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FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICO-BIOLÓGICAS
METABOLISMO
METABOLISMO Y BIONERGIA BIOQUIMICA.pdf
4
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO Y BIONERGIA BIOQUIMICA.pdf
Catabolismo
• Rutas oxidantes; se libera energía y poder reductor y a
la vez de sintetiza ATP.
• Glucólisis , beta-oxidación, glucogenolisis.
Anabolismo
• Rutas reductoras en las que se consume energía (ATP) y
poder reductor.
• Gluconeogénesis , Lipogénesis, Glucogénesis
Anfibolismo
• Rutas mixtas, catabólicas y anabólicas.
• Ciclo de Krebs, que genera energía y poder reductor y a
la vez precursores para la biosíntesis. Ciclo de la urea
Anabolismo y catabolismo son simultáneos y a veces sin límites
precisos y requieren de enzimas para poderse llevar a cabo.
METABOLISMO
METABOLISMO
Molécula utilizada por todos los organismos vivos para
proporcionar energía en las reacciones químicas. Es uno de
los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN
celular. Es una coenzima de transferencia de grupos fosfato
que se enlaza de manera no-covalente a las
enzimasquinasas (co-sustrato).
Las reservas de ATP en el organismo no exceden de
unos pocos segundos de consumo. El ATP se produce
de forma continua, pero cualquier proceso que
bloquee su producción provoca la muerte rápida.
Debido a la presencia de
enlaces ricos en energía
(fosfatos), esta molécula
se utiliza en los seres
vivos para proporcionar
la energía que se
consume en las
reacciones químicas
degradándose a ADP.
METABOLISMO
METABOLISMO
• Obtener energía química (ATP) degradando nutrientes ricos en energía (o a
partir de la energía solar)
• Convertir moléculas nutrientes en moléculas celulares (fabricar los
componentes celulares)
• Polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos,
polisacáridos, etc.
• Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares
especializadas (hormonas, neurotransmisores, etc.)
VÍAS QUE PROCESAN LOS PRINCIPALES PRODUCTOS DE LA
DIGESTIÓN
Todas las vías llevan a la producción de acetil-coa, que se oxida en el ciclo del
acido cítrico y al final produce ATP mediante el proceso de fosforilación
oxidativa.
METABOLISMO
CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO
• Las reacciones bioquímicas son muchas, pero las reacciones
importantes son relativamente pocas.
• Las rutas metabólicas centrales son pocas y son similares en
todas las formas vivas.
• Las moléculas importantes del metabolismo no son mas de
100.
• Todas las rutas se regulan de forma similar.
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
A) Fosforilación dependiente de ATP de un residuo
de serina.
B) Adenililación, transferencia de un adenilato
desde el ATP.
METABOLISMO
C) ADP- ribosilación, transferencia de un ADP ribosilo
procedente del NAD
METABOLISMO
METABOLISMO
METABOLISMO
PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN
COMPARTAMENTALIZACIÓN CELULAR
Las enzimas que participan en el mismo proceso están
situadas en un compartimiento concreto dentro de la célula.
La compartimentación o compartamentalización crea una
división del trabajo en el interior de la célula lo cual aumenta
la eficacia de la función celular además de tener una función
reguladora importante
METABOLISMO
COMPARTAMENTALIZACIÓN CELULAR
-Permeabilidad selectiva de las membranas para los distintos
metabolitos ( se controla el paso de intermediarios desde un
compartimiento a otro)
-Los intermediarios de una ruta quedan atrapados en el interior de un orgánulo
-Los transportadores específicos permiten la entra de sustratos y la salida de
productos.
-El flujo que entra a la ruta puede regularse mediante la velocidad
que un sustrato entra en el compartimiento.
