UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO FACULTAD DE CIENCIAS DE LA SALUD ESCUELA DE ENFERMERIA BIOQUIMICA TEMA: PRINCIPIOS DE LA BIOENERGÉTICA Y TERMODINÁMICA INTEGRANTES: CAIZAGUANO VERÓNICA MONTUFAR MÓNICA CUBI LAURA PÁGALO MARÍA SINALUISA NATALY CHIMBO DORIS YANZA VIVIANA GALARZA MAYRA COORDINADOR: MÓNICA MONTUFAR CORREO: [email protected] SEMESTRE: SEGUNDO ¨A¨ FECHA: 05-12-2012 1 ÍNDICE Temas…………………………………………………………………….Pág. INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………….4 OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………………...5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………………………5 TEMAS GENERALES: Bioenergética y termodinámica………………………………………………………….6 Trasferencia de grupos fosforilo y ATP………………………………………………...8 Reacciones de oxidación- Reducción Biológicas……………………………………11 TEMAS ESPECIFICOS: Las Leyes De La Termodinámica Y Las Relaciones Cuantitativas Entre Energía Libre………………………………………………………………………6 Las Trasformaciones Biológicas De Energía Obedecen Las Leyes De La Termodinámica……………………………………………………………………6 Sistema Reaccionante metabolismo……………………………………………7 Variación De Energía Libre Real………………………………………………..7 Transferencia De Grupos Fosforilo Y ATP…………………………………….8 Variación De La Energía Libre En La Hidrolisis De La ATP Es Grande y Negativa……………………………………………………………………………8 ATP Proporciona Energía Por Transferencia De Grupo No Por Simple Hidrólisis……………………………………………………………………………9 El ATP Dona Grupos Fosforilo Pirofosforilo y Adenililo………………………9 El ATP Aporta Energía Para El Transporte Activo Y La Concentración Muscular………………………………………………………………………….10 Reacciones de oxidación reducciones biológicas…………………………...10 El Flujo De Electrones Puede Realizar Trabajo Biológico………………….11 El NADH Y El NADPH Y FAD………………………………………………….12 Conclusiones…………………………………………………………………….13 Recomendaciones………………………………………………………………13 Vocabulario………………………………………………………………………14 Anexos……………………………………………………………………………15 Bibliografía……………………………………………………………………….16 2 3 INTRODUCCIÓN La bioquímica estudia la base molecular de la vida. En los procesos vitales interaccionan un gran número de sustancias de alto peso molecular o macromoléculas con compuestos de menor tamaño, dando por resultado un número muy grande de reacciones coordinadas que producen la energía que necesita la célula para vivir, la síntesis de todos los componentes de los organismos vivos y la reproducción celular. Conocer a detalle la estructura de varias proteínas ha sido muy útil en la elucidación de los mecanismos de las reacciones enzimáticas. Prácticamente todas las reacciones que integran el metabolismo son reacciones enzimáticas. Las reacciones que constituyen el metabolismo están localizadas en determinadas estructuras celulares que forman unidades discretas que se llaman organelos. Las reacciones se llevan a cabo en los lugares en donde se encuentran las enzimas que las catalizan. La Bioenergética es la parte de la biología muy relacionada con la física, que se encarga del estudio de los procesos de absorción, transformación y entrega de energía en los sistemas biológicos. En general, la Bioenergética se relaciona con la Termodinámica, en particular con el tema de la Energía Libre. 4 OBJETIVO GENERAL: Establecer un conocimiento claro y preciso sobre la bioenergética y termodinámica, la transferencia de grupos fosforilo y ATP, Reacciones de oxidación- reducción biológicas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Entender la energía en términos bioquímicos Conocer la estructura del ATP como moneda de intercambio energético Conocer el origen de las moléculas de ATP Comprender las reacciones acopladas de oxidación y reducción 5 BIOENERGÉTICA Y TERMODINÁMICA La bioenergética es el estudio de las transformaciones de energía que tienen lugar en la célula, y de la naturaleza y función de los procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la termodinámica Antoine Lavoisier reconoce que de algún modo los combustibles químicos se obtienen de los alimentos. Lo cual manifiesta que la respiración no es más que una combustión (consumo) de carbono e hidrogeno, que es similar a lo que ocurre en una lámpara encendida que necesita de energía para su funcionamiento, así todos los seres que respiran son verdaderos cuerpos combustibles que consumen y se queman así mismo en este caso nuestro combustible es la alimentación. Organismos Autótrofos: Son aquellos que pueden utilizar el CO2 como fuente de carbono (bacterias, vegetales) Organismos Heterótrofos: obtienen carbono de moléculas orgánicas complejas (animales, microorganismos) LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA Y LAS RELACIONES CUANTITATIVAS ENTRE ENERGIA LIBRE. Es el estudio cuantitativo de las transducciones (es la transformación de un tipo de señal o energía en otra de distinta naturaleza.) de energía que tienen lugar en células vivas y de la naturaleza. 