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BIOENERGÉTICA La bioenergética puede definirse como el estudio de los cambio de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas (termodinámica bioquímica). También se encarga del enfoque termodinámico de los procesos biológicos a nivel molecular. Los organismos vivos se dividen en dos grandes grupos, según la forma química por la que obtienen carbono del medio: -

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Autótrofos: utilizan carbono inorgánico (CO 2 ) como fuente de carbono: o Quimioautótrofos: oxidan cmpuestos inorgánicos para generar ATP y NADPH o Fotoautótrofos: utilizan fotones de la luz visibles para generar ATP y NADPH (agua como donador de electrones). Heterótrofos: utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono y electrones. o Fotoheterótrofos: utilizan luz como fuente de energía y compuestos orgánicos como fuente de carbono. o Heterótrofos “verdaderos”: oxidan moléculas orgánicas para generar ATP y NADPH.

El metabolismo trata de obtener energía química mediante la captura de en energía solar o mediante la degradación de nutrientes tomados del medio ricos en energía. Luego se conviertes esos nutrientes en moléculas propias de la célula y se polimerizan precursores monoméricos en macromoléculas. Asimismo, se sintetizan y degradan biomolécular requeridas para funciones especiales: lípidos de membrana, mensajeros intracelulares, pigmentos…

METABOLISMO

El metabolismo intermedio se divide en: -

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Rutas catabólicas: transforman moléculas grandes en pequeñas mediante reacciones de oxidación, generando energía en forma de ATP, NAD(P)H, etc. Rutas anabólicas: se sintetizan moléculas grandes a partir de moléculas pequeñas mediante reacciones de reducción consumiendo energía metabólica.

El contacto entre catabolismo y anabolismo es el ATP y NADPH. Éstos se genran en precesos degradativos y se consumen en reacciones biosintéticas. Las rutas catabólicas (fundamentalmente glicolisis y TCA) contribuyen con esqueletos carbonados para que comiencen numerosas rutas anabólicas (2,3-BPG a partir de 1,3-BPG; F2,6-BP; Acetil-CoA; varios intermediarios del TCA). -

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2,3-BPG se produce a partir de 1,3-BFG (que no sigue la glucolisis) y es un efector alosterico de la Hb. Facilita la entrega de O2 a los tejidos porque disminuye la afinidad de la Hb por el O2. F 2,6-BP a partir de 1,6; es un factor alosterico que estimula la actividad de la fosfofructokinasa. Acetil CoA: en vez de seguir el ciclo de Krebs, sale al citosol para sintetizar ácidos grásos, colesterol, cuerpos cetónicos, etc. Intermediarios del TCA: o siguen el ciclo o se usan con fines biosinteticos, como el succinil CoA para sintetizar porfirinas.

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Las rutas catabólicas son convergentes, y las anabólicas son divergentes.

REGULACIÓN DE LAS RUTAS METABÓLICAS Las rutas metabólicas están reguladas lo que sirve para que la velocidad de la via se adapte a las necesidades de la celula y para que las rutas de síntesis y degradación no estén activas a la vez. Sin embargo, no hay que considerar las rutas anabólicas y catabólicas como inversas, muchas de ellas tienen a menudo localización diferente. La regulación se da a tres niveles: -

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Por enzimas alostéricos, capaces de cambiar la actividad catalítica en respuesta a moduladores estimuladores o inhibidores. (el ATP y el AMPc actúan en procesos de regulación alosterica) Mediante regulación hormonal (se unen a receptores de membrana, que estimulan la actividad de otros receptores) Por regulación de la concentración de un enzima en la célula.

Las reacciones bioquímicas que se llevan a cabo en los organismos vivos se ajustan a las leyes físicoquímicas de la naturaleza y están sometidas a las leyes de la termodinámica.

LEYES DE LA TERMODINÁMICA -

Primera ley: en cualquier cambio físico o químico, la cantidad total de energía en el universo permanece constante. La energía puede cambiar de forma o puede ser transportada de una región a otra, pero no puede se creada, o destruida. Segunda ley: en todos los procesos natrales, la entropía del universo aumenta.

SISTEMA DE REACCIÓN

El sistema de reacción es el conjunto de materia que está experimentando un proceso químico o físico determinado, tanto en un organismo como en una célula. Así, por tanto:

𝑆𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑟𝑛𝑜 = 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜

Las células son sistemas ABIERTOS, ya que intercambian con su entorno tano materiales como energía. Los sistemas vivos no se encuentran nunca en equilibrio con su entorno. Las constantes transacciones entre el sistema y el entorno explican cómo los organismo pueden crear orden en su interior al tiempo que operan dentro de la segunda ley de la termodinámica.

