Clase.bioenergética 17

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE ENFERMERÍA

BIOQUÍMICA: BIOENERGÉTICA Dr. Nelson Hermógenes Urcia Yengle

se mueve y sintetiza macromoléculas complejas y trasladas sustancias dentro y fuera de ella. Toda esta actividad requiere requiere energía, por lo tanto la célula o las células de un organismo deben de obtenerla y gastarla de una manera eciente. ara ara el mantenimiento de una diversidad diversidad de funciones la célula además de requerir requerir energía también implica una transferencia de materia y energía , donde la transferencia transferencia está representada representada por el movimiento de los átomos entre los compuestos químicos que reaccionan reaccionan y aquí entra entra la termodinámica termodinámica donde se estudian todos esos cambios en la energía. 

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BIOENERGÉTI

!a bioquímica o termodinámica termodinámica bioquímica es el estudio de los cambiosCA de energía que acompa"an a reacciones reacciones bioquímicas. #isciplina cientíca que estudia en los sere seress vivos, todo lo relativo a las transformaciones de la

se mueve y sintetiza macromoléculas complejas y trasladas sustancias dentro y fuera de ella. Toda esta actividad requiere requiere energía, por lo tanto la célula o las células de un organismo deben de obtenerla y gastarla de una manera eciente. ara ara el mantenimiento de una diversidad diversidad de funciones la célula además de requerir requerir energía también implica una transferencia de materia y energía , donde la transferencia transferencia está representada representada por el movimiento de los átomos entre los compuestos químicos que reaccionan reaccionan y aquí entra entra la termodinámica termodinámica donde se estudian todos esos cambios en la energía. 

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BIOENERGÉTI

!a bioquímica o termodinámica termodinámica bioquímica es el estudio de los cambiosCA de energía que acompa"an a reacciones reacciones bioquímicas. #isciplina cientíca que estudia en los sere seress vivos, todo lo relativo a las transformaciones de la

%studio de la transferencia transferencia de energía utilizando métodos sicoquímicos.  %studio de la generaci&n y utilizaci&n del 'T. !os sistemas biol&gicos son en esencia, isotérmicos, es decir decir que su temperatura temperatura se conserva conserva constante y usan energía química para impulsar procesos procesos vivos. !a bioenergía se relaciona con la termodinámica( termodinámica( que describe los estados de equilibrio e interacci&n entre el calor y otras manifestaciones de la energía. )uando se agota las la s reservas de energía energía disponibles y ciertas formas de malnutrici&n, se produce( inanici&n, desnutrici&n y marasmo. )uando el almacenamiento e*cesivo e*cesivo de energía e*cedente e*cedente causa obesidad 

+ilocalorías -cal ( / -cal.0 cantidad de energía precisa para elevar la temperatura a / +g se agua desde 12) 3asta /42). #ic3a energía se emplea para(  )recimiento y reparaci&n  Transporte activo  #eslizamiento de los lamentos de actina y miosina. IMPORTANCIA DE LA BIOENERGÉTICA 5mbito nutricional( la bioenergética tiene una gran relaci&n con el área nutricional. $e tienen teorías en las que para 3acer dietas más efectivas se tienen que contar las calorías energéticas de los alimentos para poder lograr un balance energético ideal en el cuerpo. 'plicaciones de la bioenergética en la ingeniería 0 industria. 6ndustria cervecera e industria vinícola0 ingeniería industrial 7 química( se utiliza el proceso

8 fermentaci&n para producir productos lácticos como queso yogurt. 6ndustria agrícola( se utiliza el maíz como cultivo bioenergética para la producci&n de biocombustible.

EL UNIVERSO •

$e compone de dos partes(  – $istema( • !a parte del universo bajo estudio • %spacio físico o porci&n de materia contenida dentro de un límite o frontera • %j. una célula, una máquina, un vaso de precipitado  – %ntorno • 9egi&n fuera del límite o frontera • %l sistema intercambia materia o energía con él.

