Sem3_ATP

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Objetivos de aprendizaje

1) Entender los conceptos de cambio de entalpía y entropía en una reacción química2) Entender la relación entre entropía y energía libre. Predecir si un determinado proceso seráespontáneo.3) Describir la conexión entre cambios de entalpía y entropía de una reacción y la variación de

energía libre.3) Calcular la variación de energía libre para una reacción a partir de las variaciones estándar tabuladas4) Relacionar la variación de energía libre con la constante de equilibrio de la misma reacción y ser capaz de calcular una a partir de la otra.5) Describir cómo un sistema puede acoplarse a otro para que una determinada reacción puedaocurrir. Comprender el papel del ATP en el acoplamiento entre procesos endergónicos yexergónicos. 6) Relacionar la denominación de compuesto de alta energía con la estructura química deestos compuestos.

BIOENERGETICA

La producción, el almacenamiento y el uso de la energía son tan importantes para laeconomía de la célula como lo son para el manejo de los recursos mundiales. Las células requierenenergía para realizar trabajo y como trabajo consideramos la síntesis de azúcares a partir de dióxidode carbono y agua (fotosíntesis), la contracción muscular, la replicación del ADN entre otros. Por lotanto, se puede definir energía como la capacidad de realizar trabajo, un concepto fácil de entender cuando se aplica a motores de automóviles y a usinas eléctricas. Cuando se trata de energía asociadacon enlaces y reacciones químicas dentro de las células, sin embargo, el concepto se hace menosintuitivo.

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La naturaleza altamente estructurada y organizada de los organismos vivos es sorprendente.Esta organización se extiende hasta el nivel celular y molecular. De hecho, los procesos biológicos

pueden parecer “mágicos” dado que estas estructuras altamente ordenadas emergen de un mundocaótico y desordenado de objetos inanimados. Sin embargo, la organización visible en una célula ouna molécula es el resultado de eventos biológicos que están sometidos a las mismas leyes físicasque gobiernan todos los procesos, en particular, las leyes de la termodinámica.

¿Cómo entendemos la creación de orden a partir del caos? Empecemos diciendo que lasleyes de la termodinámica hacen una distinción entre el sistema y su entorno. Un sistema se definecomo la materia dentro de una región definida del espacio. La materia en el resto del universo sedenomina entorno. Por ejemplo, el sistema puede ser una solución dentro de un frasco en un bañotermostatizado. Para especificar el estado diríamos si es sólido puro, líquido o gas, o una soluciónde determinada composición y daríamos la temperatura y presión. El frasco, el baño y todo lodemás, es lo que denominados entorno y el sistema con su entorno es lo que se conoce comouniverso.

La bioenergética es el estudio cuantitativo de las transformaciones de energía que ocurren enlas células vivas y de la naturaleza y función de los procesos químicos involucrados.

Muchas observaciones cuantitativas sobre la interconversión entre las diferentes formas de

energía llevaron a enunciar dos leyes fundamentales de la termodinámica.

Primera ley de la Termodinámica

La primera ley es el principio de conservación de la energía: “Para cualquier cambio físicoo químico, la cantidad total de energía del universo permanece constante; la energía puedecambiar de forma o puede transportarse de una región a otra pero no puede ni ser creada niser destruida”

sistema + entorno (ambiente) = universosistemas abiertos: intercambian materia y energía con el entorno

La energía cinética se transformasólo encalor

Parte de la energía cinética se utiliza paraelevar un balde de agua y por lo tanto, esmenor la cantidad de energía que setransforma en calor

La energía potencial almacenadaenel balde elevado puede ser usadapara activar una máquina hidráulicacapaz de realizardistintas formas detrabajo

Hay dos formas principales de energía: cinética y potencial. La energía cinética es la energíadel movimiento, por ejemplo, es la energía asociada al movimiento de las moléculas. La segundaforma de energía es la potencial o almacenada, que es más importante en el estudio de sistemas

biológicos y químicos.

