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4. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS 4. TRANSFORMACIONES ENERGÉTICAS CONTENIDO DE LA UNIDAD 4.1 Leyes y flujo de energía en las reacciones químicas 4.2 Enzimas: Características y función 4.3 Metabolismo: Fotosíntesis y respiración Energía solar Energía química (fotosíntesis) Energía química (alimentos) Energía mecánica Qperdido Qperdido Qperdido Qperdido Estudio de caso Energía liberada Imagina una enorme multitud, más de 20 mil corredores de la maratón de Nueva York, que gastan en conjunto más de 50 millones de calorías y en total recorren cerca de 32 mil 200 kilómetros. Al terminar, refrescan sus cuerpos sobrecalentados con agua y se reconstituyen con bebidas y bocadillos. Por último, los corredores vuelven a sus hogares, repartidos por todo el mundo, en coches, autobuses y aviones que queman vastas cantidades de combustible y generan enormes cantidades de calor. ¿Qué es exactamente la energía? ¿Nuestro cuerpo la usa siguiendo los mismos principios que gobiernan el consumo de energía de los motores de automóviles y aviones? ¿Por qué nuestro cuerpo genera calor y por qué despedimos más calor cuando hacemos ejercicio que cuando vemos la televisión? a) ¿QUÉ ES ENERGÍA? ES LA CAPACIDAD DE REALIZAR TRABAJO, ES DECIR ES LA CAPACIDAD DE CAMBIAR O MOVER ALGUNA COSA. • ENERGÍA POTENCIAL o ENERGÍA QUÍMICA • ENERGÍA CINÉTICA ENERGÍA RADIANTE (MOVIMIENTO DE FOTONES) TIPOS FUNDAMENTALES DE ENERGÍA: ENERGÍA CALORÍFICA (MOVIMIENTO DE MOLÉCULAS) ENERGÍA ELÉCTRICA (MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS CON CARGA ELÉCTRICA) 4.1 LEYES Y FLUJO DE ENERGÍA EN LAS REACCIONES QUÍMICAS ENERGÍA POTENCIALENERGÍA CINÉTICA ENERGÍA QUÍMICAREACCIÓN BIOQUÍMICA TRABAJO TRABAJO REACCIÓN BIOQUÍMICA ENERGÍA QUÍMICA O ENERGÍA POTENCIAL ATP (Adenosina trifosfato) MONEDA ENERGÉTICA TRABAJO b) LEYES DE LA TERMODINÁMICA PRIMERA LEY: «LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA» LA ENERGÍA NO SE CREA NI SE DESTRUYE SÓLO SE TRANSFORMA. SEGUNDA LEY: LA CANTIDAD DE ENTROPÍA EN EL UNIVERSO TIENDE A INCREMENTARSE EN EL TIEMPO o “ EL UNIVERSO ESTÁ EN CONSTANTE ENTROPÍA “ TODO CAMBIO EN EL UNIVERSO VA DE UN ESTADO DE MAYOR ENERGÍA A UN ESTADO DE MENOR ENERGÍA ΔS (ENTROPÍA) b.1) ¿QUÉ ES EL UNIVERSO Y QUÉ SON LOS SISTEMAS EN TERMODINÁMICA? El universo es el conjunto constituido por los sistemas y su entorno. Un sistema termodinámico es una parte del universo físico con un límite específico para la observación. Este límite puede estar definido por paredes reales o imaginarias. Un sistema contiene lo que se llama elementos (partes que lo componen) y estructura (interacciones entre los elementos). UNIVERSO b.2) ¿QUÉ ES LA ENTROPIA, LA ENTALPIA Y LA ENERGÍA LIBRE DE GIBBS? ΔS (ENTROPÍA) PRESIÓN CALOR (H) ENERGÍA LIBERADA UTILIZABLE ENERGÍA CALORÍFICA CALOR EJEMPLO DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA «La energía no se crea ni se destruye solo se transforma» ENERGÍA ELÉCTRICA ENERGÍA CINÉTICA ENERGÍA POTENCIAL Moléculas de agua al chocar generan calor EJEMPLO DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA «La energía no se crea ni se destruye solo se transforma» EJEMPLO DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA «La energía no se crea ni se destruye solo se transforma» EL SER HUMANO UN SISTEMA ABIERTO Las moléculas de agua contenidas en el vaso en estado líquido tienen mayor interacción, por lo tanto, mayor entropía (a T° ambiental es una reacción espontánea) EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA «El universo está en constante entropía o todo cambio en el universo va de un estado de mayor energía a un estado de menor energía» Las fotosíntesis es un ejemplo de la segunda ley de la termodinámica. El CO2 que es una molécula entrópica se ordena en estructuras estables (glucosa) a través de la fotosíntesis. EJEMPLOS DE LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA PENSEMOS: Que pasaría si Uds no comieran y bebieran nada durante una semana. Ahora pensemos que pasaría si toda la población de Lima no comiera o bebiera nada durante una semana. «El Universo esta en constante entropía» y si ya consiguieran alimento al quinto día….. PENSEMOS: Que pasaría si Uds comieran y bebieran durante 12 horas todos los días. Naturalmente nuestro cuerpo se desordenaría y la entropía estaría en constante incremento. No obstante, nuestro cuerpo disipa energía construyendo estructuras y engordarían sin un límite. “El universo va de un estado de mayor energía a un estado de menor energía”. c) FLUJO DE ENERGÍA Y REACCIONES QUÍMICAS La energía que sostiene la vida procede del Sol. Las plantas, algas y bacterias fotosintéticas captan la energía de la luz solar mediante la fotosíntesis. Los organismos que no pueden fotosintetizar (animales, hongos, etc.) aprovechan la energía almacenada en las moléculas del cuerpo de otros organismos. Así, la energía fluye en dirección única del Sol a casi todas las formas de vida. Al final, cuando los seres vivos mueren la energía se libera en forma de calor, y no puede usarse para impulsar la vida. Los organismos necesitan nutrientes y energía para mantener su nivel de complejidad y organización, para crecer, mantener la homeostasis y reproducirse. Los nutrientes se obtienen del entorno, donde continuamente se intercambian y reciclan entre los seres vivos y el medio abiótico. Una reacción química es un proceso de ruptura o formación de enlaces químicos que mantienen unidos a los átomos, de tal manera que los reactantes se convierten en productos. Las reacciones químicas pueden liberar energía o necesitar un aporte neto de energía. c.1) ¿QUÉ ES UN REACCIÓN QUÍMICA? c.2) TIPOS DE REACCIONES QUÍMICAS REACCIÓN QUÍMICA EXERGÓNICA REACCIÓN QUÍMICA ENDERGÓNICA REACCIONES QUÍMICAS EXERGÓNICAS Las reacciones químicas EXERGÓNICAS pueden ser espontáneas o no espontáneas. Las reacciones espontáneas no requieren de energía de activación y generalmente se desarrolla en sistemas no biológicos. En sistemas biológicos las reacciones no son espontáneas y requieren ENERGÍA DE ACTIVACIÓN INICIAL para que la reacción se desarrolle. REACCIONES QUÍMICAS ESPONTÁNEA REACCIONES QUÍMICAS NO ESPONTÁNEA GLUCOSA + AGUA→ GLUCOSA + AGUA EJEMPLO DE REACCIONES QUÍMICAS EXERGÓNICAS LA RESPIRACIÓN Las reacciones del proceso de respiración son exergónicas y liberan energía En una reacción exergónica, los reactantes contienen más energía que los productos. Así por ejemplo la glucosa