LEYES DE LA TERMODINÁMICA APLICADAS A BIOLOGIA

• La termodinámica es la rama de la física que estudia los valores de las variables de un sistema, durante la transición entre dos estados estacionarios. Tales conocimientos permiten luego, clasificar los sistemas físicos (desde el punto de vista termodinámico) como aislados, cerrados, y abiertos (los seres vivos).

1RA LEY TERMODINAMICA• La energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede

crearse ni destruirse. La energía puede almacenarse en varias formas y luego transformarse en otras.

A juicio de ESTA ley, todas las formas de energía son Intercam-biables entre sí. Es decir que, cualquier forma de energía puede transformarse en otra. Lo único que no ocurrirá, será la creación de nueva energía, o la destrucción de la misma.

• Cuando los organismos oxidan carbohidratos, convierten la energía almacenada en los enlaces químicos en otras formas de energía. En el caso de las reacciones químicas, esto significa que la suma de la energía de los productos de la reacción y la de la energía liberada en la reacción misma es igual a la energía inicial de las sustancias que reaccionan.

2DA LEY TERMODINAMICA

• Todos los procesos naturales tienden a ocurrir en una dirección tal que la entropía 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.

REACCIONES METABOLICAS DE OXIDO REDUCCIÓN

• El procesamiento celular de energía implica la transferencia de ésta a través del flujo de electrones y protones, la secuencia de reacciones de oxido reducción que ocurren mientras el hidrógeno o sus electrones se transfiere de un compuesto a otro.

La oxidación es un proceso químico en el cual una sustancia pierde electrones

La reducción es un proceso químico en el cual una sustancia gana electrones

OJO• Es importante recordar que los procesos de

respiración celular aerobia ocurren en la mitocondria mientras que los procesos de fermentación anaerobia o fermentación ocurren en el citoplasma

RESPIRACION CELULAR

RESPIRACION AERÓBICA CELULAR

• Las reacciones químicas de la respiración celular se agrupan en 4 fases:

1.- Glucólisis.- es la conversión de la glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de 3 carbonos de piruvato con la formación de 2 moléculas de ATP

2.- Formación de la acetil coenzima A.- El piruvato se degrada e una molécula de dos carbonos que se combinan con la coenzima A para formar la acetil coenzima A; se libera CO2

3.- Ciclo del ácido cítrico: convierte la acetil coenzima A en CO2 y elimina electrones e Hidrógeno

4.- Sistema de transporte de electrones y fosforilación quimiosmótica.- Los electrones e H tomados de la molécula de combustible durante las fases precedentes se transfieren a lo largo de la cadena de aceptores de electrones. El transporte de e y la quimiósmosis se llevan a cabo en la mitocondira. Al tiempo que los electrones pasan de un aceptor a otro, se bombean iones de H (protones) de la matriz mitocondrial, a través de la membrana mitocondrial interna al espacio intermembranoso

• La diferencia de concentración de protones entre el espacio intermembranoso y la matriz se denomina gradiente protónico; a este gradiente representa un potencial de energía . Los protones regresan a la matriz mitocondrial

• Solo a través de canales especiales localizados en la membrana interna. Estos canales se encuentran dentro de la enzima ATP sintetasa.

Cuando los protones se mueven a través de estos canales a favor de un gradiente de energía, esta ºE se emplea para operar la síntesis de ATP, acoplando de esta forma la fosforilación del ADP en ATP con la oxidación.

PROCESOSLa mayor parte de reacciones que intervienen en la

respiración celular pueden agruparse en tres procesos:1.- Deshidrogenación.- se remueven 2 H de un sustrato y se

transfieren a una coenzima como el NAD o FAD q actúa como aceptor primario (El NAD por lo empaqueta temporalmente grandes cantidades de energía libre)

2.- Descarboxilación.- se elimina un grupo carboxilo (-COOH) se elimina en forma de CO2 (CO2 emitido por nosotros es el resultado del proceso de descarboxilación)

3.- Reacciones de preparación.- las moléculas vuelve a arreglarse y pasan por nuevas reacciones de deshidrogenación y descarboxilación

• NAD.- Dinocleótido de adenina y nicotinamida• FAD.- Dinucleótido de adenina y flavina

IMPORTANTE

• Tanto los citocromos como el NAD y el FAD son esenciales para la respiración, estos aceptores de electrones proporcionan el mecanismo por medio del cual la célula captura energía, lenta y eficientemente a partir del combustible celular

GLUCÓLISIS• También es llamada lisis o escisión de la glucosa.• Comprende un conjunto de pasos, generalmente se la puede

resumir en 9 reacciones, cada una catalizada por una enzima específica, hasta formar dos moléculas de ácido pirúvico, con la producción de ATP.