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Energía cinética

El calor o energía térmica, es una forma de energía cinética que corresponde a la energía delmovimiento de las moléculas. Para que el calor pueda realizar trabajo, debe pasar de una zona demayor temperatura, donde la velocidad promedio del movimiento molecular es mayor, a una demenor temperatura. Existen diferencias de temperatura entre los ambientes interno y externo de las

células, sin embargo, las células no pueden utilizar estas diferencias de energía para realizar trabajo.Aún los animales de sangre caliente han desarrollado mecanismos de termorregulación, la energíacinética de las moléculas es utilizada normalmente para mantener constante la temperatura delorganismo.La energía radiante (la luz) es la energía cinética de los fotones u ondas de luz, y es fundamental en

biología. La energía radiante puede ser convertida en energía térmica, por ej cuando las moléculasabsorben luz y la energía se convierte en movimiento molecular. En la fotosíntesis, la clorofilaabsorbe energía luminosa y se convierte en otros tipos de energía, tal como la energía almacenadaen enlaces químicos.

Energía potencial

Esta denominación hace referencia a la capacidad liberar este tipo de energía cuando ocurrealgún proceso. Consideremos, por ejemplo, una pelota sostenida en la punta de una torre. La pelotatiene considerable energía potencial porque cuando se suelte, la pelota desarrollará energía cinéticaasociada con su movimiento de caída. En los sistemas químicos, la energía potencial se relacionacon la posibilidad de que los átomos reaccionen entre sí. Por ejemplo una mezcla de nafta y oxígenotiene mucha energía potencial porque estas moléculas reaccionarán para formar dióxido de carbonoy liberarán energía como calor.

Varias formas de energía potencial son importantes en biología. La principal es la energía potencial almacenada en los enlaces que unen los átomos en las moléculas. De hecho, la mayor parte de las reacciones que describiremos involucran la formación o ruptura de al menos un enlacecovalente. Reconocemos esta energía cuando los compuestos participan en reacciones que liberanenergía. La glucosa, por ejemplo, tiene alta energía potencial. Las células degradan glucosacontinuamente y la energía liberada cuando se metaboliza es utilizada para realizar muchos tipos detrabajo.

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Otra forma biológicamente importante de energía potencial es la energía almacenada en ungradiente de concentración. Cuando la concentración de una sustancia de un lado de una barrera

permeable, como una membrana, es diferente de la del otro lado, el resultado es un gradiente deconcentración. Todas las células forman gradientes de concentración entre su interior y los fluidosque las rodean, intercambiando nutrientes, productos de desecho y iones con su entorno. Loscompartimientos dentro de la célula contienen frecuentemente diferentes concentraciones de iones y

de otras moléculas, la concentración de protones dentro de los lisosomas es unas 500 veces mayor que la del citosol. Una tercera forma de energía potencial es el potencial eléctrico, la energía de laseparación de cargas. Por ejemplo, existe un gradiente eléctrico de carga de aprox 200000 volts/cmen la membrana externa de casi todas las células.

Interconvertibilidad

De acuerdo al primer principio de la termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, pero puede convertirse de una forma en otra. En la fotosíntesis, la energía de la luz se transforma enla energía química potencial de enlaces covalentes entre los átomos de la sacarosa o del almidón. Enlos músculos y nervios, la energía química potencial almacenada en los enlaces se transforma,

respectivamente en energía cinética y en energía eléctrica. En todas las células, la energía química potencial liberada por la ruptura de ciertos enlaces es utilizada para generar energía potencial enforma de un gradiente de concentración y/o eléctrico. Esta energía es utilizada para sintetizar enlaces químicos o para transportar otras moléculas en contra de su gradiente de concentración.Este último proceso ocurre durante el transporte de nutrientes como la glucosa a ciertas células y eltransporte de muchos productos de desecho fuera de las células. Dado que todas las formas deenergía son interconvertibles, todas ellas pueden expresarse en la misma unidad de medida, como lacaloría o la kilocaloría.