sufre la misma reacción general en el cuerpo de un corredor como en cualquier otra forma de vida del planeta, la glucosa (C6H12O6) se combina con oxígeno (O2) para producir dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) y liberar energía. LIBERAN ENERGÍA REACCIONES QUÍMICAS ENDERGÓNICAS Las reacciones químicas ENDERGÓNICAS no son espontáneas y requieren de energía de activación. Son totalmente dependientes de un ingreso de energía para que se desarrollen. ATPs ENERGÍA Síntesis de proteínas EJEMPLO DE REACCIONES QUÍMICAS ENDERGÓNICAS LA FOTOSÍNTESIS Las reacciones del proceso de fotosíntesis son endergónicas y necesitan de energía para que se desarrolle En una reacción endergónica, los reactantes contienen menos energía que los productos. Así por ejemplo para producir glucosa a partir de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), se requiere de un aporte de energía que viene en forma de luz (energía solar). Estas reacciones son dependientes del aporte de energía externo para que se desarrollen. ¿Qué pasaría si se interrumpiera el flujo de energía del sol? c.3) ¿QUÉ ES ENERGÍA DE ACTIVACIÓN? La energía de activación en la naturaleza esta bajo la forma de • Calor • Luz • Moléculas de reservorios de energía de uso directo (ATP, ADP, AMP, GTP, NADH, FADH2 y NADPH). Es la cantidad de energía inicial que se requiere para hacer que un compuesto A se transforme en un compuesto B. Por ejemplo…. (GLUCOSA) → (CO2 y H2O) Casi todos los organismos se mueven por la degradaciónde la glucosa. Pero la glucosa no puede usarse directamente para impulsar los procesos endergónicos, sino que la energía liberada por la degradación de la glucosa se transfiere primero a una molécula portadora de energía. El ATP (Adenosina trifosfato). Muchas reacciones exergónicas de las células producen ATP, la molécula portadora de energía más común del cuerpo y se le conoce como “dinero energético” de la glucosa (C6H12O6). El ATP permite el desarrollo de reacciones acopladas. c.4)¿CÓMO SE TRANSPORTA LA ENERGÍA EN LAS CÉLULAS? Reacciones acopladas, se conocen así porque enlazan las reacciones exergónicas con las endergónicas. En una reacción acoplada, una reacción exergónica proporciona la energía necesaria para impulsar una reacción endergónica. c.5) LAS REACCIONES ACOPLADAS PROCESOS DE DEGRADACIÓN PROCESOS DE SÍNTESIS METABOLISMO CELULARLAS CÉLULAS ACOPLAN LAS REACCIONES Enzima CATABOLISMO-DEGRADACIÓN 1-Glucólisis Glucosa Acido pirúvico 2-Fermentación Glucosa Etanol 3-Respiración celular 1 mol glucosa 36 ATPs + + + + + + n + ANABOLISMO-SÍNTESIS 1-Síntesis de proteínas 2-Síntesis de glucógeno 3-Fotosíntesis + + + + + + n REACCIONES EXERGONICAS REACCIONES ENDERGÓNICAS Metabolismo ¿CUÁL ES LA FUNCIÓN DE LAS ENZIMAS EN LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS CELULARES? Cofactor Sitio catalítico Coenzima Apoenzima Holoenzima 4.2. LAS ENZIMAS, CARACTERÍSTICAS Y FUNCIÓN a) ¿QUÉ SON LAS ENZIMAS? SON PROTEÍNAS CON CAPACIDAD CATALÍTICA ¿QUÉ SIGNIFICACAPACIDAD CATALÍTICA? • ACTÚAN DISMINUYENDO LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN • SON CATALIZADORES QUE SE HALLAN INALTERADOS AL FINALIZAR LA REACCIÓN • SON MUY ESPECÍFICOS, ACTÚAN SÓLO SOBRE UN DETERMINADO SUSTRATO • LAS ENZIMAS