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BIOENERGTICAEs la disciplina que estudia los aspectos energticos
en los sistemas vivos, tanto a nivel molecular como a nivel
celular.Interacciones molecularesATP como biomolcula almacenadora
de energaBiocatlisisReacciones acopladas
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BIOENERGTICALos sistemas biolgicos son esencialmente
isotrmicos.Emplean la energa qumica para todos sus procesos
vitales, a excepcin de los organismos fotosintticos que utilizan la
energa luminosa.Los organismos hetertrofos, requieren de un
combustible adecuado, el que lo obtienen de sus alimentos como
energa qumica y la que denominaremos: ENERGIA LIBRE. POR LO
TANTO:La clula es una mquina que necesita energa para realizar sus
funciones.
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DEFINICIONES SOBRE BIOENERGETICAIntercambios de energa de los
seres vivos con su medio ambiente Cambios de energa en las
reacciones qumicas y procesos fisicoqumicos de los seres vivos
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PRIMERA LEY DE LA TERMODINMICA:En todo cambio la energa no se
crea ni se destruye, setransforma.
Si consideramos a un organismo como un sistema, dentro de este
la energa no se pierde ni se gana, pero si puede transferirse o ser
transformada a otra forma de energa.
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SEGUNDA LEY DE LA TERMODINMICAAumento natural del
desordenENTROPA(s) es un trmino que expresa desorden o lo fortuito
del sistema, en un proceso que ocurre espontneamente el total de la
ENTROPA debe aumentar. Es mxima cuando se aproxima al equilibrio
verdadero La energa libre es la energa til, mientras que la entropa
es la energa degradada.
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Todo proceso espontneo resulta en un incremento neto de entropa,
o desorden, del sistema ms sus alrededores
Los organismos vivos presentan un alto grado de orden, se
contradice la segunda ley de la termodinmica?
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CRECIMIENTOClula
Disminucin de entropaAumento de energa libreAlrededores
Aumento de entropaDisminucin de energa libreUniverso Aumento de
entropaDisminucin de energa libre
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ESTADO ESTACIONARIOClula
Entropa constanteEnerga libre constanteAlrededores
Aumento de entropaDisminucin de energa libreUniverso Aumento de
entropaDisminucin de energa libre
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DEGRADACIONClula
Aumento de entropaDisminucin de energa libreAlrededores
Entropa constanteEnerga libre constanteUniverso Aumento de
entropaDisminucin de energa libre
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Entropa (S)La entropa es la medida del grado de desorden de un
sistema molecular
S1 > S2
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Entalpa (H)La entalpa es la fraccin de la energa que se puede
utilizar para realizar trabajo en condiciones de presin y volumen
constante
dH0 proceso endotrmico
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Energia libre de Gibson (G)En condiciones de temperatura y
presin constantes, la relacin entre G (Cambio de energa libre) y S
(Cambio en la entropa) de un sistema esta dada por la ecuacin:G = H
TSH es el cambio en la entalpa (CALOR) T es la temperatura absoluta
en KEn las condiciones que operan los sistemas biolgicos H es
aproximadamente igual a E, que es el cambio total en la energa
interna del sistema, entonces la ecuacin se modifica en:G = E
TS
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Los cambios en la energa libre se pueden definir como aquella
parte de los cambios en la energa total que se utilizan para
realizar un trabajo.A medida que el sistema se acerca al equilibrio
G decrece al mnimo y se hace igual a cero. Si G es de signo
negativo, la reaccin procede en forma espontnea, con perdida de
energa libre, es decir, es EXERGONICA, si adems es de gran magnitud
la reaccin ser irreversible.Si G es de signo positivo, la reaccin
solo procede si se puede ganar energa, es decir, es ENDERGONICA, si
adems la magnitud de G es grande, el sistema es estable, con poca
tendencia a que una reaccin ocurra.Si G vale cero, el sistema esta
en equilibrio, sin ningn cambio neto
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SERES VIVOSMquinas qumicas que operan a T y P constantesSistemas
termodinmicos abiertos en estado estacionarioENERGA
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ENERGAINCORPORACINAUTOTROFOSHETEROTROFOSUTILIZACINDEGRADACINCALORAumento
de ENTROPADESECHOSEnerga solarAlimentos