Segunda ley de la Termodinámica

Otro concepto importante en termodinámica es la entropía. La entropía es una medida delnivel de azar o desorden de un sistema. La segunda ley de la termodinámica dice: la entropía de unsistema y de su entorno siempre aumenta en un proceso espontáneo, es decir, que el universosiempre evoluciona hacia el incremento del desorden. Esta ley parecería contradecir laexperiencia diaria, particularmente en los sistemas biológicos. Muchos procesos biológicos, como lageneración de estructuras bien definidas como una hoja o una molécula de glucosa a partir dedióxido de carbono y otros nutrientes, claramente aumentan el nivel de orden y por lo tantodisminuyen la entropía. La entropía puede disminuir localmente en la formación de estructurasordenadas sólo si la entropía de otras partes del universo aumenta en una cantidad igual o mayor.

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SISTEMAS BIOLÓGICOS: PRESIÓN Y TEMPERATURA CONSTANTES

Un ejemplo puede ayudar a clarificar las leyes de la termodinámica para un sistema químico.Consideremos un contenedor con 2 moles de H2 gaseoso de un lado de una división y 1 mol de O2 gaseoso del otro. Si se retira la división, los gases se mezclarán espontáneamente para formar unamezcla uniforme. El proceso de mezcla aumenta la entropía porque un arreglo ordenado sereemplaza por una mezcla distribuida al azar.

Otros procesos dentro de este sistema pueden disminuir la entropía localmente mientrasaumentan la entropía del universo. Una chispa aplicada a la mezcla iniciará una reacción química enla cual se combinan los gases para formar agua:

2 H2 + O2 → 2H2O

Si la temperatura del sistema se mantiene constante, la entropía disminuye porque 3 molesde dos reactivos diferentes se combinan para formar 2 moles de un único producto. El gas ahora

consiste de un grupo de moléculas indistinguibles. Sin embargo, la reacción libera una cantidadsignificativa de calor a su entorno y este calor aumentará la entropía de las moléculas del entorno

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aumentando sus movimientos al azar. El aumento de entropía en el entorno es suficiente para permitir que se forme espontáneamente el agua a partir de hidrógeno y oxígeno.

¾ ΔH = Variación de entalpía A temperatura y presión constantes es la variación en la energía química

de enlace entre productos y reactantes

Δ H= Hp-Hs < 0 exotérmica

Δ H > 0 endotérmica

¾ ΔS= Variación de entropía.Si el desorden aumenta la variación de entropía es positiva.

El cambio en la entropía del entorno será proporcional a la cantidad de calor transferidodesde el sistema e inversamente proporcional a la temperatura del entorno, porque la entrada decalor lleva a un mayor cambio de entropía cuando la temperatura es menor. En los sistemas

biológicos la temperatura (T en grados Kelvin (K)) se supone constante. Si definimos el contenidode calor de un sistema como la entalpía (H), entonces podemos expresar la relación entre la entropía(S) del entorno con el calor transferido y la temperatura como:

[H = energía de enlace]

ΔS entorno = - ΔH sistema/ T

El cambio total de entropía será: ΔS total = ΔS sistema + ΔS entorno

Sustituyendo: *ΔS total = ΔS sistema - ΔH sistema/ T y multiplicando por -T

-TΔS total = -TΔS sistema + ΔH sistema

La función -TΔS total tiene unidades de energía y se conoce como Energía libre de Gibbs y es laenergía disponible para realizar trabajo.

ΔG = ΔH sistema -TΔS sistema

Recordemos que la segunda ley de la termodinámica establece que para que una reacción seaespontánea, la entropía del universo debe aumentar.Si miramos la ecuación *, entonces la entropía de del universo aumentará si y sólo si:

ΔS sistema >ΔH sistema/ T o TΔS sistema > ΔH sistema, o si

ΔG = ΔH sistema -TΔS sistema < 0

En otras palabras, el cambio en la energía libre debe ser negativo para que una reacción seaespontánea. Un cambio negativo en ΔG ocurre con un aumento en la entropía del universo. De esaforma sólo debemos considerar la energía libre del sistema para decidir si una reacción puedeocurrir espontáneamente o no.

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La entalpía (H) de los reactantes o de los productos es igual a la energía total de sus enlaces, lavariación de entalpía (ΔH) es igual al cambio total en la energía de enlaces.