METABOLISMO
PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN
Núcleo
Replicación de DNA, síntesis
De tRNA, mRNA y algunas
proteínas celulares
Vacuola
Almacenamiento de
agua
Citosol
Glucólisis; gluconeogénesis (algunas)
Pentosas fosfato; activación de aa, síntesis
de AG, síntesis de nucleótidos
Gránulos de Glucógeno
Síntesis y degradación de
glucógeno
Lisosomas
Segregación de enzimas
hidrolíticas (fosfatasa ácida)
Mitocondria
C. de Krebs, transporte
electrónico, fosforilación
oxidativa; oxidación de AG
Catabolismo de AA
Oxidación del Piruvato
Cloroplasto (plantas)
Fotosíntesis
Nucléolo
Síntesis de RNA ribosómico
Microcuerpos
Oxidación de AA, Rxns de la
catalasa y peroxidasa;
Degradación de esteroles;
Rxns ciclo de glioxilato
(plantas)
Complejo e Golgi
Maduración de glucoproteínas
y otros componentes de las
membranas y los vasos
secretores
Retículo Endoplásmico
Síntesis de lípidos; envío
de productos biosintéticos
a su localización final
Ribosomas
Síntesis de proteínas
Membrana plasmática
Sistemas de transporte
dependientes de energía
Núcleo
Replicación de DNA, síntesis
De tRNA, mRNA y algunas
proteínas celulares
Vacuola
Almacenamiento de
agua
Citosol
Glucólisis; gluconeogénesis (algunas)
Pentosas fosfato; activación de aa, síntesis
de AG, síntesis de nucleótidos
Gránulos de Glucógeno
Síntesis y degradación de
Glucógeno
Lisosomas
Segregación de enzimas
hidrolíticas (fosfatasa ác
ida)
Mitocondria
C. de Krebs, transporte
electrónico, fosforilación
oxidativa; oxidación de AG
Catabolismo de AA
Oxidación del Piruvato
Cloroplasto (plantas)
Fotosíntesis
Nucléolo
Síntesis de RNA ribosómico
Microcuerpos
Oxidación de AA, Rxns de la
catalasa y peroxidasa;
Degradación de esteroles;
Rxns ciclo de glioxilato
(plantas)
Complejo e Golgi
Maduración de glucoproteínas
y otros componentes de las
membranas y los vasos
secretores
Retículo Endoplásmico
Síntesis de lípidos; envío
de productos biosintéticos
a su localización final
Ribosomas
Síntesis de proteínas
Membrana plasmática
Sistemas de transporte
dependientes de energía
Núcleo
Replicación de DNA, síntesis
De tRNA, mRNA y algunas
proteínas celulares
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dependientes de energía
PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN
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METABOLISMO
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
• BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS
• ALGAS VERDES
• PLANTAS SUPERIORES
• CIANOBACTERIAS
• Nitrógeno
MOLECULAS ORGÁNICAS COMPLEJAS
o ANIMALES ULTICELULARES
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FLUJO ENERGÉTICO
BIOENERGÉTICA
CICLO DE CARBONO
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BIOENERGÉTICA
CICLO DEL NITRÓGENO
BIOENERGÉTICA
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Fotosíntesis
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REACCIONES BIOQUÍMICAS
• Las reacciones bioquímicas tienen lugar bajo
condiciones especiales:
– Soluciones acuosas
– Condiciones suaves: presión y temperatura prácticamente
constantes
– pH fisiológico
– Catalizadas enzimáticamente
BIOENERGÉTICA
TIPOS DE REACCIONES BIOQUÍMICAS
BIOENERGÉTICA
TRABAJO Y ENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOS
• Los organismos realizan gran cantidad de
transformaciones de energía
• •Convierten la energía química (ATP) de los
combustibles en:
– Calor, energía mecánica, energía eléctrica, otras fuentes de
energía química
BIOENERGÉTICA
Transformaciones químicas en el interior de
las células
TRABAJO BIOLÓGICO:
• Biosíntesis (anabolismo)
• Trabajo mecánico (contracción muscular)
• Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente)
• Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso) etc.
• PRODUCTOS FINALES DEL METABOLISMO
(moléculas simples CO2, H2O)
• CALOR
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
Rama de la bioquímica que estudia la transferencia
y utilización de energía en los sistemas biológicos.
Comprende el estudio cuantitativo de los cambios de
energía de las reacciones bioquímicas.
