bioenergética - Profesora Maribel Arnes

BIOENERGÉTICA
BIOENERGÉTICA
Es el análisis cuantitativo de la forma en que los
organismos adquieren y utilizan la energía.
Las transformaciones de
la energía en las células
obedecen las leyes de la
termodinámica
termodinámica.
1. Conservación de la energía:
La energía puede cambiar de
forma, pero no puede ser
creada ni destruida.
2 Entropía: En el universo
2.
siempre
se
tiende
a
incrementar el desorden. En
todo proceso natural la
entropía tiende a aumentar.
1.- PARÁMETROS TERMODINÁMICOS
a) ENTALPÍA (H)
Expresa el calor absorbido o liberado en una reacción
química.
ΔH = Hproductos – Hsustratos
ΔH negativo → Exotérmica
ΔH positivo → Endotérmica
b) ENTROPÍA (S)
Expresa el grado de desorden de una reacción química.
ΔS = Sproductos – Ssustratos
ΔS positivo → Espontánea
ΔS negativo → No espontánea
c) ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (G)
Expresa la cantidad de energía necesaria para realizar
trabajo.
(P y T cte)
t )
ΔG = Gproductos – Gsustratos
ΔG negativo → Exergónica
ΔG positivo → Endergónica
Ecuación de GibbsGibbs-Helmholtz:
Helmholtz:
ΔG = ΔH – T ΔS
2.- CLASIFICACIÓN DE LAS REACCIONES
ΔG
negativo
EXERGÓNICA
Ó
Reacciones que ocurren
espontáneamente.
tá
t
Liberan energía.
ΔG
positivo
ENDERGÓNICA
Reacciones que no ocurren
espontáneamente
Requieren energía para
ocurrir.
SERES VIVOS
Máquinas
químicas
que operan
aTyP
constantes
Sistemas
termodinámicos
abiertos en
estado
estacionario
3 - DETERMINACIÓN DE LA ENERGÍA LIBRE
3.
a) Energía libre estándar y constante de equilibrio
ΔGº
Gº = -R
R T lnK
l Keq
R = constante de los gases 8.31 J/mol K
T = temperatura en K (298 K = 25 ºC)
Keq = constante de equilibrio en condiciones biológicas (pH = 7.0)
Keq
Ln Keq
∆G°
Comentario
>1
Positivo
Negativo
La formación de los productos
se ve favorecida en el
equilibrio.
=1
Cero
Cero
La formación de los productos
y reactantes es igualmente
favorecida al alcanzar el
equilibrio.
<1
Negativo
Positivo
La formación de reactantes se
ve favorecida en el equilibrio.
Ejemplo: isomerización de la glucosa-1-fosfato a glucosa-6-fosfato,
reacción
eacc ó ca
catalizada
a ada po
por la
ae
enzima
a fosfoglucomutasa:
os og uco u asa
GLUCOSA 1 P ÅÆ GLUCOSA-6-P
GLUCOSA-1-P
GLUCOSA 6 P
Cuando se alcanza la condición de equilibrio la concentración de
glucosa-1-fosfato es 0.001M y la concentración de glucosa-6-fosfato
es 0.019M, a 25°C y pH 7. Con estos valores se determina la
constante de equilibrio Keq.
Keq = G6P/G1P = 19
A partir de este valor se puede calcular ∆G°
ΔG° = -RTLnKeq
= -(8.31 J/mol K)(298K)(Ln19)
= -7.3 KJ/mol
EXERGONICA
b) Energía libre estándar de formación
ΔGº = ∑∆G° productos - ∑∆G° reactantes
Tabla:
Energías
lib
libres
estándar
tá d de
d
formación
en
disoluciones
acuosas 1M a pH7
y 25°C
Sustancia
∆Gº formación Kcal/mol
Acetato
-88,99
,
Alanina
-88,75
Aspartato
-166,99
Bicarbonato
-140
140,33
33
Dioxido de carbono
-94,45
Fumarato
-144,41
Glucosa
-219,22
219 22
Lactato
-123,76
Malato
-201,98
Piruvato
-113,44
113 44
Sucinato
-164,97
Agua (líquida)
-56,69
Ejemplo:
Ej
l se determinará
d
i á ell ∆G°
G° para la
l siguiente
i i
reacción, utilizando los datos de la tabla
anterior.
anterior
fumarato + agua ↔ malato
∆G° = ∑∆G° productos
d t - ∑∆G° reactantes
t t
∆G° = -201,98 – (-144,41 + - 56,69)
∆G°=
G° -0,88 Kcal/mol
/
c) Energía libre estándar y potenciales estándar de
reducción
Reacción redox
dador de electrones
aceptor de electrones
Los electrones se pueden transferir mediante:
1 Directamente como electrones
1.electrones.
