Apunte: bioenergetica | Biología Celular y Molecular | Medicina | | Filadd (2022)

Apunte: bioenergetica | Biología Celular y Molecular | Medicina | | Filadd (1)

Bioenergética

Para realizar sus funciones básicas, la célula deberá generar gran cantidad de

transformaciones energéticas.

Toda reacción química o física tanto en la célula como en todo el universo involucra

una transformación energética, y por lo tanto, obedece a las leyes de la termodinámica.

Tipos de energía según su fuente

En nuestros organismos utilizamos todos estos tipos de energía, gracias a la acción de

células especializadas que traducen una forma de energía en otra, estos mecanismos

existen para todos los tipos de energía excepto para el calor.

Termodinámica

Es la ciencia que estudia los cambios energéticos, en la porción de universo de interés

llamada “sistema” .

Todo lo que rodea al sistema es el entorno, por lo tanto:

ejemplos:

CALOR

LUZ

QUÍMICA

MECÁNICA

ELECTRICA

Sistema: tubo de ensayo.

Hay tres tipos de sistemas termodinámicos.

Abierto: intercambia materia y energía con

el espacio.

Cerrado: solo intercambia energía:

Aislado: no intercambia nada.

Sistema + entorno = universo

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Formas de energía

Para cualquier transformación existen dos formas de energía, tanto a nivel microscópico

como a nivel macroscópico.

Macroscópica

Microscópica

Cinética:

Energía del movimiento

Potencial:

Energía almacenada

Poca energía potencial

Mayor energía potencial

Está transformando su

energía potencial en cinética.

0 energía potencial.

Movimientos

Interacciones

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Leyes

La termodinámica admite la existencia de un conjunto de leyes que gobiernan el

intercambio energético que ocurre en los sistemas.

Ley de la conservación de energía (I)

“La energía del universo permanece constante” o “la energía total de un sistema aislado

se conserva”

Haciendo uso de la química clásica no es posible identificar la energía interna de un

cuerpo o molécula, por eso hacemos uso de la diferencia de energía entre el estado final

y el inicial ( ∆E ).

Sin embargo, no es posible conocer directamente los cambios de E.

Para poder definir los cambios de E energía interna se utiliza la

entalpía (H)

H tampoco se puede medir directamente, pero si es posible medir los cambios al

principio y al final de la reacción (∆H). Esto no se puede hacer con la energía interna.

y

E

sistema

+ E

entorno

= E

universo

= Constante

Siendo E = energía interna.

E = Q + W.

(Video) ♡COMO HAGO MIS APUNTES ? | MEDICINA♡

Calor añadido

al sistema.

Trabajo realizado sobre el sistema.

(Agregamos

signo en caso de

querer utilizar el trabajo realizada

por el sistema.)

H = E + PV

entalpía

Energía interna

Trabajo de expansión

(presión . volumen)

H = H

final

- H

inicial

H = E + PV

Como las células en un tubo de

ensayo están a P y V constantes:

PV = 0

H = E

Las variaciones de entalpía

medibles, serán iguales a las

variaciones de energía interna.

H es la cantidad de calor desprendido o absorbido por el sistema en condiciones de P y V

constantes.

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H es negativo cuando el sistema pierde calor, se dice que la reacción

o el proceso es exotérmico.

H

es positivo cuando el sistema absorbe calor, se dice que la

reacción o el proceso es endotérmico.

En una reacción química, el H representa los cambios en número y

tipo de enlaces químicos entre los reactivos y los productos.

H no nos da información sobre el sentido de la reacción.

Ley del incremento de la entropía (II)

Esta ley, concierne al sentido en el que se dará una reacción espontanea.

En un sistema aislado:

En todas las transformaciones energéticas, la energía potencial del estado

final será siempre inferior a la del estado inicial.

Todo proceso evoluciona hacia el equilibrio.

Todo intercambio energético, ocurre en el sentido del aumento de la

entropía.

En un sistema aislado, sólo existirá una transformación cuando ∆S > 0.

Por lo tanto, en un sistema aislado S puede no modificarse (en equilibrio),

aumentar, pero nunca disminuir.

Nos indica en qué sentido ocurrirán los eventos a lo largo del tiempo.

Los fenómenos son irreversibles, de forma espontanea no podemos disminuir el

desorden.

Por lo tanto, la energía interna tiene dos componentes: la energía libre de Gibbs y la

parte de energía que se pierde con el desorden ( T∆S )

En un sistema aislado:

Procesos espontáneos:

Son aquellos que pueden ocurrir sin

intervención externa ( energía o trabajo).

