UNIDAD III BIOENERG

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UNIDAD III BIOENERGÉTICA
TERMODINÁMICA

• Fundamentos e importancia de las transformaciones
  energéticas en el organismo.

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Las leyes de la Termodinámica su aplicación en
los seres vivos

• 1ª Ley La primera ley es el principio de
  conservación de la energía y nos dice que la
  energía ni se crea ni se destruye, tan solo se
  transforma.
• Dicho de otra forma no podemos crear energía de
  la nada o no existe un móvil perpetuo de primera
  especie.

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• 2ª Ley Cuando dos cuerpos se encuentran en
  contacto fluye calor del cuerpo caliente al
  cuerpo frío
• La segunda ley nos indica el sentido del flujo de
  energía el calor fluye espontáneamente de un
  punto caliente a uno frío y nunca al revés.

FRIO
caliente
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• 3ª Ley La entropía de cualquier sustancia pura
  en equilibrio termodinámico tiende a cero a
  medida que la temperatura tiende a cero.
• El tercer principio de la termodinámica afirma
  que el cero absoluto no se puede alcanzar por
  ningún procedimiento que conste de un número
  finito de pasos. Es posible acercarse
  indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se
  puede llegar a él.

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• Los sistemas vivos convierten la energía de una
  forma en otra a medida que cumplen funciones
  esenciales de mantenimiento, crecimiento y
  reproducción. En estas conversiones energéticas,
  como en todas las demás, parte de la energía útil
  se pierde en el ambiente en cada paso. Las leyes
  de la termodinámica gobiernan las
  transformaciones de energía

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• La primera ley establece que la energía puede
  convertirse de una forma a otra, pero no puede
  crearse ni destruirse. La segunda ley establece
  que en el curso de las conversiones energéticas,
  el potencial termodinámico -o energía potencial
  termodinámica- de un sistema en el estado final
  siempre será menor que el potencial termodinámico
  del mismo sistema en el estado inicial.
• Otra manera de enunciar la segunda ley de la
  termodinámica es que todos los procesos naturales
  tienden a ocurrir en una dirección tal que la
  entropía (la medida del "grado de desorden" o de
  "aleatoriedad") del Universo se incrementa. Para
  mantener la organización de la cual depende la
  vida, los sistemas vivos deben tener un
  suministro constante de energía que les permita
  superar la tendencia hacia el desorden creciente.
  El Sol es la fuente original de esta energía.

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3.2 TRANSFORMACIONES ENERGETICAS

• Hay dos procesos principales y complementarios
  por los que la energía fluye a través de la
  biosfera la glucólisis y la respiración son
  procesos de degradación de sustancias por los que
  se obtiene energía
• La fotosíntesis es un proceso por el cual la
  energía lumínica se convierte en energía química
  y el carbono se fija en compuestos orgánicos.

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• Los sistemas vivos convierten la energía de una
  forma en otra a medida que cumplen funciones
  esenciales de mantenimiento, crecimiento y
  reproducción. En estas conversiones energéticas,
  como en todas las demás, parte de la energía útil
  se pierde en el ambiente en cada paso
• Las transformaciones energéticas en las células
  vivas implican el movimiento de electrones de un
  nivel energético a otro y, frecuentemente, de un
  átomo o molécula a otro. Las reacciones de
  oxidación-reducción implican movimiento de
  electrones de un átomo a otro. Un átomo o
  molécula que pierde electrones se oxida el que
  los gana se reduce.

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(No Transcript)
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• El total de las reacciones químicas que ocurren
  en las células constituyen el metabolismo. Las
  reacciones metabólicas ocurren en series,
  llamadas vías, cada una de las cuales sirve a una
  función determinada en la célula. Cada paso en
  una vía es controlado por una enzima específica.
  Las reacciones escalonadas de las vías
  enzimáticas les permiten a las células llevar a
  cabo sus actividades químicas con una notable
  eficiencia, en lo que concierne a la energía y a
  los materiales.

