1 Concepto de Bioenergética Sergio Cabrera 2003 Kinesiología y Terapia Ocupacional Discutir diferencias entre un sistema adibático y la célula como sistema abierto que intercambia materia y energía. Principios de Termodinámica. Concepto de Entropía Concepto de Entalpía Energía Libre o útil para realizar trabajo G = H – T S En condición estándar Gº’ = H – T S Relación con la Cte de Equilibrio de una ecuación = G = – R T ln K equilibrio K equilibrio = [ Concentración Productos ]_eq__ = [Concentración de los Reactantes ] eq e - G / RT Gº’ con signo negativo ( 0 ) indica una reacción exergónica Gº’ con signo positivo ( 0 ) indica una reacción endergónica Gº’ igual a cero indica que la reacción se desplaza en igual tasa desde derecha a izquierda como de izquierda a derecha, por lo tanto no hay posibilidad de realizar TRABAJO. Similar a muerte celular. Glucosa + Energía de Activación CO2 + H2O + Entropía (calor) + cenizas Ejemplo de Reacción exergónica. Términos: Oxidación y Reducción Adición de Oxígeno remoción de oxígeno Remoción de electrones adición de electrones Eliminación de hidrógenos adición de hidrógenos Alejamiento de electrones acercamiento de electrones Cuales son los procedimientos empleados por la célula para mejorar la eficiencia en las transferencias energéticas: 2. Reacciones Acopladas (Exergónicas con Endergónicas) Graduales y catalizadas por Enzimas (Ojo las Enzimas en su acción de disminuir la energía de activación pueden unirse al sustrato incluso a través de enlaces covalentes, Y NO VARÍAN LA CTE. DE EQUILIBRIO DE LA REACCIÓN) Transferencia de grupos (fosforilo, acetil CoA, etc) 3. Mecanismos de Oxido-Reducción. 1. 2 X e Y son dos compuestos y X-P e Y-P son los mismos compuestos pero fosforilados X – P + ADP X + ATP G = - 5 Kcal / mol Y Y – P + ADP G = - 1 Kcal / mol + ATP Cuidado ambas reacciones que aparecen simples son Dos reacciones acopladas. En el Primer caso: X-P X +P G = - 12 Kcal / mol Exergónica ADP + P ATP G = + 7 Kcal / mol Endergónica X-P + ADP X + ATP G = - 5 Kcal / mol En el Segundo caso: G = - 7 Kcal / mol ATP ADP + P Y +P Y + ATP Y-P G = + 6 Kcal / mol Y-P + ADP G = - 1 Kcal / mol X-P Y ADP ATP Y ATP ADP X Y-P Exergónica Endergónica 3 Fotosíntesis: Radiación 400-700 nm Fase dependiente de luz. membranas de tilakoides, cerradas 2 H2O + n ( ADP + HPO4-2 ) + 2 NADP +oxidado n ATP + 2 NADPHreducido + 2H+ + O2 Fase independiente de luz. En el Estroma CO2 + n ATP + 2 NADPH + 2H+ Rubisco ( CH2O ) + + 2 NADP+oxidado + Carboxilasa n ( ADP + HPO4-2 ) + H2O Neto: H2O + CO2 ( CH20 ) + 02 Procesos importantes de comprender. I. Transferencia de electrones en moléculas ubicadas en la membrana tilacoidal, a través del cual se produce TRASLOCACIÓN DE PROTONES, desde el estroma hacia la cavidad intratilacoidal. II. Fotólisis del Agua, asociado al Fotosistema II (cara intratilacoidal de la membrana), donde se liberan 4 protones (H+). III. El Centro de Reacción Oxidado del Fotosistema II recupera los electrones, desde la fotólisis del agua (cara intratilacoidal) . IV. Fotofosforilación de ADP a través de la ATP sintetasa en la cara estromática de la membrana tilacoidal, como producto de la diferencia de concentración de protones (1000 x, mayor en la cavidad intratilacoidal respecto del estroma, gracias a la impermeabilidad de la membrana a protones y la transferencia de electrones entre los dos fotosistemas. V. Síntesis de poder Reductor en la cara estromática del tilacoide, lo que también favorece la disminución de concentración de protones en el estroma. El flujo COMPLETO de electrones se debería considerar desde el Agua hasta el NADP+ para formar el NADPH. Ciclo de Calvin (Estroma) Función de la Carboxilasa (Carboxilasa mientras la presión parcial de CO2 es mayor que la de O2.) Si la concentración de Oxígeno es mayor que la de CO2 funciona como oxidasa. 