En una reacción exotérmica, los productos contienen menos energía de enlace que los reactantes, laenergía liberada es usualmente convertida en calor (energía del movimiento molecular) y ΔH es

negativo.

En una reacción endotérmica, los productos contienen más energía de enlace que los reactantes, seabsorbe calor y el ΔH es positivo.

Las reacciones tienden a proceder liberando energía (ΔH < 0), pero hay que considerar también la entropía.

Consideremos por ejemplo la difusión de solutos de una solución a otra, en la que suconcentración sea menor. Esta reacción ocurre porque hay un incremento de entropía. En este

proceso el ΔH es cercano a cero. Como ejemplo, supongamos una solución de glucosa 0.1 Mseparada de un gran volumen de agua por una membrana por la que puede difundir. La difusión de

la glucosa produce un aumento de entropía. La entropía máxima se logra cuando todas lasmoléculas pueden difundir libremente en el mayor volumen posible. Si el grado de hidratación de laglucosa no cambia significativamente por dilución, entonces ΔH será cero y la variación de energíalibre se deberá solamente a la entropía.

Como ya se mencionó, la formación de enlaces hidrofóbicos se produce por un cambio en laentropía. Esto es, si una molécula hidrofóbica larga como el heptano, se disuelve en agua, lasmoléculas de agua se fuerzan a interactuar con ella restringiendo su libertad de movimiento. Esto

produce un alto grado de orden que disminuye la entropía del sistema. Dado que el cambio deentropía es negativo, las moléculas hidrofóbicas no se disuelven bien en soluciones acuosas ytienden a asociarse unas con otras.

El problema del plegamiento de las proteínas ilustra el concepto de energía libre. Considereque el sistema es una solución de una proteína desnaturalizada en agua. Cada molécula de proteína

puede adoptar una única conformación, de modo que el sistema es bastante desordenado y laentropía de las moléculas es relativamente alta. Sin embargo, en condiciones adecuadas, el

plegamiento ocurre espontáneamente. Por lo tanto, la entropía debe aumentar en algún lugar delsistema o del entorno. La disminución de entropía en el sistema no es tan grande cuando se pliega la

proteína debido a las propiedades del agua. Las proteínas en solución acuosa interactúan conmoléculas de agua mediante la formación de puentes de hidrógeno o interacciones iónicas. Algunasmoléculas (no polares) no pueden formar puentes de hidrógeno o uniones iónicas. Las interaccionesde las moléculas no polares con el agua no son tan favorables como las interacciones entre lasmoléculas de agua. Las moléculas de agua en contacto con las superficies no polares envuelven a la

molécula no polar, ordenándose más que si estuvieran libres en solución.Cuando se juntan dos moléculas no polares, algunas moléculas de agua se liberan de modoque pueden interactuar libremente con el agua. Por lo tanto, las moléculas no polares tienentendencia a agregarse en agua porque la entropía del agua aumenta por la liberación de estasmoléculas de agua. Este fenómeno, denominado efecto hidrofóbico, promueve muchos procesos

bioquímicos. ¿Cómo se favorece el plegado? Algunos aminoácidos tienen grupos no polares. Estostienen una gran tendencia a asociarse con otros dentro de la proteína plegada. El aumento en laentropía del agua resultante de la interacción de estos aminoácidos hidrofóbicos ayuda a compensar las pérdidas de entropía inherentes al plegamiento.Las interacciones hidrofóbicas no son la única forma de estabilizar una estructura. Muchos enlacesdébiles, incluyendo puentes de hidrógeno y las interacciones de Van der Waals se forman durante el

plegado y como consecuencia, se libera calor al entorno. Aunque estas interacciones reemplazaninteracciones con agua que ocurren en la proteína desplegada, el resultado neto es la liberación decalor al entorno y por lo tanto hay un cambio favorable de la entalpía del sistema.

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El proceso de plegado puede ocurrir cuando la combinación de entropía asociada con el efectohidrofóbico y cambio de entalpía debido a puentes de hidrógeno e interacciones de Van der Waalshace que la energía libre total disminuya.