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• Las enzimas funcionan como catalizadores
  biológicos. Así, disminuyen la energía de
  activación e incrementan enormemente la velocidad
  a la que se producen las reacciones químicas. Las
  reacciones catalizadas por enzimas están bajo un
  estricto control celular. Los principales
  factores que influyen sobre la velocidad de las
  reacciones enzimáticas son las concentraciones de
  enzima y de sustrato y la disponibilidad de los
  cofactores requeridos. Muchas enzimas son
  sintetizadas por las células o activadas sólo
  cuando son necesarias.

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• El ATP es el principal transportador de energía
  en la mayoría de las reacciones que tienen lugar
  en los sistemas vivos.
• Las células son capaces de llevar a cabo procesos
  y reacciones endergónicas (tales como reacciones
  biosintéticas, transporte activo o el movimiento
  de microtúbulos) acoplándolas a reacciones
  exergónicas que suministran un exceso de energía.
  
• Estas reacciones acopladas generalmente
  involucran a compuestos trifosfato como el ATP u
  otros. Las familias de enzimas denominadas
  quinasas y fosforilasas adicionan o remueven un
  grupo fosfato a otra molécula respectivamente. La
  transferencia de grupos fosfato -o fosforilación-
  cumple un papel importante en la regulación de
  muchas reacciones químicas de la célula.

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Metabolismo y producción de calor

• En cualquier sistema vivo el intercambio de
  energía ocurren a través de miles de reacciones
  químicas diferentes, muchas de las cuales se
  producen simultáneamente. La suma de todas estas
  reacciones se conoce como metabolismo (del griego
  metabole, que significa "cambio").

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• Si nos limitáramos meramente a enumerar la lista
  de las reacciones químicas individuales, sería
  difícil, en verdad, entender el flujo de energía
  a través de una célula. Afortunadamente, hay
  algunos principios que nos guían por el laberinto
  del metabolismo celular.

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• Primero, virtualmente todas las reacciones
  químicas que tienen lugar en una célula
  involucran enzimas, grandes moléculas de proteína
  que desempeñan papeles muy específicos.
• Segundo, los bioquímicos son capaces de agrupar
  estas reacciones en una serie ordenada de pasos,
  que comúnmente se llama vía una vía puede tener
  una docena o más de reacciones o pasos
  secuenciales. Cada vía sirve a una función en la
  vida global de la célula o del organismo. Más
  aun, ciertas vías tienen muchos pasos en común,
  por ejemplo, las que están vinculadas con la
  síntesis de los aminoácidos o de las distintas
  bases nitrogenadas.

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• Metabolismo
• El fenómeno del metabolismo permite a los seres
  vivos procesar sus alimentos para obtener
  nutrientes, utilizando una cantidad de estos
  nutrientes y almacenando el resto para usarlo
  cuando efectúan sus funciones. En el metabolismo
  se efectúan dos procesos fundamentales
  anabolismo y catabolismo.
• Anabolismo Es cuando se transforman las
  sustancias sencillas de los nutrientes en
  sustancias complejas.
• Catabolismo Cuando se desdoblan las sustancias
  complejas de los nutrientes con ayuda de enzimas
  en materiales simples liberando energía. Durante
  el metabolismo se realizan reacciones químicas y
  energéticas. Así como el crecimiento, la auto
  reparación y la liberación de energía dentro del
  cuerpo de un organismo.

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• Procesos metabólicos.
• El ciclo material, es decir, los cambios químicos
  de sustancia en los distintos períodos del ciclo
  vital, crecimiento, equilibrio e involución
• El ciclo energético, o sea, la transformación de
  la energía química de los alimentos en calor
  cuando el animal está en reposo, o bien en calor
  y trabajo mecánico cuando realiza actividad
  muscular, así como la transformación de la
  energía luminosa en energía química en las
  plantas.
• En los organismos heterótrofos, la sustancia y la
  energía se obtienen de los alimentos. Éstos
  actúan formando la sustancia propia para crecer,
  mantenerse y reparar el desgaste, suministran
  energía y proporcionan las sustancias reguladoras
  del metabolismo

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Biocatálisis

• La catálisis es el proceso a través del cual se
  incrementa la velocidad de una reacción química.
• Dentro de la células biológicas ocurren muchas
  reacciones químicas que, sin la presencia de las
  enzimas, ocurrirían a una tasa demasiado lenta
  para ser biológicamente relevantes.