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METABOLISMO Suma de todas las transformaciones qumicas que se
producen en una clula u organismo Procesos en los cuales se obtiene
y utiliza la energa
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Calor de combustin de algunos compuestos orgnicosHidratos de
carbonoGrasasProtenasCalor de combustinCalor liberado en
organismos(kJ/g)(kJ/g)17,639,723,817,138,317,1C6H12O6 + 6O2 6CO2 +
6H2OC3H5O3(C4OH7)3 + 18.5 O2 15CO2 + 13 H2O C6H13O2N+ 7.5 O2 5.5
CO2 + 5.5 H2O + 0.5 CO2(NH2)22 C6H13O2N +14.5 O2 12 CO2 + 13 H2O +
N2
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METABOLISMO BASALEnerga necesaria para el desarrollo de las
funciones vitales y el mantenimiento de la temperatura
corporal.Condiciones para determinacinFunciones reducidas al mnimo
reposo muscular (posicin acostada) ayuno previo de 12 h despierto y
en reposo mental condiciones ambientales que constituyan un
microclima trmicamente neutro (20-24 C para un individuo
ligeramente vestido)
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Otro trmino usado en bioenergtica es el de Energa libre estndar,
que se puede calcular a partir de la constante de equilibrio
Keq.Ejemplo para una reaccin reversible:a A + b B c C + d D En
donde a, b, c y d son nmero de moles de las sustancias: A, B, C y D
que participan en la reaccin. Existe una constante que expresa el
equilibrio qumico alcanzado por el sistema, la llamada constante de
equilibrio termodinmica.La constante de equilibrio debe ser una
funcin matemtica de los cambios de energa libre de los componentes
de la reaccin. Keq = [C]c [D]d [A]a [B]b
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El cambio de energa libre esta dado por la ecuacin: G = G + RT
ln Keq Keq = Constante de equilibrio. R = La constante de los
gases: 1.987 cal .mol-1 . 0K-1 T = Temperatura absoluta. G =
Cambios en energa libre o estndar.
Cuando se alcanza la condicin de equilibrio, G = 0 , entonces la
ecuacin se convierte en:G = - RT ln Keq./ -2,3RTLogKeq
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El metabolismo es una red de rutas con reacciones acopladas de
degradacin (catabolismo) y sntesis (anabolismo)
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Si la constante de equilibrio es 1.0, la energa libre es cero,
lo que corresponde a la condicin de equilibrio.G Se puede calcular
a partir de la constante de equilibrio como lo demostraremos con un
ejemplo: EGlucosa - 1 fosfato Glucosa - 6 - Fosfato.
E = La enzima fosfoglucomutasa.
Se comienza la reaccin con una concentracin de glucosa -1-
fosfato de 0.020 M, a 25 C. Cuando se alcanza la condicin de
equilibrio la concentracin de glucosa-1-fosfato decrece a 0.001M,
mientras que la concentracin de glucosa - 6 - fosfato aumenta a
0.019M. Con estos valores calculamos la constante de equilibrio
K.
De tal forma que la energa libre: G = - RT ln K G = - 1.987 x
298 x ln 19 = - 1743.2 cal / mol.
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COMO HACEN LOS SERES VIVOS PARA LLEVAR A CABO REACCIONES
ANABLICAS Y PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGA A TRAVES DE REACCIONES
ACOPLADAS
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REACCIONES ACOPLADASREACCIONESEXERGNICAS(Liberan energa
libre)REACCIONESENDERGNICAS(Requieren energa libre)ATPTRANSPORTADOR
DE ENERGADESDE LOS PROCESOS CELULARES PRODUCTORES DE ENERGA A LOS
PROCESOS QUE REQUIEREN ENERGA
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REACCIONES ACOPLADASPARA QUE DOS REACCIONES PUEDAN ACOPLARSE ES
NECESARIO QUE TENGAN UN INTERMEDIARIO COMUNA + B C + DD + EF +
G
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EJEMPLOFosforilacin de la glucosa acoplada a la hidrlisis del
ATPATP + H2O ADP + fosfatoGlucosa + fosfatoGlucosa-6-P +
H2OElementosUna reaccin que libere energa ( DGO)Un intermediario
comnREACCION 1REACCION 1REACCION 2DG(kJ mol-1)-30,5+17,1ATP +
glucosa
-13,4REACCION 2FOSFATO
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LOS PROCESOS ENDERGNICOS Y EXERGNICOS ESTN ACOPLADOS:
Las reacciones sintticas que necesitan energa estn acopladas con
las reacciones oxidativas que liberan energa. Es decir un proceso
endergnico no puede existir solo, tiene que ser componente de un
sistema acoplado exergnico-endergnico, donde el cambio neto global
de energa tendr que ser necesariamente exergnico.Las reacciones
exergnicas constituyen el catabolismo,En las reacciones sintticas
que forman sustancias constituyen el anabolismo. El acoplamiento de
estas reacciones se da por la transferencia de energa libre. De un
compuesto a otroEn los sistemas vivos el principal compuesto
intermediario o portador de alta energa es la Adenosina tri fosfato
o ATP .
