U.T.I. Biología Celular      Bioenergética eintroducción al metabolismo                          Departamento de Bioquímic...
DefinicionesLA TERMODINAMICA ES LA CIENCIA QUEESTUDIA LA ENERGIA Y SUS TRANSFORMACIONESLA BIOENERGETICA O TERMODINÁMICABIO...
DefinicionesLA ENERGÍA DEL UNIVERSO ES CONSTANTELA ENTROPÍA DEL UNIVERSO ESTÁ AUMENTANDO
DefinicionesSISTEMA: Es la porción de universo que tomamoscomo objeto de estudio. Existen tres tipos desistemas:SISTEMAS A...
Energía Total de un SistemaLa suma de todas las formas de energía de un sistema se denomina energía total, la cual es la s...
Energía Interna de un Sistema
Concepto de Equilibrio          Termodinámico• Un sistema se define como termodinámicamente  en equilibrio si mantiene un ...
Primera ley de la termodinámica“Conservación de la energía”La energía no se crea ni se destruye. Seconserva constante y pu...
Entalpía - ∆H representa la medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a presión constante:           H = E + P...
- ∆H > 0 Reacción endotérmica- ∆H < 0 Reacción exotérmica
Segunda ley de la termodinámica‘Los procesos espontáneos tienden a aumentar laentropía hasta un valor máximo’La segunda le...
Entropía (S)•La entropía es una medida del grado de desorden de unsistema.• Los sistemas moleculares tienen una tendencia ...
Entropía (S)Baja entropía                    Alta entropía•Hielo a 0ºC                     •Agua a 0ºC•Un diamante a 0ºK  ...
Diffusion as an entropy-driven                        processSistema está en equilibrio   El sistema se aleja del         ...
La energía libre de Gibbs (G):         Un indicador de espontaneidad• Los sistemas biológicos son sistemas abiertospor lo ...
La energía libre de Gibbs (G):       Un indicador de espontaneidad•    Conceptualmente podemos definir ∆G como la    fracc...
La energía libre de Gibbs (G):      Un indicador de espontaneidad• Una nueva forma de enunciar la segunda ley (lamás impor...
∆G = ∆ H - T ∆ S
∆G=+213J/mol               ∆G=-225J/mol   Hielo        Agua
Contribución de S y H a las reacciones químicas      Cambios           Reacción dirigida   Reacción dirigida      favorabl...
∆G y concentración. Condiciones Estándar ∆G es influenciada por las características de las moléculas reaccionantes, temper...
∆G y concentración A+B    C+D
Para una reacción simple:          ∆G= ∆Go’ + RT ln [productos]                            [reactivos]En otras palabras, ∆...
En el equilibrio• En el equilibrio ∆G=0• ∆Gº y K’eq se relacionan de la siguiente  forma:       A+B     C+D     K’eq= [C][...
Relación K’eq y ∆G’º en reacciones químicas                 en condiciones estándar                   A+B         C+D     ...
Energía Libre de Activación∆G
Reacciones acopladas
Reacciones acopladasUna cantidad termodinámica (ej: ∆G, ∆H o∆S) nos indica que una reacción espermitida, A   B está “permi...
Reacciones acopladas
Introducción al metabolismo
DefinicionesMetabolismo: actividad celular muy coordinada y dirigida en la que muchos sistemas multi- e                   ...
DefinicionesCinco características principales del metabolismo:1. Las vías metabólicas son irreversibles2. Las vías anabóli...
Ciclos del C, O y N en la biosfera
Estados de oxidación del Carbono
Relación entre catabolismo y anabolismo
Diferentes tipos de rutas metabólicas
Reacciones acopladas en el metabolismo
COMPUESTOS FOSFATO DE    “ALTA ENERGÍA”
Ciclo del ATP
Factores que influyen en el ∆G de hidrólisis del ATP                                 1. Repulsión electrostática          ...