Que sean espontáneos, no significa que

vayan a ocurrir.

Entropía (S):

Propiedad que mide el grado de desorden.

No es posible medirla de forma absoluta,

sino que se miden sus cambios. S = S

f

- S

i

Trabajo útil:

Trabajo que no es trabajo de expansión.

Energía libre de Gibbs (G):

Máximo potencial del sistema, de realizar

un trabajo útil.

H= E H = G + TS

H = 0

TS> 0

G< 0

Toda transformación en un sistema

aislado, ocurre con pérdida de

energía libre y aumento de entropía.

(Video) APUNTE DIGITAL PASO A PASO | Studiescah

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En un sistema abierto:

Si una reacción química

tiene ∆G negativo, se dice

que es exergónica, y de

ocurrir, lo hará de izquierda

a derecha.

Si la reacción de A a B tiene

∆G negativo, la reacción de

B a A tendrá ∆G positivo y

será endergónica.

La única forma de que ocurra de manera espontánea, será de forma inversa.

Cuando ∆G = 0 la reacción estará en equilibrio.

Del punto de vista termodinámico las reacciones son irreversibles, A se

transformará en B hasta que alcance el equilibrio, donde ∆G será igual a 0 y por

lo tanto, no podrá ocurrir ninguna otra transformación.

Reacción espontanea.

Aunque la reacción es exergónica, para ocurrir, la

molécula deberá superar la energía de activación.

Si ninguna molécula alcanza la energía de

activación, la reacción, a pesar del ∆G favorable

no va a ocurrir.

El rol de las enzimas es disminuir esta energía de

activación, pero no modifican el ∆G.

En una reacción en equilibrio, las moléculas se encuentran en un

pozo energético del que no pueden salir, y la energía libre de Gibbs

es igual a 0.

Toda transformación espontánea en un sistema abierto, ocurre con G < 0

Cuanto más acumuladas estén las

moléculas en un punto fijo del

sistema, mayor será la energía libre

de Gibbs.

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S

sistema

+ S

entorno

= S

universo

> 0

Si la entropía del sistema disminuye, la del entorno debe aumentar, para

satisfacer la segunda ley y conservarse igual a la del universo.

Cuando ocurre una reacción en una lula disminuye su entropía, pero libera

energía que saldrá de la célula en forma de calor, aumentando la energía

cinética de las moléculas del entorno y por ende la entropía.

Reacciones químicas

En una reacción química podemos determinar [A] y [B]

A B

G = cte + RT.ln

[𝐵]

[𝐴]

Constante de los gases

Temperatura absoluta

G =G°´ + RT.ln

[𝐵]

[𝐴]

G =G°´ + 2,303RT.log

[𝐵]

[𝐴]

Si A>B el log < 0, y por lo

tanto, todo el término

sumando será negativo.

No es suficiente que el sumando sea

negativo para que se de la reacción, sino

que la suma debe ser negativa, por lo

tanto, G°´ debe ser menor que el opuesto

del sumando

Si A/B =1 el log = 0, y por lo tanto,

todo el sumando vale 0. Por lo

tanto G =G°´

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(Video) MÉTODOS DE ESTUDIO EN BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR

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Si la reacción está en equilibrio:

ATP en el metabolismo

La hidrólisis del ATP tiene un ∆G°´ muy negativo, es decir, con un valor

absoluto alto. Este será muy importante para determinar que el ∆G°´ de la

reacción final sea negativo.

La célula logro desarrollar un sistema muy eficiente para la síntesis de ATP, y

en general, la concentración del ATP en el citosol es más que el doble de la del

ADP.

Por lo tanto (en el citosol) [B]/[A] < 1, es decir, el sumando va a ser negativo, y

junto con el ∆G°´ ya negativo generen que la hidrolisis del ATP sea un evento

muy favorable energéticamente.

reacciones acopladas

Las reacciones se acoplan para transmitirse energía una a otra.

Una reacción de ∆G negativo, se acopla a una de ∆G positivo para que esta

última tenga lugar.

Función de estado

Son aquellas en las que la diferencia entre un estado y otro no se

ve afectada por los estados intermedios para llegar al estado final.

En este ejemplo, el que está arriba del trampolín es el que tiene

mayor energía potencial, no importa la energía, el tiempo ni el

camino que utilizó para llegar hasta el trampolín.

La Ep será la misma subiendo por la escalera o si lo llevaron en

helicóptero. En una función de estado, la transformación global

es igual a la suma de las transformaciones parciales.

