Chopita - Bioenergetica

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BIOENERGÉTICA
Es el estudio de las transformaciones y empleo de energía de los sistemas biológicos. Todas las transformaciones biológicas de energía obedecen las leyes de la termodinámica:
1) 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 ser creada ni destruida.
2) En todos los procesos naturales, aumenta la entropía del universo. 
El universo está formado por un sistema reaccionante (célula, organismo, dos compuestos que reaccionan) y su entorno. Los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno pero nunca están en equilibrio con el mismo. De esta manera, el sistema, al tender siempre al equilibrio, crea orden en su interior aumentando el desorden de su entorno y del universo (los sistemas toman del entorno energía libre en forma de nutrientes o luz solar y devuelven la misma cantidad de energía en forma de calor y entropía).
Un sistema aislado es aquel que no intercambia ni materia ni energía con el entorno. Los sistemas cerrados intercambian energía pero no materia.
En los animales, los diferentes tipos de energía (química, térmica, radiante, mecánica, eléctrica) pueden interconvertirse. La energía es utilizada para desarrollo y crecimiento, continúa renovación de sus estructuras, mantenimiento de la temperatura corporal, trabajo mecánico de músculos, cilias y flagelos, generación de impulsos eléctricos, transporte de sustancias contra gradiente a través de las membranas, etc.
Cantidades termodinámicas que describen los cambios de energía que tienen lugar en una reacción química:
· Energía libre de Gibbs (G): Expresa la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. 
· Reacción exergónica: la reacción libera energía. La variación de energía libre (G) tiene signo negativo.
· Reacción endergónica: el sistema gana energía libre, por lo que G es positivo.
· Entalpía (H): Es el contenido calórico del sistema reaccionante.
· Reacción exotérmica: libera calor. H negativo.
· Reacción endotérmica: absorbe calor. H positivo.
· Entropía (S): Expresión cuantitativa de la aleatoriedad o desorden de un sistema.
En las condiciones existentes en los sistemas biológicos, estas cantidades están relacionadas entre sí por la ecuación G = H – T * S. 
Variación de energía libre estándar (G°): representa la fracción de la energía total del sistema que es capaz de producir energía útil a medida que el sistema evoluciona al equilibrio a presión (1 atm), temperatura (25° C; 298° K) y pH (7) constantes. Los reactivos y productos se hayan inicialmente a concentración 1 M, excepto cuando se trata de iones de hidrógeno, cuya concentración es 10-7 M.
Estos son los valores estándar para sistemas biológicos. En el caso de los sistemas físico-químicos el pH será de 0. Se diferencian ambas situaciones colocando un apóstrofe (‘) en caso de tratarse de sistemas biológicos (G°’). 
Constante de equilibrio (Keq): Dada por las concentraciones de reactivos y productos en el equilibrio.
En la relacion general aA + bB cC + dD donde a, b, c y d son el número de moléculas de A, B, C y D, la constante de equilibrio viene dada por: Keq = ([C]c + [D]d) / ([A]a + [B]b), donde [X] indica las concentraciones molares de los componentes en el punto de equilibrio.
La variación de energía libre estándar y la constante de equilibrio están directamente relacionadas según: 
G’= G’° + R* T* ln Keq
Al igual que Keq, G°’ es una constante característica de cada reacción.
En el equilibrio, la variación de la energía libre es igual a cero, de modo que: 0= G’° + R* T* ln K’eq. Despejando: G°’ = -R* T* ln K’eq. Entonces, la variación de energía libre estándar depende de Keq:
	Keq
	G’°
	Reacción
	> 1
	negativa
	exergónica
	1
	0
	en equilibrio
	<1
	positiva
	endergónica
En las células vivas, la variación de energía libre de una reacción va a depender de la naturaleza y concentración de los reactivos y productos, pero es independiente de la ruta por la que discurra la reacción. Por ejemplo, si la reacción es catalizada por una enzima, esta va a aumentar la velocidad de la misma pero no altera la Keq, es decir, las reacciones catalizada y no catalizada poseen la misma G.
Sentido de las reacciones químicas
G’ depende de las concentraciones de los reactivos y productos, de modo que si G’<0, la reacción es espontánea (transcurre hacia delante, hacia los productos) y si G’>0, es no espontánea (transcurre en el sentido inverso).
Como G’° es mucho mayor al otro término de la ecuación, determina el valor de G’: -G’°, reacción espontánea; +G’°, reacción no espontánea. Entonces, una reacción exergónica tiende a ser espontánea y una endergónica tiende a ser no espontánea.
En resumen:
	G’
	G’°
	Valor variable para cada instante de la reacción
	Valor constante para cada reacción
	Indica si una reacción es espontánea o no espontánea (sentido)
	Indica si una reacción es exergónica o endergónica (termodinámica)
COMPUESTOS DE ALTA ENERGIA
Clasificación:
· Compuestos con grupo fosfato:
· Creatina-fosfato
· Fosfoenol-piruvato
· Acetil-fosfato
· Adenosina-difosfato (ADP)
· Adenosina-trifosfato (ATP)
· Tioésteres: 
· Acetil-coenzima A
Se caracterizan por poseer enlaces cuya ruptura produce una disminución importante de energía libre. Cuando estos compuestos participan en reacciones, el cambio de energía libre negativo hace posible la ocurrencia simultanea de reacciones endergónicas.
Una unión quimica se considera de alta energía cuando el cambio de energía libre de la reacción que involucra esa unión es mayor a 20 kJ/mol (ΔG -20 a -60 kJ/mol).
El compuesto de alta energía más importante es el ATP, ya que es un nexo entre el anabolismo y el catabolismo debido a su valor de energía libre estándar (ni muy alto ni muy bajo).