4 Historia Reacción de Hill (1937), el demostró que la transferencia de electrones no era directa del agua al CO2. Severo Ochoa y Vishniac, (1950) demostró que el Nicotinamida adenina dinucloetido fosfato, NADP, podía ser el aceptor de hidrógenos en la reacción de Hill. Arnon (1954) demostró la síntesis de ATP por acción de la radiación solar, en hojas de espinacas (Fotofosforilación). Park y Pon, (1960) descubrieron que existía compartamentalización dentro del cloroplasto. Reacciones dependientes de radiación en los granas e independientes de la radiación en el estroma. Algunas definiciones de apoyo: Energía es aquello que permite realizar trabajo. En un automóvil (bencina), en una planta termoeléctrica (carbón, gas natural o petróleo), en una hidroeléctrica (caudal del río, o de una represa), etc. Pero en las células es mas “etereo”, cuando debemos asociar la energía con los enlaces químicos la cosa no es tan clara. Tipos de Energía: 1. Cinética o energía del movimiento. Calor, energía termal. La energía que mantiene en Movimiento a las moléculas. Energía radiante, es la energía cinética de los fotones, o de las ondas electromagnéticas, que son fundamentales para mantener la vida. La energía radiante puede ser transformada en energía térmica. Ej: cuando una molécula absorbe un quantum de luz y aumenta su movimiento (rotacional o vibración ). Que finalmente se transformará en energía de enlace covalente. La electricidad también es una forma de energía cinética pues está basada en el desplazamiento de electrones u otras partículas con carga eléctrica. 2. Potencial o energía almacenada. (esta es la importante para los sistemas biológicos o sistemas químicos. Energía potencial almacenada en enlaces covalentes. La glucosa tiene un gran potencial energético. Energía potencial producto de la existencia de un gradiente de concentración. Cuando la concentración a un lado de una barrera permeable es diferente a la del otro lado, el resultado es un gradiente de concentración. Por ejemplo la concentración de protones en el interior de un lisosoma es unas 500 veces mayor que la concentración en el citosol. Energía potencial como potencial eléctrico, energía producto de la separación de cargas a través de una membrana (impermeable). Ej: existe un gradiente de cargas eléctricas entre la cara interna y externa de la membrana plasmática de cualquier célula viva. 5 Principios de Termodinámica: (Sistemas adiabáticos, el Universo completo) La energía no se crea ni se destruye solo se transforma. Segunda Ley de la Termodinámica: Toda transferencia energética tiene un remanente que es imposible transformar en trabajo, y esta porción se pierde como calor. Dicho de otra forma: la energía no es posible de transfor-mar (100%) en trabajo. Sistemas mecánicos: Eficiencia Motor a Vapor 8 % Motor Diesel 12 % Motor a Bencina 18 % Cloroplasto o Mitocondria aprox. 48 a 50 % ¿ Como resolvió la célula este “tremendo” salto? Termodinámica ======= Bioenergética Mecanismos empleados: Reacciones Acopladas catalizadas por Enzimas que no varían la Cte. de Equilibrio de la Reacción. Reacciones graduales Intercambio de grupos (fosforilo, Acetil CoA, etc) Oxido-Reducción ENERGÍA LIBRE = G (Útil para realizar trabajo) Químico norteamericano (1839-1903) Josiah Willard Gibbs fundador de la Termodinámica. ENERGÍA QUE NO SE PUEDE TRANSFORMAR EN TRABAJO = ENTROPÍA Los sistemas biológicos en condiciones de presión y temperatura constante, en general, “minimizan la energía libre, en sus procesos metabólicos” ¿Que ocurre con la energía libre cuando una molécula o una configuración molecular cambia a otra? Entonces lo importante es la diferencia de la energía libre Antes y Después del CAMBIO. 6 G = G productos - G reactantes Condiciones: 1. Si el valor del G es negativo: la reacción es espontánea y va de izquierda a derecha. Reacción Exergónica 2. Si el valor del G es positivo: la reacción se revierte desde derecha a izquierda. Y no es espontánea. Reacción Endergónica 3. Si el valor del G es cero: ambas reacciones ocurren a igual tasa, la reacción está en equilibrio. ¿Muerte celular?