Aplica los principios básicos de la termodinámica a los
sistemas biológicos.
LA TERMODINAMICA ES LA CIENCIA QUE ESTUDIA LA
ENERGIA Y SUS TRANSFORMACIONES
BIOENERGÉTICA
Se denomina sistema termodinámico a aquella parte del
universo que se está observando.
El entorno es el resto del universo. El sistema y su entorno
constituyen el universo.
Entorno Sistema Universo
Las células vivas y los organismos son sistemas abiertos
que intercambian materia y energía con el entorno
ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de propiedades que permiten
definirlo (ej.: P, V, T)
BIOENERGÉTICA
ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA
La suma de todas las formas de
energía de un sistema se denomina
energía total, la cual es la suma de las
energías cinética, potencial e interna.
La energía interna representa a la
energía molecular de un sistema
(energía de las moléculas, sus
interacciones, energía de protones,
etc.).
BIOENERGÉTICA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
“La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma”
ΔE = q –w
q = calor hacia el sistema
w=trabajo hecho por el sistema
E= energía interna
ΔE = variación entre el estado final y el inicial. Es una función
de estado
BIOENERGÉTICA
ENTALPÍA
ΔH representa la medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a
presión constante:
H = E + PV ó ΔH = ΔE + PΔV
El cambio de entalpía depende únicamente del estado inicial y final de la
reacción, por lo que constituye una función de estado. A volumen constante:
ΔH = ΔE
Si el sistema es una reacción química la entalpía es el calor de reacción a presión
constante.
ΔH > 0 Reacción endotérmica
ΔH < 0 Reacción exotérmica
BIOENERGÉTICA
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
“Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un
valor máximo”
La segunda ley provee criterios para determinar si un proceso se
producirá o no, pero no nos dice nada acerca de la velocidad del
proceso.
La termodinámica permite predecir si un proceso ocurrirá
espontáneamente
La cinética química permite predecir a qué velocidad se produce dicho
proceso
BIOENERGÉTICA
ENTROPÍA
•La entropía es una medida del grado de desorden de un sistema.
•Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia el máximo
desorden.
La segunda ley se puede resumir como:
ΔS sistema+ ΔS entorno=ΔS universo>0 en todo proceso real
•S= Entropía
•K= Constante de Boltzmann
•W= es el número de formas diferentes que se pueden encontrar los
componentes del sistema
S = K lnW
BIOENERGÉTICA
ENTROPÍA
Baja entropía
•Hielo a 0ºC
•Un diamante a 0ºK
•Una molécula de proteína
en su conformación nativa
Alta entropía
•Agua a 0ºC
•Un diamante a 106 ºK
•La misma molécula de
proteína en un entorno
desnaturalizante, desplegada
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBS(G)
UN INDICADOR DE ESPONTANEIDAD
• Los sistemas biológicos son sistemas abiertos por lo cual se requiere
una nueva función de estado que incluya tanto energía como entropía.
•La variación de energía libre de Gibbs (G) es la función de estado que
mejor describe la segunda ley en estos sistemas.
ΔG = ΔH -T ΔS
(a T y P constantes)
ΔG =diferencia de energía libre
ΔH = diferencia de entalpía
ΔS= diferencia de entropía
T=temperatura absoluta(en K)
BIOENERGÉTICA
La energía libre (G) es la parte
de energía de un sistema capaz
de hacer trabajo biológico.
Las reacciones espontáneas van
en la dirección de
más baja energía libre
ΔG (-), EXERGÓNICA, favorable
o espontánea
ΔG (+), ENDERGÓNICA, no
espontánea.
ΔG=0, equilibrio
BIOENERGÉTICA
Conceptualmente podemos definir ΔG como la fracción de variación
total de energía que es capaz de efectuar trabajo a medida que el
sistema tiende al equilibrio, a P y T constante.
ΔG = -w (trabajo máximo)
•Cuanto más alejado esté el sistema del equilibrio, más trabajo
podrá realizar
• Los sistemas vivientes se encuentran alejados del equilibrio para
poder realizar trabajo
“Dado un sistema abierto, el criterio para que un
proceso sea espontáneo a P y T constantes, es que ΔG
sea negativo".