• Ganancia neta : 2 moléculas de ATP y 2 de NADH por cada molécula de glucosa.

• Las reacciones de la glucólisis se realizan en el citoplasma, como ya adelantáramos y pueden darse en condiciones anaerobias; es decir en ausencia de oxígeno.

• Los primeros cuatro pasos de la glucólisis sirven para fosforilar (incorporar fosfatos) a la glucosa y convertirla en dos moléculas del compuesto de 3 carbonos gliceraldehído fosfato (PGAL). En estas reacciones se invierten dos moléculas de ATP a fin de activar la molécula de glucosa y prepararla para su ruptura.

Proceso Paso 1Este proceso se inicia con la activación de la

glucosa, esta es una reacción exergónica con la siguiente reacción. Aquí actúa la HEXOCINASA

Glucosa + ATP glucosa 6 fosfato + ADP

• Paso 2La glucosa 6-fosfato sufre una reacción de

reordenamiento catalizada por una ISOMERASA, con lo que se forma fructosa 6-fosfato

Paso 3• La fructosa 6-fosfato acepta un segundo

fosfato del ATP, con lo que se genera fructosa 1,6-difosfato; es decir fructosa con fosfatos en las posiciones 1 y 6.

• La enzima que regula esta reacción es la FOSFOFRUCTOCINASA.

• Nótese que hasta ahora se han invertido dos moléculas de ATP y no se ha recuperado energía. ***

Paso 4La fructosa 1,6 -difosfato se divide luego en dos azúcares de 3

carbonos, gliceraldehído 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato. La dihidroxiacetona fosfato es convertida enzimáticamente (ISOMERASA) en gliceral. Recordar que hasta el momento no se ha obtenido ninguna energía biológicamente útil. En reacciones subsecuentes, la célula recupera parte de la energía contenida en el PGAL.

Gliceraldehído fosfato.

Paso 5Las moléculas de PGAL se oxidan es decir, se

eliminan átomos de hidrógeno con sus electrones, y el NAD+ se reduce a NADH.

Esta es la primera reacción de la cual la célula cosecha energía. El producto de esta reacción es el fosfoglicerato. Este compuesto reacciona con un fosfato inorgánico (Pi) para formar 1,3 difosfoglicerato. El grupo fosfato recién incorporado se encuentra unido por medio de un enlace de alta energía

Paso 6El fosfato rico en energía reacciona con el ADP

para formar ATP. (Recordemos en total dos moléculas de ATP por molécula de glucosa). Esa transferencia de energía desde un compuesto con un fosfato, de alta energía se conoce como fosforfilación.

Paso 7El grupo fosfato remanente se transfiere

enzimáticamente de la posición 3 a la posición 2 (ácido 2-fosfoglicérico).

Paso 8En este paso se elimina una molécula de agua

del compuesto 3 carbono. Este reordenamiento interno de la molécula concentra energía en la cercanía del grupo fosfato. El producto es el ácido fosfoenol

pirúvico (PEP).

Paso 9El ácido fosfoenolpirúvico tiene la capacidad de transferir su grupo fosfato a una molécula de ADP para formar ATP y ácido pirúvico. (dos moléculas de ATP y ácido pirúvico por cada molécula de glucosa).

Ecuación de la GlucólisisGlucosa + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2piruvato + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2C3H4O3 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O

FORMACION DEL ACETIL COENZIMA A

• El piruvato producto final de la glucólisis contine la mayor parte de la energía total de la molécula original de la glucosa. Cuando no hay oxígeno la célula utiliza las vías de fermetación.

• Una vez q la molécula d piruvato entra en la mitocondria se convierte en un compuesto llamado Acetil coenzima A (acetil CoA), un compueto que puede entrar en el ciclo del ácido cítrico

• La ecuación general para la formación de la coenzima A se expresa de la siguiente manera

2piruvatos+2NAD+ +2CoA 2 acetil CoA + 2NADH+ 2H+ 2CO2

La coenzima A se produce en la célula a partir de una vitamina B

CICLO DE KREBS

• Este ciclo también conocido como ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico.