DEBEN SUS PROPIEDADES A SU CONFORMACIÓN ESTRUCTURAL • PERMITE QUE SE DESARROLLEN REACCIONES BAJO CONDICIONES NORMALES DE LOS SERES VIVOS (PRINCIPALMENTE TEMPERATURA Y pH) • PERMITE QUE LAS REACCIONES SE DESARROLLEN A MAYOR VELOCIDAD (106 a 1012 VECES MAS) b) PROPIEDADES ENZIMAS PROPIEDADES Amilasa T° 37 °C pH 7.0 Catalizan reacciones termodinámicamente favorables, disminuyendo la energía de activación (Ea) . Nunca sufren cambios en su estructura o función . Son altamente específicas . Debe su función a su estructura . Desarrolla la reacción a condiciones normales de la vida (Temperatura y pH) . Las reacciones se desarrollan a mayor velocidad Reactantes Almidón Sustrato Productos Glucosa E n e rg ía Energía de activación de reacción sin enzima Energía de activación de reacción catalizada Con enzima Enzima: amilasa T° 90 °C pH 2.0 REACCIÓN TERMODINÁMICAMENTE FAVORABLES ALMIDÓN GLUCOSA REACCIÓN QUÍMICA H2SO4 0,5M (pH 2.0) T° 90 °C 2.5 Atmósferas (olla a presión) Condiciones NO NORMALES REACCIÓN BIOQUÍMICA ENZIMA: AMILASA pH 7.0 T° 36,8 °C 1.0 Atmósfera (presión normal) CONDICIONES NORMALES ¿CÓMO SE ENTIENDE QUE ACTÚAN DISMINUYENDO LA ENERGÍA DEACTIVACIÓN? ¿Es una reacción espontánea? E n er g ía L ib re Esta reacción requiere una menor energía de activación Esta reacción requiere una mayor energía de activación Reacción química Reacción Bioquímica Diferencia de energía libre entre una reacción con catalizador y sin catalizador Energía libre = energía de activación = Energía de Gibbs • DISMINUYEN LA ENERGÍA DE ACTIVACIÓN ESPECIFICIDAD Las enzimas son altamente específicas y actúan sobre un determinado sustrato. Así por ejemplo: E + S ES P + E Enzima Sustrato complejo E-S Productos Enzima Amilasa salival Almidón Amilasa Glucosa Amilasa Almidón Maltosa Maltodextrina ENZIMA SUSTRATO PRODUCTO Celulasa Celulosa Glucosa, celobiosa Lipasa Lípidos simples Glicerol, Ac. Grasos Proteasa proteínas Aminoácidos Β-galactosidasa Lactosa Glucosa, galactosa Sacarasa Sacarosa Glucosa, fructosa ALTA ESPECIFICIDAD DE REACCIÓN INTERACCIÓN ESTEREO ESPECÍFICA CON SU SUSTRATO c) ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS Químicamente son proteínas simples o conjugadas de estructura terciaria o cuaternaria (globulares) que tienen una región denominada sitio activo o sitio catalítico. Sitio activo Sitio activo Sustrato Proteínas simples: Formadas solo por aminoácidos Proteínas conjugadas: Formadas por aminoácidos y otro elemento que se denomina grupo prostético (azúcar, lípido, nucleótido, metal). Es una región tridimensional que entra en contacto con el sustrato y se desarrolla la catálisis enzimática. La porción de la enzima que se une al sustrato es una zona relativamente pequeña (4 AMINOÁCIDOS O 4 RESTOS). Esta zona, favorece la orientación de los grupos químicos. En la figura se representa el sitio activo de la polifenol oxidasa (PPO) en donde los –R His 94, 96 y 119 están próximos en un lugar de la molécula. Resto Estructural: Mantiene espacialmente la estructura del sitio activo Resto de Unión: Establece enlaces con el sustrato Resto catalítico: Desarrolla la reacción catalítica Resto acompañante: Apoya la función estructural y de unión del sitio activo ¿QUÉ ES EL SITIO ACTIVO? ¿QUÉ SE REQUIERE