para el que se calcula.inicial y final del proceso para el que se calcula.

Entalpía.Entalpía.
 Para las reacciones a presión constante H sePara las reacciones a presión constante H se
define de la siguiente forma:define de la siguiente forma:
H = E + P. VH = E + P. V
 Cuando el calor de una reacción se mide aCuando el calor de una reacción se mide a
presión constante lo que se determina espresión constante lo que se determina es
H.H.
 El calor que se desarrolla en una reacción aEl calor que se desarrolla en una reacción a
presión constante es igual a la entalpía H.presión constante es igual a la entalpía H.

Entropía y la segunda ley de laEntropía y la segunda ley de la
termodinámica.termodinámica.
 Proceso reversibleProceso reversible: es aquel que se encuentra muy: es aquel que se encuentra muy
próximo a un equilibrio y en el que, cantidades ínfimas depróximo a un equilibrio y en el que, cantidades ínfimas de
energía que agregamos o quitamos harán cambiar elenergía que agregamos o quitamos harán cambiar el
sentido del proceso.sentido del proceso. Por Ej:Por Ej:
* H* H22OO (sólido)(sólido) HH22OO (líquido)(líquido)
• Tº = 273ºK o 0º C.Tº = 273ºK o 0º C.
• Presión = 1 atm.Presión = 1 atm.
Los procesos reversibles se denominan tambiénLos procesos reversibles se denominan también
desfavorable.desfavorable.

Entropía y la segunda ley de laEntropía y la segunda ley de la
termodinámica.termodinámica.
 Proceso irreversibleProceso irreversible: es aquel que se: es aquel que se
encuentran lejos de un estado de equilibrio.encuentran lejos de un estado de equilibrio.
Por Ej:Por Ej:
** HH22OO (sólido)(sólido) HH22OO ( líquido)( líquido)
 Tº = 310ºK o 37ºCTº = 310ºK o 37ºC
 Presión = 1 atm.Presión = 1 atm.
Los procesos irreversibles se denominan tambiénLos procesos irreversibles se denominan también
favorables o espontáneos.favorables o espontáneos.

Entropía … (S)Entropía … (S)
 Es la cantidad de desorden que existe.Es la cantidad de desorden que existe.
 Por ejemplo: los elementos gaseosos tienenPor ejemplo: los elementos gaseosos tienen
mayor entropía, ya que las moléculasmayor entropía, ya que las moléculas
tendrán mas lugar para “desordenarse”, portendrán mas lugar para “desordenarse”, por
el contrario y por la misma razón losel contrario y por la misma razón los
elementos sólidos tendrán baja entropía.elementos sólidos tendrán baja entropía.
 Determina el sentido del proceso , hacia elDetermina el sentido del proceso , hacia el
estado de mayor desorden o sea de mayorestado de mayor desorden o sea de mayor
entropía (S).entropía (S).

 Podemos definir entropía de la siguientePodemos definir entropía de la siguiente
manera:manera:
*S = K. ln. W*S = K. ln. W
K= es la constante de BOLTZMAN que es la relaciónK= es la constante de BOLTZMAN que es la relación
entre la constante universal de los gases (R= 8,314entre la constante universal de los gases (R= 8,314
Kj/mol) y el número de Avogadro.Kj/mol) y el número de Avogadro.
* K = R / N. Av.* K = R / N. Av.
W = representa el número de subestado.W = representa el número de subestado.

 La difusión es un proceso impulsado por la entropía,La difusión es un proceso impulsado por la entropía,
debido a que un volumen mayor tendrá mayordebido a que un volumen mayor tendrá mayor
capacidad de desorden, por lo tanto los solutoscapacidad de desorden, por lo tanto los solutos
siempre tendrán a disminuirse, aumentando así susiempre tendrán a disminuirse, aumentando así su
entropía de la siguiente forma:entropía de la siguiente forma:
 S = R. T. ln.S = R. T. ln. VfVf
VoVo
Donde Vf es el volumen fina, Vo es el volumen inicialDonde Vf es el volumen fina, Vo es el volumen inicial
y T la temperatura.y T la temperatura.

La difusión como un proceso impulsadoLa difusión como un proceso impulsado
por la entropía.por la entropía.

Interacción de entalpía y la entropíaInteracción de entalpía y la entropía
en la transición de hielo agua.en la transición de hielo agua.
 Para la interacción dePara la interacción de
hielo a agua,hielo a agua, ΔΔH yH y ΔΔSS
son ambos positivos yson ambos positivos y
aproximadamenteaproximadamente
constantes en la Tº.constantes en la Tº.
 El aumento de TEl aumento de T ΔΔS alS al
la Tº hace quela Tº hace que ΔΔG seG se
reduzca, pasando dereduzca, pasando de
valor + a valor -.valor + a valor -.