BIOENERGÉTICA
ΔG y concentración
Condiciones Estándar
ΔG es influenciada por las características de las moléculas reaccionantes,
temperatura, presión etc.
Las condiciones estándar para la energía libre(ΔG°’) en bioquímica se
calculan bajo las siguientes condiciones:
T = 298°K (25°C)
P = 1 atm
pH = 7.0
[ ] = 1 M para reactivos y productos
R = constante de los gases
BIOENERGÉTICA
Para una reacción simple:
ΔG= ΔG°’+ RT ln [productos]
[reactivos]
En otras palabras, ΔG es la suma de dos partes:
ΔG°’,que depende de las propiedades intrínsecas de las moléculas
reaccionantes, más una función que depende de la concentración.
ΔG se vuelve más negativo a medida que disminuye la relación de
productos/reactivos.
BIOENERGÉTICA
En el equilibrio…
En el equilibrio ΔG=0
ΔGº’y K’eq se relacionan de la siguiente forma:
•Si ΔG°’es negativo, K’eq> 1
(la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de C y D)
•Si ΔG°’es positivo, K’eq< 1
(la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de A y B).
ΔGº’= -RT ln K’eq
BIOENERGÉTICA
ΔGº’= -RT ln K’eq
BIOENERGÉTICA
ΔGº’= variación de energía libre en condiciones estándar. Es
una CONSTANTE, tiene un valor fijo para cada reacción
ΔG = variación de energía libre real . Es variable, depende
de las concentraciones de reactivos y productos y de la
temperatura
En las células las condiciones no son las estándar
(sobre todo por las distintas concentraciones de reactivos y
productos)
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
Ejemplo:
ΔG?? Es espontánea?
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
10-2 * 10-5
-----------------
10-3
REACCIONES ACOPLADAS
Los cambios de energía libre estándar de reacciones
químicas secuenciales son aditivos.
BIOENERGÉTICA
REACCIONES ACOPLADAS
BIOENERGÉTICA
REACCIONES ACOPLADAS
Una cantidad termodinámica (ej: ΔG, ΔH, ΔS) nos indica que una
reacción es permitida, A B está “permitida”;
B A no es espontánea, a menos que se le acople otra reacción
favorecida (ej: ATP ADP)
Sin embargo, para que la reacción se produzca, la energía neta debe
descender(ΔG total debe ser negativa.)
Las reacciones exergónicas se acoplan a reacciones endergónicas:
la energía liberada por las exergónicas se usa para dar lugar a las
endergónicas, que no se producirían espontáneamente.
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
K’eq RXNS ACOPLADAS
BIOENERGÉTICA
LAS RXNS DE OXIDO-REDUCCIÓN PUEDEN DESCRIBIRSE COMO
SEMIRREACCIONES
Molécula donadora de electrones = Agente reductor
Molécula aceptora de electrones= Agente oxidante
Par Redox
BIOENERGÉTICA
Azúcar reductor Ión cúprico
BIOENERGÉTICA
LOS ELECTRONES SON TRANSFERIDOS DE DIFERENTES FORMAS
• Directamente como electrones
• Como átomos de H
Donador (H+)/(e-)
BIOENERGÉTICA
POTENCIALES ESTÁNDAR DE REDUCCIÓN Y CÁLCULO DE ΔG
E= Potencial de reducción
n= número de electrones transferidos por molécula
F =Contante de Faraday
BIOENERGÉTICA
Si el acetaldehído es reducido por el acarreador electrónico NADH
Las semirreacciones importantes que lo describen son:
Aceptor de
electrones
Donador de
electrones
BIOENERGÉTICA
pH= 7
Acetaldehído, etanol, NAD, NADH = 1M
Si, Acetaldehído y NADH = 1M, etanol y NAD+ =0.1M, el valor de Δ G
se calcula de la siguiente manera:
BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
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  • 1. FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICO-BIOLÓGICAS
  • 12. Catabolismo • Rutas oxidantes; se libera energía y poder reductor y a la vez de sintetiza ATP. • Glucólisis , beta-oxidación, glucogenolisis. Anabolismo • Rutas reductoras en las que se consume energía (ATP) y poder reductor. • Gluconeogénesis , Lipogénesis, Glucogénesis Anfibolismo • Rutas mixtas, catabólicas y anabólicas. • Ciclo de Krebs, que genera energía y poder reductor y a la vez precursores para la biosíntesis. Ciclo de la urea Anabolismo y catabolismo son simultáneos y a veces sin límites precisos y requieren de enzimas para poderse llevar a cabo. METABOLISMO
  • 13. METABOLISMO Molécula utilizada por todos los organismos vivos para proporcionar energía en las reacciones químicas. Es uno de los cuatro monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular. Es una coenzima de transferencia de grupos fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimasquinasas (co-sustrato). Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo. El ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida. Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (fosfatos), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas degradándose a ADP.