TERMODINÁMICA %s la rama de la ciencia física que se reere a los cambios de energía. !os principios de termodinámica proporciona una 3erramienta de trabajo para el análisis de procesos donde se lleva a cabo transformaciones de energía como lo es el metabolismo en seres vivos. %l contenido total de energías del sistema antes de que 3aya ocurrido una reacci&n es el estado inicial y el contenido energético después del 3aber terminado el proceso es el estado nal.

#esde el punto de vista termodinámico, la bioenergética se interesa s&lo por los estados energéticos inicial y nal de los componentes de una reacci&n, no del mecanismo o del tiempo necesarios para que el cambio químico se lleve a cabo. !a bioenergética predice si un proceso es posible: la cinetica cuantica que tan rápido ocurre la reacci&n. or lo que a la termodinámica le interesa la diferencia de energía entre el inicial y el nal. ENERGÍA LIBRE ( G ) .- es la magnitud termodinámica que incluye la entalpía y la entropía . G = H  TS. !a direccu&n y cantidad a la cual procede una reacci&n está determinada por el grado de energía libre que dos factores cambian durante la reacci&n. %stos factores son la entalpía y la entropía. !a entalpía es la magnitud particularmente para describir sistemas biol&gicos.

!a energía libre de ;ibbs representa la energía que puede realizar trabajo.  Todo proceso esta termodinámicamente favorecido cuando ∆G es negativo o es exergónico, cuando G =  el !roceso esta en e"uili#rio.

S!"#$%& &!"'&.- es el sistema que no puede intercambiar materia ni energía con su entorno S!"#$%& C$**&.- es el sistema que s&lo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia. S!"#$%& &+!$*#.- es el sistema que puede intercambiar materia y energía con su entorno. PRIMERA LE, DE LA TERMODINÁMICA U ? @ 8 A %sto signica que dentro del universo, la energía no se puede ni se gana durante cambio alguno: sin embargo, si se puede transferir de una porci&n del sistema a otro, o transformarse en otra forma de energía. %n sistemas vivos, la energía química se transforma en calor o en energía eléctrica, radiante

evolucionar en la direcci&n en la que la energía Btil e*perimente una degradaci&n irreversible 3acia una forma al azar y desordenada=. %s decir que para que un proceso ocurra de manera espontánea, es necesaria que la entropía total de un sistema aumente. !a %ntropía es la e*tensi&n de trastorno o de aleatoriedad del sistema y alcanza su punto má*imo conforme logra el equilibrio. $e considera una medida de desorden o de aleatorio. %l metabolismo mantiene el orden estructural del organismo e*trayendo la energía libre de los alimentos liberando energía inBtil, lo cual es un desorden para el medio. %n condiciones de temperatura y presi&n constante, el vínculo entre el cambio de energía libre >;  de un sistema que está reaccionando y el cambio de entropía >$  se e*presa por medio de la ecuaci&n

es e cam o e en a p a ca or y es a temperatura absoluta. %n reacciones bioquímicas, dado que el >C es apro*imadamente igual a >%, el cambio total de energía interna de la reacci&n, , la relaci&n anterior puede e*presarse como sigue( >; ? >% 0 T >$ %n la reacci&n siguiente( ;lucosa I J1D J)1D I JCDK ∆;o ? -G7mol $l0 DEDF G re!resenta el má%imo de tra#a&o 'til "ue  !uede !ro!orcionar una reacción. ara el caso de la glucosa podríamos obtener 3asta D EDF +G por mol de glucosa o*idada 3asta )1 D y CD1. • !as reacciones cuyo H; es negativa, la reacci&n procede de modo espontáneo con pérdida de la energía libre: esto es, e%ergónico. $i, además,  H; es de gran magnitud, la reacci&n avanza 3asta

•

, modo que es endergónica. Lo transcurren espontáneamente. $i, además, H; es de gran magnitud, el sistema es estable, con poca o ninguna tendencia a que ocurra una reacci&n. $i H; es cero, el sistema está en equilibrio y no tiene lugar un cambio neto. !a reacci&n se encuentra en equilibrio químico.