Energía libre, segunda ley enEnergía libre, segunda ley en
sistemas abiertos.sistemas abiertos.
 En los sistemas abiertos se expresa la ley de otraEn los sistemas abiertos se expresa la ley de otra
forma debido a que pueden intercambiar energíaforma debido a que pueden intercambiar energía
con su entorno.con su entorno.
 La entalpía jugará un papel importante al poderLa entalpía jugará un papel importante al poder
salir o entrar al sistema.salir o entrar al sistema.
 Para los sistemas abiertos usaremos la función dePara los sistemas abiertos usaremos la función de
estado: Energía libre de Gibbs (G), que se defineestado: Energía libre de Gibbs (G), que se define
por:por:
G = H – T.SG = H – T.S

 El cambio de la misma se define por:El cambio de la misma se define por:
ΔG = ΔH – T. ΔSΔG = ΔH – T. ΔS
 ΔG= es positivo para la reacciónΔG= es positivo para la reacción
endergónicaendergónica, mientras que el valor negativo, mientras que el valor negativo
seráserá exergónicoexergónico y estos son los procesosy estos son los procesos
denominados favorables.denominados favorables.
 Cuando la ΔG es cero quiere decir que elCuando la ΔG es cero quiere decir que el
proceso o reacción es reversible.proceso o reacción es reversible.

- Por ejemplo:- Por ejemplo:
 Fermentación de la glucosa a etanol:Fermentación de la glucosa a etanol:
* C* C66HH1212OO66 (s)(s) 22 CC22HH55OH +OH + 22 COCO22 (g)(g)
• H= -82kj/mol.H= -82kj/mol.
•T S= -136kj/mol.T S= -136kj/mol.
• G= - 218kj/mol.G= - 218kj/mol.

2. Combustión del etanol:2. Combustión del etanol:
* C* C22HH55OHOH (l)(l) + 3 O2+ 3 O2 (g)(g) 22COCO2(g)2 (g) ++ 33HH22OO (l)(l)
 H= -1367kj/mol.H= -1367kj/mol.
 T S= 41kj/mol.T S= 41kj/mol.
 G= - 1326kj/mol.G= - 1326kj/mol.
- Vemos en estos ejemplos de reacciones favorables que todasVemos en estos ejemplos de reacciones favorables que todas
las G son negativas, pero no siempre lo es la entalpía, ni lalas G son negativas, pero no siempre lo es la entalpía, ni la
entropía es siempre positiva.entropía es siempre positiva.

Energía libre de Gibbs (G)…Energía libre de Gibbs (G)…
 Combina un término de entalpía, que mideCombina un término de entalpía, que mide
el cambio de energía a presión constante, yel cambio de energía a presión constante, y
un termino de entropía, que tiene en cuentaun termino de entropía, que tiene en cuenta
la importancia de la aleatorización.la importancia de la aleatorización.
 Se define como:Se define como:
 ΔG =ΔG = ΔΔHH −− TT ΔΔSS
 En donde T es la temperatura absoluta.En donde T es la temperatura absoluta.

Energía libre de Gibbs (G)…Energía libre de Gibbs (G)…
 Para un cambio de energía librePara un cambio de energía libre ΔΔG en unG en un
sistema a temperatura y presiónsistema a temperatura y presión
constantes, podemos citar:constantes, podemos citar:
ΔΔG =G = ΔΔHH −− TT ΔΔSS

Energía libre y concentración.Energía libre y concentración.
 El potencial químico de una sustancia mideEl potencial químico de una sustancia mide
la contribución de esa sustancia a lala contribución de esa sustancia a la
energía libre del sistema.energía libre del sistema.
 La relación entre la energía libre y lasLa relación entre la energía libre y las
concentraciones de los componentes puedeconcentraciones de los componentes puede
expresarse de la siguiente forma:expresarse de la siguiente forma:
G= aGG= aGAA + bG+ bGBB + cG+ cGCC

Equilibrio a través de una membranaEquilibrio a través de una membrana..

Energía libre …Energía libre …
 ΔΔGº= cambio de energía libre del estadoGº= cambio de energía libre del estado
estándar.estándar.
– Cuando las concentraciones de reactivo yCuando las concentraciones de reactivo y
producto son 1 molar y 1 bar de presión.producto son 1 molar y 1 bar de presión.
ΔΔG=G= ΔΔGº + R.T. lnGº + R.T. ln [P1] [P2][P1] [P2]
[R1] [R2][R1] [R2]

Energía libre …Energía libre …
 ΔΔGº’= cambio de energía libre en estadoGº’= cambio de energía libre en estado
estándar fisiológico.estándar fisiológico.
[ H[ H ++
]= 10]= 10 −−77
MM
 pH 7pH 7

Compuestos de fosfato de energíaCompuestos de fosfato de energía
elevada como lanzaderas de energía.elevada como lanzaderas de energía.
 El impulso de procesos mediante acoplamientosEl impulso de procesos mediante acoplamientos
es tan frecuente que debe implicar que la célulaes tan frecuente que debe implicar que la célula
contiene diversos compuestos, que puedencontiene diversos compuestos, que pueden
experimentar con cambios de energía libresexperimentar con cambios de energía libres
negativos grandes. Por ej:negativos grandes. Por ej:
– Anhídridos de fosfato.Anhídridos de fosfato.
– Enol fosfato.Enol fosfato.
– Algunos tioésteres.Algunos tioésteres.
– Compuestos que contienen enlaces N-P.Compuestos que contienen enlaces N-P.
*Estas sustancias son consideradas como lanzaderas de energía*Estas sustancias son consideradas como lanzaderas de energía
libre en la célula.libre en la célula.