Dado que los sistemas biológicos generalmente se mantienen a presión y temperatura constantes es posible predecir la dirección de una reacción química utilizando la energía libre. Todos los sistemas

cambian de forma tal de minimizar la energía libre. En general nos interesa lo que ocurre con laenergía libre cuando una molécula o configuración molecular cambia a otra. Nuestro interés es máscon los cambios relativos de energía, en particular con la diferencia entre los valores antes ydespués del cambio. Este cambio de energía libre está dado por ΔG = G productos - G reactantes

En conclusión:• Si ΔG es negativo para una reacción química o proceso mecánico, la reacción o proceso

ocurrirá espontáneamente. Se dice que la reacción es exergónica.• Si ΔG es positivo, ocurrirá la reacción inversa. La reacción será endergónica.• Si ΔG = 0 ambas reacciones ocurrirán a la misma velocidad, y el sistema estará en

equilibrio.

El valor de ΔG y la constante de equilibrio son independientes del mecanismo de reacción y de lavelocidad. Reacciones con ΔG negativo que tienen muy bajas constantes de velocidad pueden noocurrir, a menos que haya un catalizador presente. Pero la presencia del catalizador no afecta elvalor de ΔG.Muchas reacciones biológicas producen un aumento en el orden, y por lo tanto una disminución deentropía. Un ejemplo obvio es la formación de proteínas. Una solución de moléculas de proteínatiene una menor entropía que una solución de aminoácidos libres porque el movimiento libre de losaminoácidos en una proteína está restringido cuando está formando parte de una cadena. Para queocurra la unión de los aminoácidos tiene que haber una disminución compensatoria en energía libreen algún lugar del sistema.El ΔG de una reacción es la diferencia de energía libre de los productos (estado final) menos laenergía libre de los reactantes (estado inicial). El ΔG es independiente del camino (o mecanismomolecular) de la transformación. El mecanismo de la reacción no tiene efecto sobre el ΔG. El ΔG

para la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua es el mismo si ocurre por combustiónin vitro o por una serie de pasos catalizados por enzimas. El ΔG no provee información sobre lavelocidad de una reacción. Un ΔG negativo indica que la reacción puede ocurrir espontáneamente

pero no significa que ocurrirá a velocidad apreciable. Eso depende de la energía de activación.El cambio en energía libre de una reacción depende de la temperatura, la presión y la concentracióninicial de reactantes y productos. La mayoría de las reacciones biológicas, como otras que ocurrenen soluciones acuosas también son afectadas por el pH de la solución.

El ΔGº’ es el cambio de energía libre a 298 K (25ºC), 1 atm, pH 7 (en agua pura) y concentraciones1 M de todos los compuestos, excepto los protones. El signo depende de la dirección en la cual seescribe la reacción.Si de A a B es positivo entonces de B a A será de igual valor pero signo opuesto.La mayor parte de las reacciones difieren de las condiciones estándar, especialmente en lasconcentraciones. Sin embargo, se pueden estimar cambios de energía libre a diferentes temperaturasy concentraciones iniciales usando la ecuación:

ΔG = ΔGº’ + RT ln [productos][reactivos]

donde R es la constante de los gases = 1.987 cal/mol K y T es la temperatura (en grados Kelvin).

Consideremos la siguiente reacción:

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Gliceraldehído 3P↔ Dihidroxiacetona fosfato

ΔG = -1840 cal/mol + 1.987 cal/mol K* 298 K * ln [DHAP][G3P]

De esta expresión se puede calcular el ΔG para cualquier concentración de reactivos y productos.

Si ambas concentraciones son 1M entonces

ΔG= ΔGº’ = -1840 cal/mol

porque RT ln 1= 0.

Gliceraldehído 3P→ Dihidroxiacetona fosfato

La reacción procederá de izquierda a derecha, es decir, en la dirección de formación de DHAP.

Si la concentración inicial de DHAP es 0.1 M y la de G3P es 0.001 M manteniendo las otrascondiciones, entonces el cociente es 100 y el ΔG = + 887 cal/mol y la reacción procederá hacia laformación de G3P.