Por ejemplo, si sumamos la Ep que el que va a saltar ganó cada

vez que subía un escalón, o solo consideramos la Ep final de

cuando lo dejó el helicóptero, será lo mismo.

0 =G°´ + RT.ln

[𝐵𝑒𝑞]

[𝐴𝑒𝑞]

G°´ =- RT.ln

[𝐵𝑒𝑞]

[𝐴𝑒𝑞]

G°´ = -RT.ln Keq

ATP + H

2

O ADP + P

I

G°´= -31Kj/mol

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ATP

(adenosina-tri-fosfato)

Nucleótido de Adenina que tiene tres grupos fosfatos unidos al C5 de la ribosa.

A estos grupos se los identifica por

las letras griegas α, β y γ.

El enlace entre el grupo α y el β y

entre el β y el γ es un enlace

fosfoanhidrido.

Ambos tienen la misma energía de

hidrólisis estándar, y es altamente

negativa (-31Kj/mol

-1

)

A los enlaces cuya energía estándar de hidrolisis

son menores que -25kj/mol se les llama de alta

energía. Los cuales se representan con una línea

ondulada de forma gráfica.

Si se hidroliza el enlace α-β ATP, los productos son: Fosfato

inorgánico (P

i

) + Adenosina difosfato (ADP)

Si se hidroliza el enlace β-γ ADP, los productos son: Fosfato

inorgánico (P

i

) + Adenosina monofosfato (AMP)

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Reacciones acopladas: ejemplos.

La energía libre de la transformación global = suma de las transformaciones

parciales. Ya que es una función de estado.

Para que dos reacciones se puedan acoplar, deberán tener un intermediario común.

Ej. Primer transformación que sufre la glucosa luego de ingresar a la célula + reacción

de hidrólisis del ATP.

En condiciones estándar:

Si se hidroliza el enlace β-γ ATP, los productos son:

Pirofosfato inorgánico (PP

i

) + Adenosina monofosfato (AMP)

El PPi conserva un enlace de alta energía, que podrá ser

(Video) Apuntes biología 1 y 2 parcial

hidrolizado en otra reacción.

Glucosa + Pi glucosa-6-P + H

2

O G°´ = 14,3 kJ/mol

-1

Esta es una reacción

endergónica, que no va

a tener lugar a no ser

que se acople con otra.

ATP + H

2

O ADP + Pi G°´ = -30,5kJ/mol

-1

Fuertemente exergónica.

Glucosa + ATP glucosa-6-P + ADP G°´ = - 16,2kJ/mol

-1

La reacción final tiene un G°´

negativo, y podrá ocurrir de

izquierda a derecha.

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En condiciones estándar:

El ATP es el principal

intermediario energético de la

célula, la energía de los nutrientes

se transfiere el ATP, y el ATP se

acopla a numerosas reacciones

endergónicas, para que las

reacciones sumas sean

exergónicas.

Gradiente químico

Las células, también fueron capaces de generar mecanismos para poder usar como

intermediario la energía libre almacenada en forma de gradientes.

Se denomina gradiente químico, a la concentración diferencial de una sustancia a lo

largo del espacio o a través de una membrana.

A + ATP B + AMP + PPi G°´ = 15kJ/mol

-1

PPi + H

2

O 2Pi G°´ = -33kJ/mol

-1

A + ATP B + AMP + 2Pi G°´ = -18kJ/mol

-1

Gradiente continuo, no hay límite

neto entre una región y otra en

el espacio donde se están

esparciendo las moléculas.

Gradiente discontinuo, un compartimento

limitado por una membrana, tiene una

diferente [Soluto] que la de su entorno.

En la imagen de la izquierda, el interior

tiene un contenido de energía libre mayor

que su entorno, y las moléculas se moverán

desde el interior hacia el exterior.

Lo contrario ocurrirá en la de la derecha.

Generar un gradiente químico, es una forma

de almacenar energía.

Si las partículas tienen carga eléctrica, se

considera un gradiente electroquímico

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Síntesis de ATP

El principal mecanismo de síntesis de

ATP de los organismos animales,

utiliza la energía de un gradiente de

protones generado a través de la

membrana mitocondrial interna.

Los protones pasan por el interior de la

enzima ATP sintasa a favor de su caída

de energía libre, y esta es acoplada a la

síntesis de ATP que es endergónica. El

conjunto de los dos procesos es

exergónico como exige la segunda ley.

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Author: Zonia Mosciski DO

Last Updated: 11/06/2022

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