PARA QUE UNA ENZIMA SEA FUNCIONAL? APOENZIMA (Enzima inactiva) HOLOENZIMA (Enzima activa)COFACTOR COFACTORES INORGÁNICOS Ion metálico (Mg, Ca, Fe, Cu, Zn, Mn, etc.) COFACTORES ORGÁNICOS Compuesto orgánico no proteíco (COENZIMA: nucleótidos y vitaminas) Las coenzimas más importantes son: .NAD Nicotinamida Adenina Dinucleótido .NADP Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato .FAD Flavina Adenina Dinucleótido .Las vitaminas NAD NADH NADP NADPH FAD FADH oxidado reducido ¿Qué se requiere para que una enzima sea funcional? En algunos casos se requiere compuestos que modifican su estructura (regulador alostérico) y para ello se requiere un compuesto activador (efector alostérico positivo) o un compuesto inhibidor (efector alostérico negativo) d) ¿CÓMO FUNCIONAN LAS ENZIMAS? . Los posibles mecanismos de catálisis son cuatro: a) Catálisis por tensión de enlace: La unión del sustrato y enzima que producen uniones tensionadas, frecuentemente fuerza a los átomos del sustrato y a grupos catalíticos, como el glutamato y el aspartato, a conformaciones que tensan enlaces del sustrato existentes. b) Catálisis por proximidad y orientación: Las interacciones enzima-sustrato orientan los grupos reactantes y los juntan uno con otro. Además de inducir tensión, grupos como el aspartato son frecuentemente químicamente reactivos. c) Catálisis que involucran donadores (ácidos) y aceptores (bases) de protones: Donadores de protones que generan tensión, por ejemplo, el uso de glutamato como un catalizador acido en general (donador de protones). d) Catálisis covalente: En las catálisis que se realizan por mecanismos covalentes, el sustrato se orienta a los sitios activos de las enzimas de tal manera que se forma un intermediario covalente entre la enzima o la coenzima y el sustrato. Ejemplo: proteólisis por las proteasas de serina, que incluye a enzimas digestivas (tripsina, quimiotripsina, y elastasa). Estas proteasas contienen en su sitio activo serina cuyo hidroxilo del grupo-R forma un enlace covalente con un carbono carbonilo de un enlace peptídico, por lo tanto causan hidrólisis del enlace peptídico. Formados los productos las enzimas pueden comenzar un nuevo ciclo de reacción. Ciclo de la enzima sacarasa FACTORES QUE CONDICIONAN LA ACTIVIDAD DE LA ENZIMA FACTORES FÍSICOS - QUÍMICOS - ESTEREOESPECIFICIDAD POR EJEMPLO EN ANIMALES Efecto del pH y la temperatura sobre la actividad de la enzima A elevadas temperaturas se puede reducir la actividad de la enzima o proteínas conjugadas (la proteína no solo está constituida de aminoácidos sino también de otros elementos a los que de manera generalse les conoce como grupo prostético: azucares, lípidos, nucleótidos y metales). Algunas coenzimas Cofactores y Coenzimas Metales en Enzimas Para que una sustancia sea apropiada como sustrato de una enzima debe reunir los siguientes requisitos: a) Que experimente una transformación bien definida por la acción catalítica de la enzima; b) Que sea específica para la enzima respectiva o el grupo muy restringido de enzimas. Ej.: el almidón para las alfa- y beta- amilasas; c) Que según las condiciones del ensayo, previamente fijadas, no sufra una descomposición espontánea o produzca otras reacciones no catalizadas por la enzima; d) Que la transformación del sustrato que es catalizada por la enzima. Sea fácilmente medible. REACCIONES TERMODINÁMICAMENTE FAVORABLES ALMIDÓN GLUCOSA REACCIÓN QUÍMICA H2SO4 0,5M T° 90 °C 2.5 Atmósferas Condiciones NO NORMALES REACCIÓN BIOQUÍMICA ENZIMA: AMILASA T° 36,8 °C 1.0 Atmósfera CONDICIONES NORMALES Los enzimas son catalizadores muy potentes y eficaces (aumentan la velocidad de las reacciones entre 103 y 109 veces). 