En la reacción donde A + B↔ C entonces el

ΔG = ΔGº’ + RT ln (C)(A)(B)

Unidades

Caloría es la cantidad equivalente de calor requerida para elevar la temperatura del agua de 14.5 ºCa 15.5ºCKilocaloría = 1000 caloríasJoule, es la cantidad de energía necesaria para aplicar una fuerza de 1 Newton en una distancia de 1m1 kilojoule= 1000 joules1 kcal= 4.184 kJ

Una mezcla química en equilibrio está en el estado de energía libre mínima: no se genera ni selibera energía libre. De esa forma en el equilibrio podemos escribir

0= ΔG = ΔGº’ + RT ln C

C en el equilibrio es la constante de equilibrio Keq, y entonces

ΔGº’ = - RT ln KeqΔGº’ = 2,3 RT log Keq= -1362 log Keq en condiciones estándar.

Por lo tanto, si se conocen las concentraciones en el equilibrio, se puede calcular el ΔGº’. Por

ejemplo la Keq en la reacción anterior es 22.2. Sustituyendo se calcula el ΔGº’ = -1840 cal /mol.

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La ecuación puede escribirse como Keq= 10 (-ΔGº’/2,3RT), de lo que se deduce que si el ΔGº’es negativo, el exponente será positivo y entonces Keq será mayor que 1, o sea que se favorece laformación de productos. En cambio, si ΔGº’ es positivo, entonces el exponente será negativo y laKeq será menor que 1.

Aunque el equilibrio químico parece estable y estático, en realidad es un estado dinámico.Las reacciones en un sentido y en otro proceden exactamente a la misma velocidad, cancelándose

los cambios netos. Cuando una enzima u otro catalizador aumentan la velocidad de una reaccióntambién aumentan la de la reacción inversa, por lo tanto el equilibrio se alcanza antes que cuandono hay catalizador. Sin embargo la constante de equilibrio y el ΔGº’ son los mismos.

Es importante señalar que el ΔG puede ser grande, chico o igual al ΔGº’ y esto dependesobre todo de las concentraciones de reactivos y productos. El criterio de espontaneidad de lareacción es ΔG. Reacciones que no son espontáneas basados en el ΔGº’ pueden serlo ajustando lasconcentraciones de reactivos y productos.

Gradiente de concentraciónUna célula a menudo acumula sustancias como glucosa en mayores concentraciones que las queexisten en el entorno. En consecuencia, las células deben transportar estas sustancias en contra de

un gradiente de concentración. Calculemos la cantidad de energía necesaria para transferir 1 mol desustancia desde afuera de la célula al interior.

Dado que esta reacción simple de transporte no involucra la formación ni la ruptura deenlaces covalentes, que la sustancia es idéntica dentro y fuera de la célula y que la sustancia nosufre ningún cambio químico por el transporte y que no se libera ni se toma calor entonces el ΔGº’= 0. Por lo tanto el ΔG= ΔGº’ + RT lnC = RT ln C2/C1 donde C2 es la concentración inicial de lasustancia en el interior de la célula y C1 es su concentración fuera de la célula. Si la relación C2/C1es 10, entonces a 25ºC: ΔG = RT ln 10 = + 1,36 kcal por mol de sustancia transportada.

Dado que el transporte en contra de gradiente tiene un ΔG positivo (C2 es mayor que C1)claramente, este proceso no ocurre en forma espontánea. Para que ocurra el transporte se requiereun aporte de energía, que a menudo proviene de la hidrólisis del ATP. En cambio cuando unasustancia se mueve a favor de su gradiente, el ΔG es negativo y el transporte puede acoplarse a unareacción donde el ΔG es positivo, por ejemplo el transporte de una sustancia en contra de sugradiente.

Metabolismo

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¿Cómo obtiene una célula poder reductor y energía de su entorno? ¿Cómo sintetiza los bloques de sus macromoléculas y luego estas macromoléculas?

