Bioenergética
Tema 16: Introducción al
metabolismo y Bioenergética CONTENIDOS •Fuentes de Carbono y Energía para el Metabolismo: Anabolismo y Catabolismo •Bases termodinámicas de las reacciones bioquímicas: Variación de energía libre. •Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas. •Compuestos ricos en energía: Potencial de transferencia de ~P • ATP y su papel biológico.
Introducción al metabolismo Metabolismo:
Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo (vías metabólicas). Las vías metabólicas son interdependientes y sus actividades están coordinadas
Funciones: Degradar moléculas nutrientes para obtener energía química y para convertirlas en biomoléculas componentes de la célula Polimerizar precursores monoméricos en macromoléculas Sintetizar y degradar biomoléculas necesarias en funciones especializadas
Introducción al metabolismo
Nutrientes que contienen energía
Catabolismo
Carbohidratos Grasas Proteínas
Macromoléculas celulares • Proteínas • Polisacáridos • Lípidos • Ácidos nucleicos
Productos finales de baja energía
Energía química
Anabolismo
CO2 H2O NH3
Moléculas precursoras • Aminoácidos • Azúcares • Ac grasos • Bases nitrogenadas
Características Metabolismo: Suma de transformaciones químicas que se producen en una célula u organismo Las reacciones enzimáticas están organizadas en las rutas metabólicas Un precursor se convierte en producto a través de intermediarios: metabolitos Cada reacción ocasiona un pequeño cambio químico específico
Catabolismo
Anabolismo
Fase de degradación Liberación de energía
Biosíntesis Requiere energía
Bioenergética Células y organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materiales y energía con su entorno. Aprovechan la energía: A partir de la energía solar A partir de componentes químicos de su entorno (nutrientes) Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico. Biosíntesis (anabolismo) Trabajo mecánico (contracción muscular) Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente) Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso)
Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. La única energía que pueden utilizar las células es la energía libre Energía libre de Gibbs (G)
Bioenergética Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la termodinámica Principio de conservación de la energía Aumento natural del desorden
∆G = ∆H - T ∆S Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes Entalpía (H): contenido calórico del sistema ∆H > 0
Reacción endotérmica (absorbe calor)
∆H < 0
Reacción exotérmica (libera calor)
Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema ∆S > 0
Aumenta entropía en el sistema
∆S < 0
Disminuye entropía en el sistema
Energía libre de Gibbs Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes Proporciona información sobre: La dirección de la reacción química Composición en el equilibrio La cantidad de trabajo desarrollado Variación de energía libre (∆G) Predice si una reacción es factible o no
Reactivos GR
Productos GP
∆G = GP - GR
∆G = 0
Proceso en equilibrio
∆G > 0
Reacción endergónica, consume energía
∆G < 0
Reacción exergónica, genera energía (espontánea)
Bioenergética
Relación entre ∆G y K de equilibrio
A+B Keq =
C+D [C]eq [D]eq [A]eq [B]eq
∆G = 0
∆G = - RT ln Keq
En condiciones estándar:
25º C, 1 atm presión, [R] y [P] = 1 M
∆Go
En condiciones fisiológicas:
pH = 7
∆G´ ∆G´ = - RT ln K´eq
∆G´ es una forma de expresar la constante de equilibrio, característica de cada reacción bioquímica
Bioenergética
Relación entre ∆Gº y ∆G ∆Go = variación de E libre en condiciones estándar. Valor fijo para cada reacción
∆G = variación de E libre real. Es variable, depende [R] y [P] y de la Tª ∆G = ∆Go + RT ln Si la reacción está en el equilibrio ∆G
0 = ∆Go + RT ln
[C] [D] [A] [B]
=0
[C]eq [D]eq [A]eq [B]eq
Si la reacción es en condiciones fisiológicas
∆Go = - RT ln Keq
∆Go’ = - RT ln K’eq
Relación entre ∆G’º y K’eq K´eq < 1
∆Go´ (+)
R
P
endergónica
K´eq = 1
∆Go´ (0)
R
P
equilibrio
K´eq > 1
∆Go´ (-)
R
P
espontánea
∆Go´ = - RT ln K´eq
Tabla que recoge algunas relaciones entre los valores de las variaciones de energía libre y las K de equilibrio de las reacciones
Acoplamiento energético de las reacciones bioquímicas
A
∆Go´
B 1
∆Go
´2
C
∆Go
´3
D
Las ∆Go´ de reacciones secuenciales son aditivas
A
∆Go´TOTAL = ∆Go´1 + ∆Go´2 + ∆Go´3
D
Las reacciones exergónicas espontáneas endergónicas para que éstas tengan lugar
A
B Exergónica ∆ G o ´1 < 0
C
se acoplan a reacciones
Endergónica ∆ G o ´2 > 0
∆Go´TOTAL = ∆Go´1 + ∆Go´2
D
∆Go´T < 0
Ejemplo de Acoplamiento energético ATP
ADP ∆G´o2 = -30,5 kJ/mol
∆G´o1 = 13,8 kJ/mol
Glucosa
Glucosa + Pi ATP + H2O Glucosa + ATP
Glucosa 6-P
Glucosa 6-P + H2O ADP + Pi Glucosa 6-P + ADP
∆G´oTOTAL = ∆G´o1 + ∆G´o2 = 13,8 + (-30,5) = -16, 7 kJ/mol Reacción global exergónica
Compuestos ricos en energía y Potencial de transferencia de P ̴ El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exergónicas está mediado por intermediarios de alta energía Los compuestos ricos en energía: Liberan la energía mediante hidrólisis y transferencia de grupo (rotura enlace rico en energía ~) Transfieren la energía en una sola reacción Son aquellos que ceden una energía > 25 kJ/mol (potencial de transferencia de grupo) Potencial de transferencia de grupo: Capacidad de un compuesto para de ceder “el grupo” a otra sustancia,. Se mide por la energía libre desprendida en la hidrólisis del enlace de alta energía. Grupos transferidos:
Fosfato
Acilos
ATP ATP: 5’-Adenosina trifosfato: Adenina Enlace fosfoéster Enlace fosfoanhidro
5´-Adenosina trifosfato
Ribosa
Nexo entre procesos dadores de energía y procesos biológicos consumidores de energía
ATP ATP + H2O
ADP + Pi
∆G´o = -30,5 kJ/mol Concentración nucleótidos de guanina y Pi en algunas células
En células ∆Go´ ≠ ∆G´ [ATP], [ADP] y [Pi] ≠ 1M
∆G´ = ∆Go´ + RT ln
[ADP] [Pi] [ATP]
∆G´ = -30,5 + RT ln
∆G´ = -51,8 kJ/mol
[2,5x10-4] [1,65x10-3] [2,25x10-3]
Otros metabolitos ricos en energía 1,3-Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato + Pi
∆G´o = -49,3 kJ/mol
Fosfocreatina
Creatina + Pi
∆G´o = -43 kJ/mol
Fosfoenolpiruvato
∆G´o de hidrólisis (kJ/mol)
1,3-Bisfosfoglicerato Fosfocreatina
Compuestos Fosfato de alta energía ATP Compuestos Fosfato de baja energía
Glucosa-6-fosfato Glicerol-3-fosfato
Flujo de grupos P Dadores de P de alta energía
ATP
Aceptores de P de baja energía
Valores de energía libre estándar de la hidrólisis de algunos compuestos biológicos de interés
Fosfoenolpiruvato (PEP) 1,3-Bisfosfoglicerato (1,3-BPG)
Fosfocreatina