Ej: el par redox Fe+3 / Fe+2 puede transferir un electrón al par redox
Cu+1 / Cu +2 .
2.- Se pueden transferir en forma de átomos de hidrógeno.
Ej: AH2 ↔ A + 2e- + 2H+
(FADH2)
3.- Pueden ser transferidos de un dador electrónico a un aceptor en forma de
hidruro que incluye a dos electrones.
Ej: NAD+
4.- Finalmente como una combinación directa de un reductor orgánico con
oxígeno.
Ej: oxidación de un hidrocarburo a alcohol.
POTENCIAL
ESTANDAR DE
REDUCCION (Eº)
Medida (en volts) de
la afinidad que tiene
por los electrones, el
aceptor de los
electrones.
L
Luego:
ΔGº = -n F ∆E°
donde:
n= número de electrones transferidos
F= constante de Faraday (96,48 KJ/ v mol)
∆E° = diferencia de potencial de reducción
Ejemplo:
Ej
l d
determinar
t
i
∆Gº para la
∆Gº,
l reacción
ió en lla cuall ell
acetaldehido es reducido por el transportador electrónico NADH
acetaldehido + NADH + H+ ↔ etanol + NAD+
Las semireacciones pertinentes y sus valores de E° son:
Acetaldehido + 2H+ + 2e-
↔ etanol
NAD+ + H+ + 2e
2 - ↔ NADH
E° = -0,20 v
E° = -0,32
0 32 v
La reacción global tiene un ∆E°
∆E = + 0,12
0 12 voltios y n =2
Por lo tanto
∆G° = -n F ∆E°
= - 2 * 96,5 * 0,12
= - 23,7 KJ / mol
Cuando
C
d llas concentraciones
t
i
de
d las
l especies
i reaccionantes
i
t
no son 1M, se tendrá:
ΔG = -n F ∆E
Donde E estará dado por:
E=E
Eº + RT Ln [aceptor electrón]
nF
[dador electrón]
R = constante de los gases (8.31 J/mol*K)
T = temperatura ºK (298 ºK)
n = Número de electrones transferidos.
F = constante de faraday (96.480 J/V*mol)
Luego:
E = Eº + 0.026 Ln [[aceptor
p
electrón]]
n
[dador electrón]
Ejemplo: Determinar el ∆G, de la reacción anterior cuando las
concentraciones del acetaldehido y NADH son 1M y las del etanol y el
NAD+ son 0,1 M
COMO HACEN LOS SERES
VIVOS PARA LLEVAR A
CABO REACCIONES
ANABÓLICAS Y
PROCESOS QUE
REQUIEREN ENERGÍA
A TRAVES DE REACCIONES ACOPLADAS
Elementos
1 Una reacción que libera energía
2 Una reacción que requiera energía
3 Un intermediario común
PARA QUE DOS REACCIONES PUEDAN ACOPLARSE
ES NECESARIO QUE TENGAN UN INTERMEDIARIO
COMUN
Ejemplo:Fosforilación de la glucosa acoplada a la hidrólisis del ATP
REACCION 1
REACCION
CC ON 2
ATP
Glucosa
G
ucos + fosfato
os o
ATP + glucosa
Elementos
ADP + fosfato
f f t
ΔGº´(kJ mol-1)
-30,9
30 9
Glucosa-6-P
G
ucos
+16,7
,7
Glucosa-6-P + ADP
-14,2
Una reacción que libere energía ( ΔG<O)
Una reacción que requiera energía (ΔG>O)
Un intermediario común fosfato
REACCION 1
REACCION 2
REACCIONES ACOPLADAS
REACCIONES
REACCIONES
EXERGONICAS
ENDERGONICAS
(Liberan energía
libre)
(Requieren energía
libre)
ATP
TRANSPORTADOR DE ENERGIA
DESDE LOS PROCESOS CELULARES PRODUCTORES DE
ENERGIA A LOS PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGIA
COMPUESTOS CON ENLACES
FOSFATOS DE GRAN ENERGIA
HIDRÓLISIS DE ACETIL CO-A
NADH / NAD+
FADH2 / FADH+ / FAD