Estos procesos son una red de reacciones químicas altamente integradas, conocidas comometabolismo. El metabolismo tiene un diseño coherente que contiene muchos motivos comunes.Estos incluyen el uso de una moneda corriente y la aparición de un número limitado deintermediarios activos. De hecho, alrededor de 100 moléculas son centrales en todas las formas de

vida. Además, si bien el número de reacciones del metabolismo es enorme, el número de tipos dereacciones es pequeño y sus mecanismos son generalmente muy simples. Las vías metabólicastambién se regulan en forma semejante.

Los organismos vivos requieren un aporte continuo de energía libre con tres propósitos principalesa) realizar trabajo mecánico en la contracción muscular y otros movimientos celulares

b) transporte activo de moléculas e ionesc) síntesis de macromoléculas y otras biomoléculas

La energía necesaria para estos procesos que mantienen el organismo en un estado alejado delequilibrio proviene del entorno.

La primera ley de la termodinámica dice que la energía no puede ser ni creada ni destruida. Lacantidad de energía del universo es constante. Sin embargo, puede convertirse de una forma a otra.Los organismos fotosintéticos, o fototrofos, usan la energía del sol para convertir moléculassimples, pobres en energía, en moléculas más complejas, ricas en energía que sirven comocombustibles metabólicos. En otras palabras, transforman la energía luminosa en energía química.Los quimiotrofos obtienen energía química de la oxidación de los alimentos generados por losfototrofos.La energía química obtenida a partir de la oxidación de compuestos carbonados puede ser utilizada

para lograr una distribución desigual de iones a través de una membrana, generando un gradienteiónico. Este gradiente es una fuente de energía que puede usarse para mover moléculas a través delas membranas, puede convertirse en otros tipos de energía química o puede transformarse eninformación en forma de impulsos nerviosos. Además, la energía química puede transformarse enenergía mecánica. Convertimos la energía química de un combustible en una alteración estructuralde proteínas contráctiles que resulta en la contracción muscular y en el movimiento. Finalmente, laenergía química impulsa las reacciones de biosíntesis.El metabolismo es esencialmente una serie de reacciones enlazadas que comienzan con unamolécula en particular y la convierten en otra u otras en forma cuidadosamente definida. Estas víasson interdependientes y su actividad está coordinada por mecanismos muy sensibles.

Podemos dividir el metabolismo en dos clases 1) reacciones que convierten energía en formas biológicamente útiles (reacciones catabólicas) y 2) aquellas que requieren del aporte de energía para

ocurrir (reacciones anabólicas). Existen también reacciones anfibólicas.Una vía metabólica debe satisfacer al menos 2 criterios: 1) ser específica y 2) ser termodinámicamente favorable.La especificidad es provista por las enzimas que participan en la vía. La termodinámica depende delΔG. Una reacción puede ocurrir espontáneamente sólo si el ΔG (el cambio de energía libre) esnegativo. Depende de la naturaleza de los reactantes y de los productos (expresado en el ΔGº’) y desus concentraciones.

Una característica termodinámica importante es que el ΔG total de una serie de reaccionesacopladas es igual a la suma de los cambios de los pasos individuales. Considere

A↔ B + C ΔGº’ = 5 kcal/molB↔ D ΔGº’= - 8 kcal/mol

A↔ C + D ΔGº’= - 3 kcal/mol

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En condiciones estándar, A no podría convertirse espontáneamente en B y C porque el ΔG de esareacción es positivo. Sin embargo, la conversión de B a D es termodinámicamente posible. Dadoque los cambios en energía libre son aditivos, la conversión de A a C y D puede ser espontánea. Por lo tanto, una reacción termodinámicamente no favorable puede ser impulsada por una reacciónfavorable acoplada. En este ejemplo, el intermediario común B acopla ambas reacciones. Las víasmetabólicas están formadas por el acoplamiento de reacciones catalizadas por enzimas, de forma tal

que el cambio de energía libre global para la vía es negativo.