El contenido energético de un enlace está dado por la tensión intramolecular del mismo. Al producirse la hidrólisis de ATP en ADP y fosfato, hay importante disminución de energía libre, pues los enlaces están menos tensionados.
La energía de las uniones fosfato en ATP puede ser retenida en el organismo hasta el momento que se requiera, ser transportada dentro de la célula a otros sitios de utilización o ser transferida a otros compuestos de alta energía como UTP.
En la mayoría de los casos de cesión de energía por el ATP, interviene una transferencia de grupo fosfato y no simplemente la hidrólisis del ATP. La hidrólisis aislada solo generaría liberación de calor, lo cual no puede impulsar un proceso químico en un sistema isotérmico. Un grupo fosfato se transfiere primero a una molécula de sustrato o a un residuo aminoácido de una enzima, uniéndose de manera covalente y elevando así la energía libre. Luego, la porción que contiene el grupo fosfato se desplaza generando Pi.
La variación de energía libre para la hidrólisis del ATP es -7,3 kcal/mol en condiciones estándar, pero la energía libre real de hidrólisis en células vivas es muy diferente: las concentraciones celulares de ATP, ADP y Pi no son idénticas y son mucho menores que las concentraciones estándar 1 M. Además, el magnesio del citosol se une al ATP y al ADP y, en la mayoría de las reacciones enzimáticas en las que interviene el ATP como dador de grupo fosfato, el verdadero sustrato es MgATP. La ΔG’° relevante es por tanto la de la hidrólisis de MgATP. La G de hidrólisis de ATP en células intactas, designada Gp: potencial de fosforilación, es mucho mas negativa que ΔG’°, variando entre -12 kcal/mol y -14,3 kcal/mol.
Los tioésteres, en los que un átomo de azufre sustituye al oxígeno usual en el enlace éster, tienen también energías libres estándar de hidrólisis grandes y negativas. Esta hidrólisis genera un ácido carboxílico que puede ionizarse y adoptar varias formas de resonancia (en el caso de acetil-coA, el producto es ácido acético que se ioniza a acetato).
En resumen, en la reacciones de hidrólisis con variaciones de energía libre estándargrandes y negativas, los productos son más estables que los reactivos debido a:
· La tensión de enlace en los reactivos es menor, tal como sucede en el ATP
· Los productos están estabilizados ionización, isomerización o por resonancia.
REACCIONES ENERGETICAMENTE ACOPLADAS
Una reacción altamente exergónica puede impulsar el curso de una edergónica si ambas se acoplan:
 A → B ΔG°’1
 Y → Z -ΔG°’2
A + Y → B + Z ΔG°’1+2 
La reacción 1 es endergónica, y capta la energía de la reacción 2, que es exergónicas y provee la fuerza termodinámica necesaria para impulsar la primera reacción. El proceso total resulta espontáneo, con una pérdida relativamente pequeña de energía, liberada al medio en forma de calor.
Comúnmente, las reacciones acopladas comparten un intermediario que es producto en una reacción y reactivo en la otra. 
El flujo de energía en el metabolismo se produce mediante reacciones acopladas en las cuales participa como intermediario el ATP. La mayoría de las reacciones acopladas en las que participa el ATP involucran la transferencia del grupo fosfato a partir del ATP a otras sustancias, o a partir de un metabolito rico en energía al ADP formando ATP.
Ejemplo:
 Glucosa + Pi → Glucosa 6-P + H2O ΔG°’= 3,3 kcal/mol
 ATP + H20 → ADP + Pi ΔG°’= -7,3 kcal/mol
Glucosa + ATP → Glucosa 6-P + ADP ΔG°’= -4 kcal/mol
REACCIONES SUCESIVAS
Sea una reacción endergónica A → B, se necesita una reacción sucesiva exergónica (B → C) que gaste mucho B, para disminuir su concentración. Es decir, el producto de una reacción es eliminado rápidamente por otra reacción consecutiva: 
A → b → C
Entonces, ΔG’= ΔG°’ + R* T* ln [B]/[A] ΔG’= ΔG°’ + R* T* ln [b]/[A]. De esta manera, el término R* T* ln [b]/[A] se transforma en un número más grande y negativo, disminuyendo ΔG°’.
CARGA ENERGÉTICA DE LA CÉLULA
La capacidad de una célula para llevar a cabo reacciones manejadas por ATP depende de las concentraciones relativas de ATP y sus productos de hidrólisis. Debido a que la hidrólisis de ADP tambien es una reaccion de alta energia, la cual es usada en algunos procesos, el estado energético de la célula puede ser descipto por la relación, llamada carga energética.
Carga Energética = [ATP] + ½ [ADP]
 [ATP] + [ADP] + [AMP]
El valor de la carga energética oscila entre 0 (todo está presente como AMP) y 1 (todo está presente como ATP). La mayoría de las células normales funcionan con valores de 0.9.
Si bien las concentraciones de muchos componentes de la célula pueden parecer invariables, en realidad se encuentran en un estado dinámico estable en el cual la velocidad de formación de un determinado compuesto es balanceada por su tasa de remoción.
En el caso de los compuestos fosforados, la suma de ATP, ADP y AMP es constante.
Por ejemplo: 
	ATP
	ADP
	AMP
	
	Pi
	8
	+ 0,9
	+ 0,1
	= 9
	8
	4
	+ 4,9
	+ 0,1
	= 9
	12
ATP + H20 → ADP + Pi
8
4 +4 +4 =12
Si la relación [ATP]/[ADP] es alta, la célula posee alta carga energética.
Si la relación [ATP]/[ADP] es baja, la célula posee baja carga energética.