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BIOENERGÉTICA Las variables termodinámicas que describen los cambios que tienen lugar en una reacción química son la energía libre de Gibbs (ΔG), entalpía (ΔH) y entropía (ΔS), y están relacionadas tal que: ∆𝐺 = ∆𝐻 − 𝑇 ∆𝑆

Donde H es la tendencia a adquirir el estado de enlace energéticamente más estable y S es la tendencia a conseguir el mayor grado de desorden. H expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. S permite determinar la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. ΔG es un potencial termodinámico, con unidades de energía, que da la condición de equilicrio y de espontaneidad para una reacción química ( a presión y temperatura constantes).

En una reacción, si ΔH > 0, la reacción es endotérmica (absorbe calor); mientras que si ΔH < 0 es exotérmica (desprende calor).

ENERGÍA LIBRE DE GIBBS

La energía libre (G) es la cantidad de energía de un sistema para realizar trabajo biológico, a presión y temperatura constantes. -

Si ΔG < 0, la reacción es exergónica o espontanea (se desprende energía) Si ΔG > 0, la reacción es endergónica, no espontanea (se consume energía) Si ΔG = 0, la reacción está en equilibrio

Un proceso tiene a producirse si ΔG es negativa. Sin embargo, las reacciones concretas en una reacción global pueden ser endergónicas, puesto que estas reacciones son acopladas a otras que sí desprenden energía, de modo que el proceso total es exergónico. La fuente principal de energía proviene del ATP y GTP. En este ejemplo, la tercera reacción es exergónica, pese a que la primera sea endergónica. Eso se debe a que la segunda reacción (la hidrólisis del ATP) es más exergónica y cede la energía que se necesita para la primera reacción.

La energía libre ES UNA FUNCIÓN DE ESTADO, por lo que no depende del mecanismo seguido, sino del estado final e inicial. ΔG ni proporciona información sobre la velocidad de la reacción, solo si esta se va a dar o no.

Gibbs demostró que el cambio de energía libre ΔG real de una reacción química se da en función de la ΔG estándar (ΔG°, una constante específica de cada reacción específica) y de un término que expresa la concentración inicial de reactivos y productos. ΔG° se define a 25ºC cuando la concentración de reactivos y productos es 1M y a 1 atm de presión, y a pH = 0. En bioquímica ΔG°’ se define a pH = 7 y [H 2 O] = 55,5 M. Cuando un sistema de reacción no está en equilibrio, la tendencia a desplazarse hacia el equilibrio representa una fuerza motriz. Su magnitud se expresa como el cambio de energía libre de reacción ΔG. Cuando un sistema ha alcanzado el equilibrio no persiste ninguna fuerza que la induzca a ir en una dirección u otra y no puede realizar un trabajo, ΔG = 0. ΔG = ΔG°′ + 𝑅 𝑇 ln

[𝑃] [𝑅]

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En equilibrio, ΔG = 0, por lo que:

′ ΔG°′ = −𝑅 𝑇 ln 𝐾𝑒𝑞

La constante universal de los gases es una constante física que relaciona entre sí diversas funciones de estado termodinámicas, estableciendo esencialmente un relación entre la energía, la temperatura y la cantidad de materia. Si Keq’ > 1 → ΔG°’ < 0 → Si Keq’ < 1 → ΔG°’ > 0 →

A+B→C+D A+B←C+D

EL ATP Y EL SUMINISTRO ENERGÉTICO El ATP suministra energía no sólo por la hidrólisis, sino por la transferencia de grupo. Es una reacción que se da en dos pasos. En el ejemplo, el grupo P se transfiere al glutamato, y luego el NH3 desplaca al P, que se libera como Pi. Los enlace fosfoanhidro del ATP poseen alta energía porque liberan elevadas cantidades de energía cuando se rompen. Esto implica que la ΔG°’ es muy alta. Cualquier compuesto situado en la escala por encima del ATP (1,3BPG, fosfocreatina, ADP) tenderá a perder su grupo fosfato y a cederlo a una molécula capaz de aceptar dicho grupo, la cual se hallará en la parte inferior de la escala (GP6, G1P, Acetil CoA). Hay que tener en cuenta que ΔG del ATP será diferente de la ΔG real, ya que las concentraciones de ATP son menores que la estándar. ΔG°’ = -30,5 KJ/mol