• En este ciclo se pueden mencionar dos procesos separados pero que van íntimamente relacionados:

1.- El metabolismo oxidativo en el que hay movimiento de electrones de sustancias orgánicas y transferencias a coenzimas.

2.- Reoxidación de las coenzimas a través de la transferencia de electrones al acompañada directamente de la generación de ATP

Caracterísitcas

• Es la vía común final de oxidación del ácido pirúvico, ácidos grasos y las cadenas de carbono de los aminoácidos.

• La primera reacción del ciclo ocurre cuando la coenzima A transfiere su grupo acetilo (de 2 carbonos) al compuesto de 4 carbonos (ácido oxalacético) para producir un compuesto de 6 carbonos (ácido cítrico).

C3H4O3 + CoA + NAD + acetilCoA + NADH + CO2+ H +

El primer paso es catalizada por la enzima citrato sintasa.

• El ácido cítrico inicia una serie de pasos durante los cuales la molécula original se reordena y continúa oxidándose, en consecuencia se reducen otras moléculas: de NAD+ a NADH y de FAD+ a FADH2. Además ocurren dos carboxilaciones y como resultado de esta serie de reacciones vuelve a obtenerse una molécula inicial de 4 carbonos el ácido oxalacético.

• El resumen del proceso es:C3H4O3 + CoA + NAD + acetilCoA + NADH + CO2+ H +

acetilCoA + 2H2O+ 3NAD + +FAD+ ADP+Pi 2CO2+ 3NADH+ FADH2 + CoA + 3 H + +

ATP

TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACION QUIMIOSMÓTICA

Caracterísiticas

En esta etapa se oxidan las coenzimas reducidasel NADH se convierte en NAD+ y el FADH2 en FAD+. Al producirse esta reacción, los átomos de hidrógeno (o electrones equivalentes), son conducidos a través de la cadena respiratoria por un grupo de transportadores de electrones, llamados citocromos.

Los citocromos experimentan sucesivas oxidaciones y reducciones (reacciones en las cuales los electrones son transferidos de un dador de electrones a un aceptor).

En consecuencia, en esta etapa final de la respiración, estos electrones de alto nivel energético descienden paso a paso hasta el bajo nivel energético del oxígeno (último aceptor de la cadena), formándose de esta manera agua.

Cabe aclarar que los tres primeros aceptores reciben el H+ y el electrón conjuntamente. En cambio, a partir del cuarto aceptor, sólo se transportan electrones, y los H+ quedan en solución.

• Resumen del proceso

Resumen de la respiración celularFase Resumen Materiales

necesariosProductos finales

Glucólisis ( se lleva a cabo en el citoplasma)

Serie compuesta por cerca de 9 reacciones, durante la cual la glucosa es degradada en piruvato, beneficio neto de 2 ATP; se libera H; puede efectuarse en condiciones anaerobias

Glucosa, 2 ATP, ADP, Pi

Piruvato ATP, H

Formación de a acetil CoA ( se lleva a cabo en la mitocondria)

El piruvato se degrada y combina con la coenzima A para formar acetil CoA; se libera CO2

Piruvato, coenzima A, NAD

Acetil CoA, NADH, CO2

Ciclo de Krebs ( se lleva a cabo en la mitocondria)

Parte de l acetil CoA es degradada en H y CO2, este es un proceso aerobio

Acetil CoA, H2O, aceptores de H (Ej el NAD), ADP, Pi

CO2, NADH, FADH2, CoA, ATP

Sistema de transporte de electrones y quimiosmosis ( se lleva a cabo en la mitocondria)

Cadena de carias moléculas de transporte electrónico; átomos de H ( o sus e) la energía liberada se utiliza en la generación de un gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial interna ; cuando los porotones pasan a través de llos canales de la ATP sintetasa se sintetiza ATP; por cada par de e q entra en la cadena se sintetiza max 3 ATP ; es un proceso aerobio

H, ADP, Pi, oxígeno ATP, agua

Fase Resumen

Glucólisis ( se lleva a cabo en el citoplasma)

2 NADH2

*2ATP

4-6 ATP

2 piruvatos a 2 acetil CoA

2 NADH2 6ATP

2acetil CoA a través del ciclo del ácido cítrico

6NADH26 FADH2

2ATP18 ATP4ATP

Producción total de ATP

36-38 ATP

* Estos son los 2 unicos ATP q se producen en condiciones anaerobias, los otros son aerobios

Producción de energía en la oxidación completa de la glucosa