Flujo de grupos fosfato
Estabilización por resonancia de los fosfatos
Topografía del metabolismo
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  1. 1. U.T.I. Biología Celular Bioenergética eintroducción al metabolismo Departamento de Bioquímica Noviembre de 2005
  2. 2. DefinicionesLA TERMODINAMICA ES LA CIENCIA QUEESTUDIA LA ENERGIA Y SUS TRANSFORMACIONESLA BIOENERGETICA O TERMODINÁMICABIOQUÍMICA ES EL ESTUDIO DE LOS CAMBIOS DEENERGÍA QUE OCURREN EN LAS REACCIONESBIOQUÍMICAS
  3. 3. DefinicionesLA ENERGÍA DEL UNIVERSO ES CONSTANTELA ENTROPÍA DEL UNIVERSO ESTÁ AUMENTANDO
  4. 4. DefinicionesSISTEMA: Es la porción de universo que tomamoscomo objeto de estudio. Existen tres tipos desistemas:SISTEMAS AISLADOSSISTEMAS CERRADOSSISTEMAS ABIERTOSESTADO DE UN SISTEMA: es el conjunto depropiedades que permiten definirlo (ej.: P, V, T) SISTEMA + ENTORNO= UNIVERSO
  5. 5. Energía Total de un SistemaLa 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 la energía molecular de un sistema (energía de las moléculas, sus interacciones, energía de protones, etc.).
  6. 6. Energía Interna de un Sistema
  7. 7. Concepto de Equilibrio Termodinámico• Un sistema se define como termodinámicamente en equilibrio si mantiene un equilibrio térmico, mecánico, de fase y químico.
  8. 8. Primera ley de la termodinámica“Conservación de la energía”La energía no se crea ni se destruye. Seconserva constante y puede interconvertirse. ∆E = q – wq es el calor hacia el sistemaw es el trabajo hecho por el sistemaE es la energía interna y ∆E la variación entre elestado final y el inicial. Es una función de estado
  9. 9. Entalpía - ∆H representa la medida del cambio de energía que ocurre en un proceso a presión constante: H = E + PV or ∆H = ∆E + P∆V cambio en energíaEl cambio de entalpía depende únicamente del estadoinicial y final de la reacción, por lo que constituye unafunción de estado. A volumen constante: ∆H = ∆ESi el sistema es una reacción química la entalpía es elcalor de reacción a presión constante
  10. 10. - ∆H > 0 Reacción endotérmica- ∆H < 0 Reacción exotérmica
  11. 11. Segunda ley de la termodinámica‘Los procesos espontáneos tienden a aumentar laentropía hasta un valor máximo’La segunda ley provee criterios para determinar siun proceso se producirá o no pero no nos dice nadaacerca de la velocidad del procesoLa termodinámica permite predecir si un procesoocurrirá espontáneamenteLa cinética química permite predecir a qué velocidadse produce dicho proceso
  12. 12. Entropía (S)•La entropía es una medida del grado de desorden de unsistema.• Los sistemas moleculares tienen una tendencia hacia elmáximo desorden.• La segunda ley se puede resumir como:∆Ssistema + ∆Sentorno= ∆Suniverso>0 en todo proceso real S = k ln W•S= Entropía•K= Constante de Boltzmann•W= es el número de formas diferentes que se puedenencontrar los componentes del sistema
  13. 13. Entropía (S)Baja entropía Alta entropía•Hielo a 0ºC •Agua a 0ºC•Un diamante a 0ºK •Un diamante a 106 ºK•Una molécula de proteína •La misma molécula deen su conformación nativa proteína en un entorno desnaturalizante, desplegada
  14. 14. Diffusion as an entropy-driven processSistema está en equilibrio El sistema se aleja del equilibrio, y se El sistema vuelve alporque las moléculas se encuentra más equilibriodistribuyen al azar ordenado La tendencia al equilibrio es una consecuencia de la tendencia al aumento de la entropía. La entropía del universo NUNCA disminuye (i.e.,la transición de (c) a (b) no ocurre nunca espontáneamente)
  15. 15. La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad• Los sistemas biológicos son sistemas abiertospor lo cual se requiere una nueva función deestado que incluya tanto energía como entropía.• La variación de energía libre de Gibbs (G) es lafunción de estado que mejor describe la segundaley en estos sistemas. ∆G = ∆ H - T ∆ S ∆ G es la diferencia de energía libre ∆ H es la diferencia de entalpía ∆ S es la diferencia de entropía (a T y P constantes) T es la temperatura absoluta (en K)
  16. 16. La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad• Conceptualmente podemos definir ∆G 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. ∆G = - w(trabajo máximo)• Cuanto más alejado esté el sistema del equilibrio, más trabajo podrá realizar1. Los sistemas vivientes se encuentran alejados del equilibrio parapoder realizar trabajo
  17. 17. La energía libre de Gibbs (G): Un indicador de espontaneidad• Una nueva forma de enunciar la segunda ley (lamás importante para nuestros fines) sería:“Dado un sistema abierto, el criterio para que unproceso sea espontáneo a P y T constantes, es que∆G sea negativo". ∆G < 0 Proceso exergónico ∆G > 0 Proceso endergónico En el equilibrio, ∆G = 0.