  • 15. METABOLISMO • Obtener energía química (ATP) degradando nutrientes ricos en energía (o a partir de la energía solar) • Convertir moléculas nutrientes en moléculas celulares (fabricar los componentes celulares) • Polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos, etc. • Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas (hormonas, neurotransmisores, etc.)
  • 16. VÍAS QUE PROCESAN LOS PRINCIPALES PRODUCTOS DE LA DIGESTIÓN Todas las vías llevan a la producción de acetil-coa, que se oxida en el ciclo del acido cítrico y al final produce ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa.
  • 17. METABOLISMO CARACTERÍSTICAS DEL METABOLISMO • Las reacciones bioquímicas son muchas, pero las reacciones importantes son relativamente pocas. • Las rutas metabólicas centrales son pocas y son similares en todas las formas vivas. • Las moléculas importantes del metabolismo no son mas de 100. • Todas las rutas se regulan de forma similar.
  • 21. A) Fosforilación dependiente de ATP de un residuo de serina. B) Adenililación, transferencia de un adenilato desde el ATP. METABOLISMO
  • 22. C) ADP- ribosilación, transferencia de un ADP ribosilo procedente del NAD METABOLISMO
  • 25. PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN COMPARTAMENTALIZACIÓN CELULAR Las enzimas que participan en el mismo proceso están situadas en un compartimiento concreto dentro de la célula. La compartimentación o compartamentalización crea una división del trabajo en el interior de la célula lo cual aumenta la eficacia de la función celular además de tener una función reguladora importante METABOLISMO
  • 26. COMPARTAMENTALIZACIÓN CELULAR -Permeabilidad selectiva de las membranas para los distintos metabolitos ( se controla el paso de intermediarios desde un compartimiento a otro) -Los intermediarios de una ruta quedan atrapados en el interior de un orgánulo -Los transportadores específicos permiten la entra de sustratos y la salida de productos. -El flujo que entra a la ruta puede regularse mediante la velocidad que un sustrato entra en el compartimiento. METABOLISMO PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN
  • 27. Núcleo Replicación de DNA, síntesis De tRNA, mRNA y algunas proteínas celulares Vacuola Almacenamiento de agua Citosol Glucólisis; gluconeogénesis (algunas) Pentosas fosfato; activación de aa, síntesis de AG, síntesis de nucleótidos Gránulos de Glucógeno Síntesis y degradación de glucógeno Lisosomas Segregación de enzimas hidrolíticas (fosfatasa ácida) Mitocondria C. de Krebs, transporte electrónico, fosforilación oxidativa; oxidación de AG Catabolismo de AA Oxidación del Piruvato Cloroplasto (plantas) Fotosíntesis Nucléolo Síntesis de RNA ribosómico Microcuerpos Oxidación de AA, Rxns de la catalasa y peroxidasa; Degradación de esteroles; Rxns ciclo de glioxilato (plantas) Complejo e Golgi Maduración de glucoproteínas y otros componentes de las membranas y los vasos secretores Retículo Endoplásmico Síntesis de lípidos; envío de productos biosintéticos a su localización final Ribosomas Síntesis de proteínas Membrana plasmática Sistemas de transporte dependientes de energía Núcleo Replicación de DNA, síntesis De tRNA, mRNA y algunas proteínas celulares Vacuola Almacenamiento de agua Citosol Glucólisis; gluconeogénesis (algunas) Pentosas fosfato; activación de aa, síntesis de AG, síntesis de nucleótidos Gránulos de Glucógeno Síntesis y degradación de Glucógeno Lisosomas Segregación de enzimas