Ha( una relación entre )G ( la constante de e"uili#rio*

G = G/ 0 RT '1 23*45#"672*$&5#!8"6 $i H; ? K en el equilibrio(

)G+ = , - ln /e" 9? )onstante de gases /,MEN cal7 - mol  T? Temperatura en -elvin.

es n ar ? , ? , ? am )uando los reactivos están presentes en concentraciones de /,K mol7!. >;2 es el cambio de energía libre estándar. ara reacciones bioquímicas, un estado estándar es denido como tener un pC de N,K. %l cambio de energía libre estándar a tal estado estándar es indicado por >;2R 9 ? /,MEN cal7- mol 9 ? E,F/ G7 - mol G/9 = - ;&#!8 F W$i el ∆;o de 3idr&lisis de 'T es 0F/ +G7mol, cuál es el má*imo de moles de 'T que se podrían generar si se acopla a la o*idaci&n completa de glucosa la síntesis de 'T a partir de '# y iX S'45!1: 1/ %'$" ATP = G ##&'7

G ATP = - K J7%' 7 - '45"&--"&#; &^&!%" $' $1_!%&  $\&%" @4$ #*&1"54**& '& *$&55!1 $1 $' "$1#! !*$5#;  "! 3&*#!%" $ >'45"&--"&# ; M  $\&%" #*&1"54**!* '& *$&55!1 $1 $' "$1#! !18$*"; '& %$_5'& `1&' $1 $@4!'!+*!; $1 &%+" 5&""; "$* ; M $1 >'45"&--"&#  ; M $1 >'45"&--"&#; & /C  3H ;. P$%" 5&'54'&* &a*& '& 51"#&1#$ $ $@4!'!+*!: O glucosa J0 fosfato P K,K/M - eq = O glucosa0/0fosfato P K,KK/

G9 = - RT '1

 H;2R ?/,MEN * DME ln /M ? 0 /,MEN * DME * D,FKF log /M H;2R ? 0 /NV4 cal mol\] H;2R ? 0 N,FK/ -G mol \] H;2R? 0 /,NV4 -cal mol \] !a conversi&n de glucosa 8 / 0 fosfato en glucosa 0 J0fosfato es un proceso e*erg&nico. )alcular la variaci&n de energía estándar, H;2R , de la siguiente reacci&n catalizada por el enzima fumarasa Zumarato I C_1 malato  H;2R ? ^H;2 R productos 0 ^H;2R reaccionantes  H;2R ? H;2R malato 8 H;2R fumarato I H;2R C_1 ) ? 0 DK/,KE-cal7mol 0  0 /VV,V/ 8 4J,JM +7mol ? 0 K,EE -cal7mol

D )alcBlese el valor de H;2R para la fermentaci&n alco3&lica de la glucosa  #0glucosa D0 etanol I D )1_ a partir de las energías libres estándar de formaci&n de los reaccionantes y de los productos. 5D, glucosa = , 678.66 /cal9mol : etanol = ,;; permite cuanticar y predecir la factibilidad energética de una reacci&n química. $&lo un VKY de la bioenergía de los alimentos se aprovec3a en trabajo muscular. %l resto se disipa en forma de calor. L" "!"#$%&" 8!8!$1#$"; 4#!'!_&1 '& $1$*>]& 3&*& '& 3*455!1 $ 41 tra#a&o #iológico. A"]:  Siosíntesis anabolismo  Trabajo mecánico contracci&n muscular  ;radientes osm&ticos transporte contra gradiente  Trabajo eléctrico transmisi&n del impulso nervioso !os organismo vivos )1L$%9'L su ordenaci&n interna consumiendo energía libre de los elementos nutritivos de su entorno o de la luz solar, al que devuelven cantidad igual degradada, la