  18. 18. ∆G = ∆ H - T ∆ S
  19. 19. ∆G=+213J/mol ∆G=-225J/mol Hielo Agua
  20. 20. Contribución de S y H a las reacciones químicas Cambios Reacción dirigida Reacción dirigida favorables de S por H por S yH
  21. 21. ∆G y concentración. Condiciones Estándar ∆G es influenciada por las características de las moléculas reaccionantes, temperatura, presión etc. Las condiciones estándar para la energía libre (∆G˚’) 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
  22. 22. ∆G y concentración A+B C+D
  23. 23. Para una reacción simple: ∆G= ∆Go’ + RT ln [productos] [reactivos]En otras palabras, ∆G es la suma de dospartes: ∆Go’, que depende de las propiedadesintrínsecas de las moléculas reaccionantes,más una función que depende de laconcentración.Como se ve, ∆G se vuelve más negativo amedida que disminuye la relación deproductos/reactivos.
  24. 24. En el equilibrio• En el equilibrio ∆G=0• ∆Gº y K’eq se relacionan de la siguiente forma: A+B C+D K’eq= [C][D] [A][B] ∆Gº’ = -RT ln Keq •Si ∆Go’ es negativo, K’eq > 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de C y D) •Si ∆Go’ es positivo, K’eq < 1 (la reacción ocurrirá espontáneamente hacia la formación de A y B).
  25. 25. Relación K’eq y ∆G’º en reacciones químicas en condiciones estándar A+B C+D ∆Gº’ = -RT ln KeqCuando K’eq es ∆Gº’ es Con 1M de componentes>1.0 Negativo Hacia la derecha=1.0 Cero Equilibrio<1.0 Positivo Hacia la izquierda
  26. 26. Energía Libre de Activación∆G
  27. 27. Reacciones acopladas
  28. 28. Reacciones acopladasUna cantidad termodinámica (ej: ∆G, ∆H o∆S) nos indica que una reacción espermitida, A B está “permitida”;B A no es espontánea, a menos que se leacople otra reacción favorecida (ej: ATPADP)Sin embargo, para que la reacción seproduzca, la energía neta debe descender(i.e., ∆G total debe ser negativa.)
  29. 29. Reacciones acopladas
  30. 30. Introducción al metabolismo
  31. 31. DefinicionesMetabolismo: actividad celular muy coordinada y dirigida en la que muchos sistemas multi- e nzimáticos cooperan para cumplir 4 funciones: • obtener energía química a partir de nutrientes ricos en energía • convertir moléculas nutrientes en moléculas características de la propia célula • polimerizar precursores monoméricos a proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, polisacáridos y otros • Sintetizar y degradar biomoléculas requeridas en funciones celulares especializadas
  32. 32. DefinicionesCinco características principales del metabolismo:1. Las vías metabólicas son irreversibles2. Las vías anabólicas y catabólicas deben ser diferentes3. Cada vía metabólica tiene un primer paso limitante4. Todas las vías metabólicas están reguladas finamente5. En los eucariotas las vías metabólicas transcurren en localizaciones celulares específicas
  33. 33. Ciclos del C, O y N en la biosfera
  34. 34. Estados de oxidación del Carbono
  35. 35. Relación entre catabolismo y anabolismo
  36. 36. Diferentes tipos de rutas metabólicas
  37. 37. Reacciones acopladas en el metabolismo
  38. 38. COMPUESTOS FOSFATO DE “ALTA ENERGÍA”
  39. 39. Ciclo del ATP
  40. 40. Factores que influyen en el ∆G de hidrólisis del ATP 1. Repulsión electrostática 2. Estabilización por resonancia del Pi saliente 3. Ionización del ADP 4. Mayor solvatación de ADP + Pi que ATP [ADP][Pi] ∆G = ∆Go’ + RT ln [ATP] [ADP] = 0,25 x 10-3 M [Pi] = 1,65 x 10-3 M [ATP] = 2,25 x 10-3 M ∆G = -51,8 KJ/mol
  41. 41. Flujo de grupos fosfato
  42. 42. Estabilización por resonancia de los fosfatos
  43. 43. Topografía del metabolismo

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