hidrolíticas (fosfatasa ác ida) Mitocondria C. de Krebs, transporte electrónico, fosforilación oxidativa; oxidación de AG Catabolismo de AA Oxidación del Piruvato Cloroplasto (plantas) Fotosíntesis Nucléolo Síntesis de RNA ribosómico Microcuerpos Oxidación de AA, Rxns de la catalasa y peroxidasa; Degradación de esteroles; Rxns ciclo de glioxilato (plantas) Complejo e Golgi Maduración de glucoproteínas y otros componentes de las membranas y los vasos secretores Retículo Endoplásmico Síntesis de lípidos; envío de productos biosintéticos a su localización final Ribosomas Síntesis de proteínas Membrana plasmática Sistemas de transporte dependientes de energía Núcleo Replicación de DNA, síntesis De tRNA, mRNA y algunas proteínas celulares Vacuola Almacenamiento de agua Citosol Glucólisis; gluconeogénesis (algunas) Pentosas fosfato; activación de aa, síntesis de AG, síntesis de nucleótidos Gránulos de Glucógeno Síntesis y degradación de Glucógeno Lisosomas Segregación de enzimas hidrolíticas (fosfatasa ácida) Mitocondria C. de Krebs, transporte electrónico, fosforilación oxidativa; oxidación de AG Catabolismo de AA Oxidación del Piruvato Cloroplasto (plantas) Fotosíntesis Nucléolo Síntesis de RNA ribosómico Microcuerpos Oxidación de AA, Rxns de la catalasa y peroxidasa; Degradación de esteroles; Rxns ciclo de glioxilato (plantas) Complejo e Golgi Maduración de glucoproteínas y otros componentes de las membranas y los vasos secretores Retículo Endoplásmico Síntesis de lípidos; envío de productos biosintéticos a su localización final Ribosomas Síntesis de proteínas Membrana plasmática Sistemas de transporte dependientes de energía
  • 28. PRINCIPALES MECANISMOS DE REGULACIÓN REGULACIÓN HORMONAL METABOLISMO
  • 30. BIOENERGÉTICA • BACTERIAS FOTOSINTÉTICAS • ALGAS VERDES • PLANTAS SUPERIORES • CIANOBACTERIAS • Nitrógeno MOLECULAS ORGÁNICAS COMPLEJAS o ANIMALES ULTICELULARES o MAYORIA DE MICROORGANISMOS AUTOSUFICIENTES
  • 34. BIOENERGÉTICA Energía solar Fotosíntesis Energía Química ATP, NADPH, glucosa Contracción Trabajo Biosíntesis Energía disipada Calor, entropía
  • 38. REACCIONES BIOQUÍMICAS • Las reacciones bioquímicas tienen lugar bajo condiciones especiales: – Soluciones acuosas – Condiciones suaves: presión y temperatura prácticamente constantes – pH fisiológico – Catalizadas enzimáticamente BIOENERGÉTICA
  • 39. TIPOS DE REACCIONES BIOQUÍMICAS BIOENERGÉTICA
  • 40. TRABAJO Y ENERGÍA EN LOS SISTEMAS VIVOS • Los organismos realizan gran cantidad de transformaciones de energía • •Convierten la energía química (ATP) de los combustibles en: – Calor, energía mecánica, energía eléctrica, otras fuentes de energía química BIOENERGÉTICA
  • 41. Transformaciones químicas en el interior de las células TRABAJO BIOLÓGICO: • Biosíntesis (anabolismo) • Trabajo mecánico (contracción muscular) • Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente) • Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso) etc. • PRODUCTOS FINALES DEL METABOLISMO (moléculas simples CO2, H2O) • CALOR BIOENERGÉTICA
  • 42. BIOENERGÉTICA Rama de la bioquímica que estudia la transferencia y utilización de energía en los sistemas biológicos. Comprende el estudio cuantitativo de los cambios de energía de las reacciones bioquímicas. Aplica los principios básicos de la termodinámica a los sistemas biológicos. LA TERMODINAMICA ES LA CIENCIA QUE ESTUDIA LA ENERGIA Y SUS TRANSFORMACIONES BIOENERGÉTICA