El metabolismo celular se facilita por el uso de una “moneda corriente de intercambio energético”,el ATP. Parte de la energía libre producida partir de la oxidación de los alimentos y de la luz setransforma en ATP, que a su vez, actúa como dador de energía libre en procesos como movimiento,transporte activo o biosíntesis.El ATP es una molécula rica en energía porque contiene dos enlaces fosfoanhidrido. Una grancantidad de energía libre se libera cuando el ATP se hidroliza a ADP y Pi (ΔG º’= - 7.3 kcal/mol) ocuando el ATP se hidroliza a AMP y PPi (ΔGº’= -10.9 kcal/mol). El valor real del ΔG depende dela fuerza iónica del medio y de la concentración de magnesio. En condiciones típicas, el valor esaproximadamente de - 12 kcal/mol.

La energía libre producida en la hidrólisis de ATP es utilizada para impulsar reacciones querequieren un aporte de energía libre, como la contracción muscular. A su vez, el ATP es formado a

partir de ADP y Pi cuando el combustible se oxida en los quimiotrofos o cuando la luz es atrapada por los fototrofos. El ciclo de ATP/ADP es una forma fundamental de intercambio de energía en lossistemas biológicos.

Supongamos que el ΔGº’ para la conversión de A → B es + 4 kcal/mol. La Keq a 25ºC se puedecalcular y será de:

Keq= 1,16 10-3 = [B]

[A]O sea que si la relación molar B/A es igual o mayor que ese número, entonces A no puede

transformarse en B. Sin embargo A puede convertirse en B en estas condiciones si la reacción seacopla a la hidrólisis de ATP.

A + ATP + H2O↔ B + ADP + Pi + H+ ΔGº’= -3,3 kcal/mol,

que es la suma de los valores para la conversión de A a B y para la hidrólisis de ATP.

A pH 7 la constante de equilibrio será:

Keq= [B] [ADP] [Pi] = 2, 67 x 102 [A) [ATP]

[B] eq = Keq * [ATP][A] [ADP] [Pi]

El sistema generador de ATP de las células mantiene esta última relación en niveles deaproximadamente 500 M-1. Para esa relación:

[B] eq = 2,67 102 x 500 = 1,34 x 10 5,

[A]

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lo que significa que la hidrólisis de ATP permite que A se convierta en B hasta que la relación[B]/[A] alcance el valor de 1. 34 x 105. En otras palabras acoplando la hidrólisis de ATP con laconversión de A a B cambia el equilibrio de B a A en un factor de 108.

Las células mantienen un alto nivel de ATP utilizando sustratos oxidables o luz comofuentes de energía libre. La hidrólisis de una molécula de ATP cambia la relación de equilibrio por

un factor de 108

. En forma general, un número n de moléculas de ATP cambian la relación en unfactor de 108n.En general A y B pueden considerarse no sólo como especies químicas diferentes, sino también

pueden representar conformaciones activas e inactivas de una proteína. En este caso, lafosforilación con ATP puede ser una forma de conversión a una forma activa. A través de talescambios en la conformación, un motor molecular como la miosina, la quinesina o la dineínaconvierten energía química del ATP en energía mecánica.Alternativamente A y B podrían representar concentraciones de iones o moléculas afuera y adentrode una célula como ocurre en el transporte activo de un nutriente.

Comparando el ΔGº’ para la hidrólisis del ATP (-7,3 kcal/mol) con el de la hidrólisis deglicerol 3P (-2,2 kcal/mol) se deduce que el ATP tiene una mayor tendencia a transferir su fosfatoterminal al agua que el glicerol 3P. Dado que el ΔGº depende de la diferencia en la energía libre delos productos y de los reactantes, las estructuras del ATP y del ADP y Pi deben examinarse. Debenconsiderarse tres factores: estabilización por resonancia, repulsión electrostática y estabilizacióndebida a la hidratación. El ADP y particularmente el Pi tienen mayor estabilización por resonanciaque el ATP. El ATP tiene mucha repulsión electrostática (porque la cantidad de cargas negativas esmayor que las del ADP) que se reduce cuando se hidroliza. Finalmente, el agua se une máseficientemente al ADP y Pi que al ATP estabilizando al ADP y al Pi por hidratación.

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BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

Lehninger Principios de Bioquímica

Harper BioquímicaStryer BioquímicaDevlin Bioquímica (con aplicaciones clínicas)

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