4.5. METABOLISMO CÉLULAS CONJUNTO DE TODAS LAS REACCIONES QUÍMICAS (DEGRADACIÓN Y SÍNTESIS) QUE OCURREN DENTRO DE UNA CÉLULA ALIMENTO PROCESO METABÓLICO ENERGÍA ENERGÍA POTENCIAL PARA QUE COMEMOS ? ? ENERGÍA QUÍMICA O POTENCIAL SE LIBERA Y SE TRANSFORMA ATP MONEDA ENERGÉTICA MOLÉCULAS RESERVORIO DE ENERGÍA NADH2 FADH2 NADPH2 GTP AMP ADP ATP METABOLISMO ADP + Pi TRANSPORTE ACTIVO TRANSMISIÓN DE IMPULSOS BIOLUMINISCENCIA ATP BIOSÍNTESIS DE MATERIAL CELULAR MOTILIDAD, CONTRACCIÓN PARA QUE USA LA CÉLULA LA ENERGÍA LIBERADA Y ALMACENADA CÉLULA PROCESO CATABÓLICO CO2 + H2O RESIDUOS ALIMENTO A L I M E N T O ¿ CÓMO OBTIENEN LAS CÉLULAS ENERGÍA EN FORMA DE ATP ? ¿ CÓMO OBTIENEN LAS CÉLULAS ENERGÍA EN FORMA DE ATP ? PROCESO METABÓLICOS - SISTEMA EMBDEN – MEYERHOF – PARNAS (EMP) (GLICOLISIS - RESPIRACIÓN AERÓBICA - RESPIRACIÓN ANAERÓBICA - SISTEMA DE LA HEXOSA MONOFOSFATO - SISTEMA DE LA FOSFOCETOLASA FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO ¿CUÁLES SON LOS MECANISMOS DE FORMACIÓN DE ATP ? HEXOCINASA ISOMERASA ALDOLASA TRIOSA FOSFATO DESHIDROGENASA FOSFO FRUCTOCINASA FOSFOGLICERO MUTASA TRIOSA ISOMERASA FOSFOGLICERO MUTASA ¿CUÁLES SON LOS MECANISMOS DE FORMACIÓN DE ATP ? TRIOSA CINASA FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO ADP + Pi ADP + Pi TRIOSA CINASA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA ¿CUÁLES SON LOS MECANISMOS DE FORMACIÓN DE ATP ? f FOSFORILACIÓN FOTOSINTÉTICA O FOTOFOSFORILACIÓN ¿CUÁLES SON LOS MECANISMOS DE FORMACIÓN DE ATP ? TIPOS DE SISTEMAS TERMODINÁMICOS Dentro de la termodinámica hay los siguientes tipos de sistemas: SISTEMA ABIERTO Un sistema está abierto si permite un flujo con el entorno externo a través de su límite. El intercambio puede ser energía (calor, trabajo, etc.) o materia. Un ejemplo de un sistema abierto es una piscina llena de agua. En la piscina el agua puede entrar o salir de la piscina y puede calentarse mediante un sistema de calefacción y refrigeración por viento. SISTEMA CERRADO En termodinámica, un sistema es cerrado si permite un flujo de energía con el entorno exterior, a través de su frontera, (por medio de calor y / o trabajo y / u otra forma de energía), pero no de masa. Un ejemplo es un cilindro mantenido cerrado por una válvula, que puede calentar o enfriar, pero no pierde masa (mientras que el mismo cilindro se comporta como un sistema abierto si abrimos la válvula). SISTEMA AISLADO Se dice que un sistema está aislado si No permite el intercambio de materia con el entorno exterior. No permite la transferencia de energía con el entorno externo. Un ejemplo es el universo. La mayoría de los astrónomos también consideran el universo como un sistema aislado. No permite la entrada ni la salida de materia ni de energía.
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