  • 43. Se denomina sistema termodinámico a aquella parte del universo que se está observando. El entorno es el resto del universo. El sistema y su entorno constituyen el universo. Entorno Sistema Universo Las células vivas y los organismos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el entorno ESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto de propiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T) BIOENERGÉTICA
  • 44. ENERGÍA TOTAL DE UN SISTEMA La suma de todas las formas de energía de un sistema se denomina energía total, la cual es la suma de las energías cinética, potencial e interna. La energía interna representa a la energía molecular de un sistema (energía de las moléculas, sus interacciones, energía de protones, etc.). BIOENERGÉTICA
  • 45. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA “La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma” ΔE = q –w q = calor hacia el sistema w=trabajo hecho por el sistema E= energía interna ΔE = variación entre el estado final y el inicial. Es una función de estado BIOENERGÉTICA
  • 46. ENTALPÍA ΔH representa la medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a presión constante: H = E + PV ó ΔH = ΔE + PΔV El cambio de entalpía depende únicamente del estado inicial y final de la reacción, por lo que constituye una función de estado. A volumen constante: ΔH = ΔE Si el sistema es una reacción química la entalpía es el calor de reacción a presión constante. ΔH > 0 Reacción endotérmica ΔH < 0 Reacción exotérmica BIOENERGÉTICA
  • 47. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA “Los procesos espontáneos tienden a aumentar la entropía hasta un valor máximo” La segunda ley provee criterios para determinar si un proceso se producirá o no, pero no nos dice nada acerca de la velocidad del proceso. La termodinámica permite predecir si un proceso ocurrirá espontáneamente La cinética química permite predecir a qué velocidad se produce dicho proceso BIOENERGÉTICA
  • 48. ENTROPÍA •La entropía es una medida del grado de desorden de un sistema. •Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia el máximo desorden. La segunda ley se puede resumir como: ΔS sistema+ ΔS entorno=ΔS universo>0 en todo proceso real •S= Entropía •K= Constante de Boltzmann •W= es el número de formas diferentes que se pueden encontrar los componentes del sistema S = K lnW BIOENERGÉTICA
  • 49. ENTROPÍA Baja entropía •Hielo a 0ºC •Un diamante a 0ºK •Una molécula de proteína en su conformación nativa Alta entropía •Agua a 0ºC •Un diamante a 106 ºK •La misma molécula de proteína en un entorno desnaturalizante, desplegada BIOENERGÉTICA
  • 51. LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBS(G) UN INDICADOR DE ESPONTANEIDAD • Los sistemas biológicos son sistemas abiertos por lo cual se requiere una nueva función de estado que incluya tanto energía como entropía. •La variación de energía libre de Gibbs (G) es la función de estado que mejor describe la segunda ley en estos sistemas. ΔG = ΔH -T ΔS (a T y P constantes) ΔG =diferencia de energía libre ΔH = diferencia de entalpía ΔS= diferencia de entropía T=temperatura absoluta(en K) BIOENERGÉTICA
  • 52. La energía libre (G) es la parte de energía de un sistema capaz de hacer trabajo biológico. Las reacciones espontáneas van en la dirección de más baja energía libre ΔG (-), EXERGÓNICA, favorable o espontánea ΔG (+), ENDERGÓNICA, no espontánea. ΔG=0, equilibrio BIOENERGÉTICA