ΔG real = -50 a -65 KJ/mol

Otras moléculas, como el fosfoenolpiruvato (PEP) también poseen ΔG°’ de hidrólisis elevadas:

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PROCESOS DE FORMACIÓN O CONSUMICIÓN DE ATP Formación -

Fosforilación a nivel de sustrato: generalmente, se suele producir fuera de la mitocondria y no interviene la ATP sintasa, sino las enzimas quinasas. Transferencia de grupo fosfato desde un compuesto de alta energía al ATP (Glicólisis). Por ejemplo, la última reacción de la glicolisis, donde el fosfoenolpiruvato pasa a piruvato, hay un intercambio energético muy elevado, por lo que se forma ATP. Lo mismo ocurre con 1,3-BPG + ADP a 3-PG + ATP. Fosforilación oxidativa: transferencia de electrones al O 2 acoplado a la biosíntesis de ATP en la membrana mitocondrial por la oxidación de moléculas como el NADH y el FADH 2 .

El 1,3-bisfosfoglicerato, cuando es hidrolizado, cede elevadas cantidades de energía:

En este paso, se froma ATP. Hay que tener en cuenta que el fosfoglicerato posee una forma resonante que provoca estabilidad, por lo que ΔG°’ es baja.

EL FLUJO DE ELECTRONES PUEDE REALIZAR TRABAJO BIOLÓGICO

La glucosa, una molécula medianamente reducida, libera electrones durante su catabolismo (oxidación). Estos electrones pasan a través de intermediarios hasta el O 2 .

El flujo de electrones es un proceso exergónico porque el O 2 tiene mayor afinidad por los e- (cuando las especies químicas difieren en su afinidad por los e- éstos fluyen espontáneamente con una fuerza proporcional a la diferencia de afinidad → fuerza electromotriz: fem.

La fem puede realizar trabajo si se coloca en el circuito un transductor de energía, el cual se puede acoplar a diferentes dispositivos para realizar trabajo útil. En la mitocondria, enzimas ligados a la membrana, acoplan el flujo de e- a la producción de una diferencia de pH transmembrana y una diferencia de potencial transmembrana con lo que se consigue trabajo osmótico y eléctrico. El gradiente de protones así formado tiene energía potencial, a veces llamada fuerza protonmotriz en analogía a la fem. 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 + 6 𝑂2 → 6 𝐶𝑂2 + 6 𝐻2 𝑂

ESTADOS DE OXIDACIÓN DEL CARBONO

(∆𝐺 < 0)

En BQ nos interesa saber los estados de oxidación del C. Los C más reducidos son los del ETANO. Los C más oxidados…. COMPLETAR

POTENCIAL DE REDUCCIÓN MIDE LA AFINIDAD POR ELECTRONES

Cuando 2 pares redox conjugados están juntos en disolución, la transferencia de e- del donador al aceptor puede ocurrir espontáneamente. La tendencia de dicha reacción depende de la afinidad relativa del aceptor de e- de cada par redox por los e-.El potencial redox standard Eº indica dicha afinidad 5

El standard de refencia es la reacción:

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𝐻 + + 𝑒 − → 𝐻2

(Eº = 0,0 V)

Cuando se conecta el electrodo de H a través de un circuito externo a otra semicelda en la que están presentes las especies oxidada y reducida en concentración estándar (25 ºC, 1M, 1 atm), los e- fluyen desde la semicelda con menor Eº a mayor Eº. Por convenio, a quien tiene mayor tendencia a captar electrones se le asigna el Eº positivo. 𝐸 = 𝐸𝑜 +

𝑅𝑇 [𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒 − ] ln 𝑛𝐹 [𝑑𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒 − ]

[𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒 − ] 0,0598 log 𝐸=𝐸 + [𝑑𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒 − ] 𝑛 𝑜

En una reacción redox, se puede calcular el cambio del potencial redox y la energía libre: ∆𝐸 = 𝐸 (𝑎𝑐𝑒𝑝𝑡𝑜𝑟) − 𝐸 (𝑑𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜𝑟)

∆𝐺 = −𝑛𝐹∆𝐸 → ∆𝐺°′ = −𝑛 𝐹 ∆𝐸°′

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