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• Enzima (del griego, fermento) son moléculas de
  proteínas particulares cuya función es facilitar
  o acelerar la mayoría de las reacciones químicas
  de la célula.
• Las enzimas pueden acoplar dos o más reacciones
  para que ocurran al mismo tiempo, de esta forma
  una reacción termodinámicamente favorable puede
  ser utilizada para "dirigir" una reacción
  desfavorable. Uno de los ejemplos más comunes son
  las enzimas que utilizan la desfosforilación del
  ATP para dirigir reacciones no relacionadas.

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• Para que las reacciones químicas ocurran es
  necesario que exista una cierta cantidad de
  energia de activación. Las enzimas pueden
  incrementar la velocidad de la reacción
  favoreciendo o habilitando una vía diferente de
  reacción con una energía de activación menor
  haciendo mucho más fácil que la reacción ocurra.
• La enzimas son grandes proteínas globulares que
  catalizan (aceleran) reacciones químicas y son
  esenciales para las funciones celulares. Las
  enzimas son muy específicas para las reacciones
  que catalizan y los químicos (sustratos) que
  utilizan

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• Figura 2 Una enzima (E) cataliza la reacción de
  dos sustratos (S1 y S2) para formar un producto
  (P).

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Estructura y propiedades del ATP

• Todas las actividades biosintéticas de la célula,
  muchos de sus procesos de transporte y una
  diversidad de otras actividades requieren de
  energía. Una gran proporción de esta energía es
  suministrada por una sola sustancia el adenosín
  trifosfato o ATP.
• La glucosa y otros carbohidratos son formas de
  almacenamiento de energía y también formas en las
  que se transfiere energía de célula a célula y de
  organismo a organismo. En cierto sentido, son
  como el dinero depositado en un banco. Sin
  embargo, el ATP es como el cambio de bolsillo es
  la moneda energética de la célula que puede
  gastarse de inmediato.

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• La molécula de ATP está formada por la base
  nitrogenada adenina, el azúcar de cinco carbonos
  ribosa y tres grupos fosfato. Los tres grupos
  fosfato están unidos por dos enlaces covalentes
  que se rompen con facilidad, produciendo cada uno
  aproximadamente 7 kilocalorías de energía por
  mol. En los sistemas biológicos, las reacciones
  endergónicas, como las de biosíntesis, se
  producen gracias a la energía liberada en las
  reacciones exergónicas con las que están
  acopladas. En la mayoría de las reacciones
  acopladas, el ATP es el intermediario que conduce
  la energía de una reacción a otra.La estructura
  interna de la molécula de ATP la hace
  inusualmente adecuada para este papel en los
  sistemas vivos. En el laboratorio, la energía se
  libera de la molécula de ATP cuando se elimina el
  tercer fosfato por hidrólisis dejando ADP
  (adenosín difosfato) y un fosfato
• ATP H2O gt ADP fosfato

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• En el curso de esta reacción, se liberan unas 7
  kilocalorías de energía por mol de ATP. La
  eliminación del segundo fosfato produce AMP
  (adenosín monofosfato) y libera una cantidad
  equivalente de energía
• ADP H2O gt AMP fosfato
• Los enlaces covalentes que unen a estos dos
  fosfatos al resto de la molécula se simbolizan
  con el signo , y durante muchos años se llamaron
  enlaces de "alta energía", término incorrecto y
  confuso. Estos enlaces no son fuertes, como los
  enlaces covalentes entre el carbono y el
  hidrógeno, que tienen una energía de enlace de
  98,8 kcal/mol. Al contrario, son enlaces que se
  rompen fácilmente y liberan, como vimos, una
  cantidad de energía, aproximadamente 7 kcal/mol,
  adecuada para impulsar muchas de las reacciones
  endergónicas esenciales de la célula.

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• Además, la energía liberada no surge totalmente
  del movimiento de los electrones de enlace hacia
  niveles energéticos más bajos. Es también el
  resultado de un reordenamiento de los electrones
  en otros orbitales de las moléculas de ADP o de
  ATP. Cada uno de los grupos fosfato lleva cargas
  negativas y, por eso, tienden a repelerse. Cuando
  se elimina un grupo fosfato, la molécula sufre un
  cambio en la configuración electrónica, lo cual
  da como resultado una estructura con menos energía

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Oxidación biológica y los procesos de conjugación
energética.