  • 53. Conceptualmente podemos definir ΔG como la fracción de variación total de energía que es capaz de efectuar trabajo a medida que el sistema tiende al equilibrio, a P y T constante. ΔG = -w (trabajo máximo) •Cuanto más alejado esté el sistema del equilibrio, más trabajo podrá realizar • Los sistemas vivientes se encuentran alejados del equilibrio para poder realizar trabajo “Dado un sistema abierto, el criterio para que un proceso sea espontáneo a P y T constantes, es que ΔG sea negativo". BIOENERGÉTICA
  • 54. ΔG y concentración Condiciones Estándar ΔG es influenciada por las características de las moléculas reaccionantes, temperatura, presión etc. Las condiciones estándar para la energía libre(ΔG°’) en bioquímica se calculan bajo las siguientes condiciones: T = 298°K (25°C) P = 1 atm pH = 7.0 [ ] = 1 M para reactivos y productos R = constante de los gases BIOENERGÉTICA
  • 55. Para una reacción simple: ΔG= ΔG°’+ RT ln [productos] [reactivos] En otras palabras, ΔG es la suma de dos partes: ΔG°’,que depende de las propiedades intrínsecas de las moléculas reaccionantes, más una función que depende de la concentración. ΔG se vuelve más negativo a medida que disminuye la relación de productos/reactivos. BIOENERGÉTICA
  • 56. En el equilibrio… En el equilibrio ΔG=0 ΔGº’y K’eq se relacionan de la siguiente forma: •Si ΔG°’es negativo, K’eq> 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de C y D) •Si ΔG°’es positivo, K’eq< 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de A y B). ΔGº’= -RT ln K’eq BIOENERGÉTICA
  • 57. ΔGº’= -RT ln K’eq BIOENERGÉTICA
  • 58. ΔGº’= variación de energía libre en condiciones estándar. Es una CONSTANTE, tiene un valor fijo para cada reacción ΔG = variación de energía libre real . Es variable, depende de las concentraciones de reactivos y productos y de la temperatura En las células las condiciones no son las estándar (sobre todo por las distintas concentraciones de reactivos y productos) BIOENERGÉTICA
  • 63. REACCIONES ACOPLADAS Los cambios de energía libre estándar de reacciones químicas secuenciales son aditivos. BIOENERGÉTICA
  • 65. REACCIONES ACOPLADAS Una cantidad termodinámica (ej: ΔG, ΔH, ΔS) nos indica que una reacción es permitida, A B está “permitida”; B A no es espontánea, a menos que se le acople otra reacción favorecida (ej: ATP ADP) Sin embargo, para que la reacción se produzca, la energía neta debe descender(ΔG total debe ser negativa.) Las reacciones exergónicas se acoplan a reacciones endergónicas: la energía liberada por las exergónicas se usa para dar lugar a las endergónicas, que no se producirían espontáneamente. BIOENERGÉTICA
  • 68. LAS RXNS DE OXIDO-REDUCCIÓN PUEDEN DESCRIBIRSE COMO SEMIRREACCIONES Molécula donadora de electrones = Agente reductor Molécula aceptora de electrones= Agente oxidante Par Redox BIOENERGÉTICA
  • 69. Azúcar reductor Ión cúprico BIOENERGÉTICA
  • 70. LOS ELECTRONES SON TRANSFERIDOS DE DIFERENTES FORMAS • Directamente como electrones • Como átomos de H Donador (H+)/(e-) BIOENERGÉTICA
  • 71. POTENCIALES ESTÁNDAR DE REDUCCIÓN Y CÁLCULO DE ΔG E= Potencial de reducción n= número de electrones transferidos por molécula F =Contante de Faraday BIOENERGÉTICA
  • 72. Si el acetaldehído es reducido por el acarreador electrónico NADH Las semirreacciones importantes que lo describen son: Aceptor de electrones Donador de electrones BIOENERGÉTICA
  • 73. pH= 7 Acetaldehído, etanol, NAD, NADH = 1M Si, Acetaldehído y NADH = 1M, etanol y NAD+ =0.1M, el valor de Δ G se calcula de la siguiente manera: BIOENERGÉTICA