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EL ATP TIENE UN VALOR DE ENERGA LIBRE INTERMEDIO COMPARADO CON
OTROS COMPUESTOS ORGANOFOSFATADOS.
CompuestoKj /molKcal
/molFosfoenolpiruvato-61.9-14.8Carbamilfosfato-51.4-12.31,3-Difosfoglicerato-49.3-11.8Fosfocreatina-43.1-10.3ATP
ADP + Pi-30.5-7.3ADP AMP +
Pi-27.6-6.6Pirofosfato-27.6-6.6Glucosa-1-fosfato-17.1-5.0Fructosa-6-fosfato-15.9-3.8AMP-14.2-3.4Glucosa-6-fosfato-13.8-3.3Glicerol-3-fosfato-9.2-2.2
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En el cuadro anterior se muestra el valor de energa libre
estndar obtenido por hidrlisis de varios fosfatos de importancia
biolgica.Se puede observar que la hidrlisis del fosfato terminal
del ATP igual a 7.3 Kcal/mol divide a la lista en dos grupos:
El primero, los que se encuentra en la parte superior sobre el
ATP se les designa como fosfatos de alta energa y son
fosfoanhidros, El segundo los que se hallan por debajo constituyen
el grupo de fosfatos de baja energa, en ellos se ubican los
fosfoesteres intermediarios de la gluclisis.
En los sistemas biolgicos, el ATP es utilizado como el principal
donador inmediato de energa libre, no como una forma de
almacenamiento a largo plazo. En una clula tpica, cada molcula de
ATP se consume dentro del minuto siguiente a su formacin. El
recambio del ATP es muy rpido. Por ejemplo el ser humano en reposo
consumo unos 40 Kg. de ATP en 24 horas. Durante el ejercicio
vigoroso, la tasa de utilizacin de ATP puede alcanzar los 0,5 Kg
.
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ESTRUCTURA MOLECULAR DEL ATP
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Otros compuestos biolgicamente importantes como compuestos de
alta energa son los TIOESTERES, entre estos se encuentran los
esteres de la Coenzima A, por ejemplo:El acetil-CoAProtenas
acilportadorasEsteres de aminocidos involucrados en la sntesis
proteicaUridinfosfato glucosa y el 5-fosforribosil-1-pirofosfato
(PRPP).Un compuesto fosfatado importante es la CREATINA FOSFATO: as
la cantidad de ATP muscular es suficiente para mantener la
actividad contrctil solo durante una fraccin de segundo. El msculo
de los vertebrados contiene un reservorio de grupos fosforilo de
alto potencial en forma de CREATINA FOSFATO, tambin llamada
Fosfocreatina, que puede transferir fcilmente su grupo fosforilo al
ATP, en reaccin catalizada por la creatina quinasa.
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EXISTEN TRES FUENTES PRINCIPALES DE FOSFATO DE ALTA ENERGA:
Fosforilacin oxidativa, es la mayor fuente de fosfatos
macroergicos en los organismos aerbicos. La energa libre para este
proceso procede del proceso oxidativo de la cadena respiratoria
dentro de las mitocondrias.Gluclisis, donde se forman de manera
neta dos fosfatos macroergicos cuando la glucosa se oxida a
lactato, en dos reacciones catalizadas por la fosfogliceratocinasa
y piruvatocinasa.Ciclo del cido Ctrico, en donde se genera un
fosfato directamente en el paso catalizado por la
succiniltiocinasa.
Otros trifosfatos de nuclesidos toman parte en la transferencia
de fosfatos de alta energa, tales como:UTPtrifosfato de
UridinaGTPTrifosfato de GuanosinaCTPTrifosfato de Citidina
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Produccin calrica total de un hombre de 70 kg en diversas
condiciones de actividad
CondicinProduccin calrica (J/h)DurmiendoAcostadoDe pieCaminando
lentoCaminando ligeroCorriendoEscribiendo a mquinaTrabajando en
carpintera272322439837125523855861004
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