• Un panorama general de la oxidación de la glucosa
• La oxidación consiste en la pérdida de un
  electrón y la reducción es la ganancia de un
  electrón. Dado que en las reacciones de
  oxido-reducción espontáneas, los electrones van
  de niveles de energía mayores a niveles de
  energía menores, cuando una molécula se oxida,
  habitualmente libera energía cuando.

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• En la oxidación de la glucosa, los enlaces
  carbono-carbono (C-C), carbono-hidrógeno (C-H) y
  oxígeno-oxígeno (O-O) se cambian por enlaces
  carbono-oxígeno (C-O) e hidrógeno-oxígeno (H-O),
  a medida que los átomos de oxígeno atraen y
  acaparan electrones. La ecuación resumida de este
  proceso esGlucosa Oxígeno gt Dióxido de
  Carbono Agua Energía
• o bien,
• C6H12O6 6O2gt 6CO2 6H2O G -686 kcal/mol

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• Los sistemas vivos son expertos en conversiones
  energéticas. Su organización les permite atrapar
  esta energía libre, de modo que no se disipe al
  azar, sino que pueda usarse para hacer el trabajo
  de la célula. Aproximadamente el 40 de la
  energía libre desprendida por la oxidación de la
  glucosa se conserva en la conversión de ADP a ATP

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Cadena de transporte electrónico

• Las enzimas que catalizan las reacciones del
  ciclo de Krebs se hallan en la matriz
  mitocondrial mientras que el sistema
  transportador de electrones se encuentra inmerso
  en las crestas mitocondriales. Mediante una serie
  de reacciones de oxido-reducción, los electrones
  se transfieren en cascada, ya sea desde el NADH o
  del FADH2 al oxígeno molecular para que se forme
  H2O.

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• Parte de la energía del electrón es usada para
  fabricar ATP y el resto se libera como calor. En
  la reacción de oxidación del NADH se produce una
  separación de cargas, los protones (H)
  permanecen en la solución acuosa, mientras que
  los electrones se transfieren a través de
  transportadores de electrones, que incluyen la
  ubiquinona y un sistema de citocromos.
• Los citocromos son moléculas proteícas que poseen
  un anillo de porfirina con un átomo de hierro,
  denominado grupo heme, difieren entre si en su
  cadena proteíca y en la afinidad por los
  electrones .Así mismo, los citocromos transportan
  un solo electrón sin el respectivo protón. Se
  puede decir que los citocromos pasan "las papas
  calientes" ( electrones) a lo largo de la cadena
  transportadora de electrones, mientras que la
  energía liberada en el proceso es capturada en
  forma de ATP.

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• Debido a que cada molécula de citocromo contiene
  un átomo de hierro, por cada electrón
  transportado se requiere solamente un citocromo.
• La secuencia de los transportadores de electrones
  en la respiración es
• Los electrones se transfieren desde el NADH al O2
  a través de una serie de transportadores de
  electrones como se ilustra arriba. El complejo de
  citocromo (aa3 ) se conoce como citocromo
  oxidasa al final se transfieren 4 electrones,
  que con 4 H y una molécula de O2 forman 2
  moléculas de H2O
• O2 4 H 4 e- 2H2O

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(No Transcript)
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Fosforilación oxidativa
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Ciclo de Krebs

• El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del
  ácido cítrico o ciclo de los ácidos
  tricarboxílicos) es una serie de reacciones
  químicas que forman parte de la respiración
  celular en todas las células aerobias, es decir
  que utilizan oxígeno.
• En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es
  parte de la vía catabólica que realiza la
  oxidación de hidratos de carbono, ácidos grasos y
  aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía
  en forma utilizable (poder reductor y GTP).

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• El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y
  proteínas frecuentemente se divide en tres
  etapas, de las cuales el ciclo de Krebs supone la
  segunda
• El ciclo de Krebs también proporciona precursores
  para muchas biomoléculas, como ciertos
  aminoácidos. Por ello se considera una vía
  anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al
  mismo tiempo.

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