6 Energía es la capacidad para realizar un trabajo. A pesar que existen varias formas de energía: química. Potencial: es la capacidad de realizar trabajo como resultado de su estado o posición. Cinética: es la energía del movimiento, puede existir en forma de calor, luz. LAS TRASFORMCIONES BIOLOGICAS DE ENERGIA OBEDECEN LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA. Muchas observaciones realizadas por físicos y químicos sobre las diferentes formas dan como resultado dos leyes fundamentales de la termodinámica. 1.- Principio de la conservación de energía: la cantidad de energía en el universo permanece contante, la energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra pero no puede ser creado y destruido. 2.- Ley de la termodinámica: Se le puede enunciar de diferentes maneras que el universo tiende siempre a un aumento del desorden en todos los procesos naturales físicos y químicos aumentan la empatía (desorden). En pocas palabras los organismos vivos conservan su orden interno, tomando de su entorno energía libre en forma de nutrientes o de luz solar y devolviendo al entorno una igual cantidad de energía en forma de el calor y antro pía. SISTEMA REACCIONANTE Es el conjunto de materia que experimenta estos procesos químicos o físicos puede ser un organismo o una célula también se puede dar en un laboratorio, algunos de estos pueden desarrollarse de manera aislada donde no hay intercambio de materia ni energía. La energía libre de Gibbs.- Es la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperaturas y presión constantes. La entalpía H.- Contenido calórico del sistema reaccionante refleja el número y clase de enlaces químicos en los reactivos y productos. 7 La Entropía (desorden).- Es el desorden de un sistema cuando los productos de una reacción son menos complejos y mas desordenados. VARIACION DE ENERGIA LIBRE REAL Esta depende de las concentraciones de reactivos y productos hay que tener cuidado en distinguir dos cantidades diferentes la variación de energía libre y estándar, cada reacción química tiene una variación de energía libre estándar. Características: Pueden ser positivas o negativas o cero, según cuál sea la constante de equilibrio de reacción. Variación de energía libre estándar: Es la dirección y hasta qué punto debe transcurrir determinada reacción para alcanzar el equilibrio, este principio de bioenergética explica porque una reacción termodinámicamente puede ser impulsada en el sentido desfavorable directo acoplándola una reacción muy exergónica (Una reacción exergónica es una reacción química donde la variación de la energía libre de Gibbs es negativa.) a través de un intermediario común. Del intermediario común es empleado por todas las células vivas en la síntesis de intermediarios metabólicos y componentes celulares solo funciona cuando se dispone de compuestos tales como el ATP de forma continua. TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFORILO Y ATP 8 ATP: Es una moneda de energía que enlaza anabolismo y catabolismo y cede parte de su energía química a procesos endergonicos tales como la síntesis intermediarios metabólicos y macromoléculas, las células heterotróficas obtienen energía química. Consiste en una molécula orgánica asociada a una cadena de 3 fosfatos. VARIACIÓN DE LA ENERGIA LIBRE EN LA HIDROLISIS DE LA ATP ES GRANDE Y NEGATIVA En la mayor parte de las reacciones químicas en que el ATP actúa aportando energía, el único cambio que esta molécula experimenta, es la escisión (o "hidrólisis") del fosfato terminal. La regeneración de ATP, por lo tanto, consiste en la reincorporación de este fosfato a una molécula que previamente lo había perdido (la llamada ADP) con la consiguiente eliminación de una molécula de agua. Esta reacción de regeneración no ocurre espontáneamente, sino que a expensan de una considerable cantidad de energía. Gran parte de esta energía puede recuperarse en la reacción inversa, es decir, el paso de ATP a ADP y fosfato. Con algunas restricciones podemos imaginarnos el ATP como un resorte comprimido y al ADP como un resorte relajado en donde la energía ya se ha liberado. 9 Surge aquí una noción de gran importancia en bioquímica: aquella de acoplamiento que podría formularse en términos de que sólo es posible que el ATP "ayude" energéticamente un proceso a través de una reacción química en que intervenga alguno de los elementos participantes en el proceso. De ahí el papel fundamental de las enzimas que aceleran estas reacciones en la economía energética de los organismos. EL ATP APORTA ENERGIA PARA EL TRANSPORTE ACTIVO Y LA CONCENTRACION MUSCULAR. El ATP puede suministrarse la energía para transportar un ion o una molécula a través de una membrana u otro compartimiento acuoso en donde su concentración es superior. Los procesos de transporte son grandes consumidores de energía, en el riñón y el cerebro humano, por ejemplo hasta dos tercios de la energía consumida en reposo es utilizado para bombear Na y K a través de las membranas plasmáticas la NA+ K+ ATP. Cada siglo del proceso de transporte da lugar a la conversión de ATP en ADP y P es la variación de energía libre de la hidrólisis del ATP la que impulsa los cambios