 Los más importantes de estos compuestosLos más importantes de estos compuestos
son determinados fosfatos:son determinados fosfatos:
 El fosfoenolpiruvato (PEP).El fosfoenolpiruvato (PEP).
 La creatina fosfato (CP).La creatina fosfato (CP).
 La adenosina trifosfato (ATP).La adenosina trifosfato (ATP).
*tienen sus energías libres de hidrólisis en estado*tienen sus energías libres de hidrólisis en estado
estándar muy negativos.estándar muy negativos.
• El ATP es el más importante de estos compuestos. SuEl ATP es el más importante de estos compuestos. Su
hidrólisis es muy exergónica con un valor de variaciónhidrólisis es muy exergónica con un valor de variación
de energía libre de Gibbs = -31kJ/mol.de energía libre de Gibbs = -31kJ/mol.

Reacción de hidrólisis de algunos compuestos de fosfatoReacción de hidrólisis de algunos compuestos de fosfato..

 Factores que contribuyen a que los estados de energíaFactores que contribuyen a que los estados de energía
libre sean elevados:libre sean elevados:
• Estabilización de resonancia de los productosEstabilización de resonancia de los productos
fosfatos.fosfatos.
• Hidratación adicional de los productos de hidrólisis.Hidratación adicional de los productos de hidrólisis.
• Repulsión electrostática entre los productosRepulsión electrostática entre los productos
cargados.cargados.
• Estabilización de resonancia potenciada oEstabilización de resonancia potenciada o
tautomerización de las moléculas producto.tautomerización de las moléculas producto.
• Liberación de un protón en solucionesLiberación de un protón en soluciones
amortiguadoras.amortiguadoras.

Potencial de transferencia dePotencial de transferencia de
fosfato.fosfato.
 Se define como el valor de -Se define como el valor de - ΔΔG deG de
hidrólisis.hidrólisis.
 Cada compuesto impulsa la fosforilación deCada compuesto impulsa la fosforilación de
los compuestos situados en un lugar máslos compuestos situados en un lugar más
bajo en la escala, siempre que se dispongabajo en la escala, siempre que se disponga
de un mecanismo de acoplamientode un mecanismo de acoplamiento
adecuado.adecuado.

Molécula de ATP y sus reacciones de hidrólisis.Molécula de ATP y sus reacciones de hidrólisis.

Carga energética o nivel energéticoCarga energética o nivel energético
de Adenilato.de Adenilato.
 Es la magnitud que describe el estadoEs la magnitud que describe el estado
energético de la célula.energético de la célula.
* CE=* CE=
[ATP] + ½ [ADP][ATP] + ½ [ADP]
[ATP] + [ADP] + [AMP][ATP] + [ADP] + [AMP]
VALORES: 0 – 1. No existe valor negativo o menor que 0.VALORES: 0 – 1. No existe valor negativo o menor que 0.
 00 == Nada de ATP.Nada de ATP.
 1= Todo ATP.1= Todo ATP.

Acoplamiento de reacción.Acoplamiento de reacción.
 Las reacciones desfavorecidasLas reacciones desfavorecidas
termodinámicamente pueden ocurrir si setermodinámicamente pueden ocurrir si se
acoplan con reacciones muy exergónicas.acoplan con reacciones muy exergónicas.
 Ej. Tenemos una reacción que forma parteEj. Tenemos una reacción que forma parte
de una ruta esencial pero que esde una ruta esencial pero que es
endergónica:endergónica:
A BA B ΔΔG= + 10kJ/molG= + 10kJ/mol

 Al mismo tiempo, supongamos otroAl mismo tiempo, supongamos otro
proceso muy exergónico:proceso muy exergónico:
C DC D ΔΔG=G= −− 30 kJ/mol30 kJ/mol

 Si la célula es capaz de acoplar estas dosSi la célula es capaz de acoplar estas dos
reacciones, el valor dereacciones, el valor de ΔΔGº para el procesoGº para el proceso
global será la suma algebraica de losglobal será la suma algebraica de los
valores individuales.valores individuales.
A BA B ΔΔGº= + 10kJ/molGº= + 10kJ/mol
C DC D ΔΔGº=Gº= −− 30kJ/mol30kJ/mol
A + C B + DA + C B + D ΔΔGº=Gº= −− 20kJ/mol20kJ/mol

Cambio de energía libre como función de laCambio de energía libre como función de la
composición de la mezcla de reacción.composición de la mezcla de reacción.
- La curva roja- La curva roja
indica elindica el ΔΔG par alaG par ala
conversión de i molconversión de i mol
de Glc-g-P en 1 molde Glc-g-P en 1 mol
de fructosa-6-de fructosa-6-
fosfato.fosfato.

Muchas Gracias …Muchas Gracias …

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