cíclicos en la conformación de la proteína que da lugar al bombeo electro génico de NA+ y K+ En el sistema contráctil de las células del musculo esquelético, la miosima y la actinia están especializadas en el transducción de la energía química del ATP en movimiento. REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN BIOLÓGICAS El movimiento de electrones en las cadenas de transporte electrónico implica una oxidación (compuesto que pierde electrones) y una reducción simultanea (compuesto que acepta electrones) 10 Para que un compuesto se oxide es necesario que otro se reduzca, es decir la oxidación de Un compuesto siempre va acoplada a la reducción de otro. Frecuentemente la pérdida o ganancia de electrones va acompañada de la pérdida o ganancia de hidrogeniones (H+), de forma que el efecto neto es la pérdida o ganancia de Hidrógenos. EL FLUJO DE ELECTRONES PUEDE REALIZAR TRABAJO BIOLÓGICO. Este flujo de electrones en las reacciones de óxido-reducción es el responsable, directa o indirectamente, de todo el trabajo hecho por los organismos vivos. Así, en los organismos que no hacen fotosíntesis la fuente de electrones son compuestos reducidos, mientras que en los organismos fotosintéticos, el donador de electrones inicial es una especia química excitada por acción de la luz solar. Ejemplo: Las oxidaciones son des-hidrogenaciones y las reducciones son Hidrogenaciones, la mayoría de las oxidaciones y reducciones biológicas son de este tipo. Las oxidaciones, también se denominan combustiones y en ellas se desprende energía mientras que en las reducciones se requiere un aporte energético. Los procesos de oxido-reducción tienen gran importancia en el metabolismo, porque muchas de las reacciones del catabolismo son oxidaciones en las que se liberan electrones; mientras que muchas de las reacciones anabólicas son reducciones en las que se requieren electrones. Los electrones son transportados desde las reacciones catabólicas de oxidación en las que se libera, hasta las reacciones anabólicas de reducción en las que se 11 necesitan. Este transporte lo realizan principalmente 3 coenzimas: NAD+, NADP y FAD. NAD+: Di nucleótido de nicotina mida y adenina más conocido como nicotina mida adenín dinucleótido; abreviado NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida, es una coenzima Su función principal es el intercambio de electrones e hidrogeniones en la producción de energía de todas las células. NADP : La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (abreviada NADP+ en su forma oxidada y NADPH+ en su forma reducida) es una coenzima que interviene en numerosas vías anabólicas. FAD: El flavín adenín dinucleótido o dinucleótido de flavina-adenina (abreviado FAD en su forma oxidada y FADH2 en su forma reducida. Es una coenzima que interviene en las reacciones metabólicas de oxidación-reducción. Estas coenzimas no se gastan, ya que actúan únicamente como intermediarios, cuando captan los electrones se reducen y al cederlos se oxidan regenerándose de nuevo. 12 CONCLUSIONES Se logro establecer la bioenergética y termodinámica como actúa en la naturaleza. Logramos Identificar las variaciones libres estándar. Determinamos como funciona el ATP RECOMENDACIÓN Como personal de enfermería es muy importante el estudio de la bioenergética ya que debemos tener un amplio conocimiento de las transformaciones de energía que tienen lugar en la célula, naturaleza y función de los procesos químicos en los que se basan esas transformaciones, las cuales siguen las leyes de la termodinámica y así podemos darnos cuenta del funcionamiento del cuerpo que determina el estado de salud de cada persona ya que este funcionamiento depende de la correcta regulación de factores bioquímicos. 13 VOCABULARIO ANTROPÍA.- En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es una magnitud física que permite, mediante cálculo, determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. ENDERGONICOS.- Son aquellos procesos químicos que requieren aporte de energía para poderse realizarse. REDUCCION Y OXIDACION.- Toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación. FLAVO-PROTEÍNAS.-Son proteínas que contienen un nucleótido derivado de la vitamina B2: la flavín adenín di nucleótido FAD) o flavín mono nucleótido (FMN). DES-HIDROGENACIÓN.-Pérdida de átomos de hidrógeno (generalmente un par) por parte de una molécula orgánica. GRUPO PROSTÉTICO: Es el componente no aminoacídico que forma parte de la estructura de las proteínas conjugadas. 14 15 BIBLIOGRAFIA Robert Muray, harper – Bioquimica, 17ed, manual moderno, 2007 David L. Nelson Lehniger: Principios de Bioquimica 5ª edición, 2007 omega 2007 Werner Muller, ESTERL, Bioquimica, fundamentos patra medicina y ciencias de la vida, Varcelona: reverté, 2008 LINCOGRAFIA http://www.slideshare.net/dicoello/principios-bioenergeticos http://www.slideshare.net/dicoello/principios-bioenergeticos http://www.saludmed.com/CsEjerci/NutDeptv/BioquiEj/Bioq_NuD.hm http://es.scribd.com/doc/56494361/16/PARA-LA-BIOENERGETICAHAY-DOS-PRINCIPIOS-BASICOS 16
