Energia Y Glucolisis 23666i

22-10-2017

ENERGIA Y GLUCOLISIS BIQUIMICA GENERAL

BROMATOLOGIA Y NUTRICION UNJFSC

Capítulo 1

ASIGNATURA TEMA

1

: BIOQUIMICA GENERAL : GLUCOLISIS Y ENERGIA

DOCENTE : SOLEDAD DIONISIA LLAÑEZ BUSTAMANTE DE ALOR ALUMNA

: ARMAS BAUTISTA RAFAEL CHUQUICHAICO NORABUENA CINTHYA ZEVALLOS MARGHIORY CONDOR SOLORZANO KAREN GUTIERREZ ESPINOZA ANYELY GRADOS LUCERO SAMIR HUACHO-PERU 2017

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

2

1. CONCEPTO DE ENERGÍA LIBRE. Unidades Al ser una magnitud extensiva, es decir, que depende de la cantidad de sistema, normalmente se va a referir en unidades de energía por unidad de cantidad de materia. Las más utilizadas son: • En el Sistema internacional de unidades: kJ/mol • Kcal/moL Definición En termodinámica, la energía libre de Gibbs (o entalpía libre) es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes). La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que la entropía del universo aumente, así mismo, está en función de la entropía de alrededor y del sistema. Por lo general solo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de la entropía de alrededores puede ser complicado. Por esta razón fue necesario otra función termodinámica, la energía libre de Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta solo las variables del sistema. Significado de G • • •  

La condición de equilibrio es G=0 La condición de espontaneidad es G<0 La condición de espontaneidad en la dirección opuesta es G>0 (Esta última condición nos dice que la reacción no se producirá). La energía de Gibbs molar parcial, es lo que se conoce con el nombre de potencial químico, que es lo que se maneja en cálculos termodinámicos en equilibrio, ya que el equilibrio químico entre dos sistemas implica la igualdad de potenciales químicos y su uso facilita los cálculos.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

3

2. COMO SE HALLA LA VARIACIÓN DE ENERGÍA LIBRE EN LOS SISTEMAS BIOLOGICOS ( EL DELTA G º )







La energía libre de Gibbs (G) Es una medida de la cantidad de energía utilizable (energía que puede realizar un trabajo) en ese sistema. El cambio en la energía libre de Gibbs durante una reacción provee información útil acerca de la energía y espontaneidad de la reacción (si puede llevarse a cabo sin añadir energía). Una definición sencilla del cambio en la energía libre de Gibbs sería: ΔG=Gfinal–Ginicial En otras palabras, ΔG es el cambio en energía libre de un sistema que va de un estado inicial, como los reactivos, a un estado final, como todos los productos. Este valor nos indica la máxima energía utilizable liberada (o absorbida) yendo del estado inicial al estado final. Además, su signo (positivo o negativo) nos dice si una reacción ocurrirá espontáneamente, es decir, sin energía adicional. Cuando trabajamos con la energía libre de Gibbs, tenemos que hacer algunas suposiciones como temperatura y presión constantes, sin embargo, estas condiciones rara vez son ciertas para las células y otros sistemas vivos. Energía libre de Gibbs, entalpía y entropía En una forma práctica y muy utilizada de la ecuación de energía libre de Gibbs, se calcula ΔG a partir de un conjunto de valores fácilmente medibles: los cambios de entalpía y entropía de una reacción, junto con la temperatura a la que ocurre la reacción. ΔG=ΔH−TΔS Retrocedamos un poco y veamos cada componente de esta ecuación. ∆H es el cambio en entalpía. En biología entalpía se refiere a la energía almacenada en los enlaces, y el cambio en la entalpía es la diferencia en la energía de los enlaces entre reactivos y productos. Un ∆H negativo significa que se libera calor de reactivos a productos, mientras que un ∆H positivo significa que se absorbe calor. (Esta interpretación de ∆H asume una presión constante, lo cual es una suposición razonable dentro de una célula viva). ∆S es el cambio de entropía del sistema durante la reacción. Si ∆S es positivo, el sistema se vuelve más desordenado durante la reacción (por ejemplo, cuando una molécula grande se divide en varias más pequeñas). Si ∆S es negativo, significa que el sistema se vuelve más ordenado. La temperatura (T) determina el impacto relativo de los términos ∆S y ∆H en el cambio de energía libre total de la reacción. (A mayor temperatura, mayor es el impacto del término ∆S en relación con el término ∆H). Toma

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

4

nota de que la temperatura debe estar en grados kelvin (K) para que la ecuación funcione adecuadamente. Las reacciones con un ∆G negativo liberan energía, lo que significa que pueden proceder sin adición de energía (son espontáneas). En contraste, las reacciones con ∆G positivo necesitan un aporte de energía para llevarse a cabo (no son espontáneas). Como puedes ver en la ecuación anterior, tanto el cambio en la entalpía como el cambio en la entropía contribuyen al signo y valor totales de ∆G. Cuando una reacción libera calor (∆H negativo) o aumenta la entropía del sistema, estos factores vuelven más negativo el ∆G. Por el contrario, cuando una reacción absorbe energía o disminuye la entropía del sistema, estos factores vuelven más positivo el ∆G. Gráfica que muestra cómo los signos de ∆H y ∆S afectan la espontaneidad de la reacción. Las reacciones con un ∆H negativo y un ∆S positivo son espontáneas a todas las temperaturas. Las reacciones con un ∆H positivo y un ∆S negativo no son espontáneas a ninguna temperatura. Las reacciones con un ∆H negativo y un ∆S negativo son espontáneas a bajas temperaturas, mientras que las reacciones con un ∆H positivo y ∆S positivo son espontáneas a altas temperaturas. Podemos saber si una reacción será espontánea, espontánea solo a ciertas temperaturas o que no ocurrirá espontáneamente analizando la ∆H y la ∆S. Si una reacción libera calor y aumenta la entropía, siempre será espontánea (tendrá una ∆G negativa) sin importar la temperatura. De igual manera, una reacción que absorbe calor y disminuye la entropía no será espontánea (∆G positiva) a ninguna temperatura. Sin embargo, algunas reacciones tienen una mezcla de características favorables y desfavorables (liberan calor pero disminuyen la entropía ir absorben calor pero aumentan la entropía). La ∆G y la espontaneidad de estas reacciones dependen de la temperatura, como se resume en el cuadro de la derecha. Reacciones endergónicas y exergónicas Las reacciones que tienen un ∆G negativo liberan energía libre y son denominadas reacciones exergónicas. (Mnemónico útil: Exergónico significa que la energía es Expulsada del sistema). Un ∆G negativo significa que los reactivos o el estado inicial, tienen más energía libre que los productos o estado final. A las reacciones exergónicas también se les llama reacciones espontáneas porque pueden ocurrir sin la adición de energía. Las reacciones con un ∆G positivo (∆G > 0), por otro lado, requieren de un aporte de energía y son denominadas reacciones endergónicas. En este caso, los productos o el estado final, tienen más energía libre que los reactivos o estado inicial. Las reacciones endergónicas no son espontáneas, lo que significa que debe añadirse energía antes de que puedan proceder. Puedes ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

5

pensar que las reacciones endergónicas almacenan parte de la energía añadida en los productos de alta energía que sintetizan Es importante tomar en cuenta que la palabra espontáneo tiene un significado muy concreto aquí: indica que la reacción se llevará a cabo sin energía adicional pero no dice nada acerca de qué tan rápido va a suceder .Una reacción espontánea puede tardar segundos en producirse, pero también podrían ser días, años o mucho más tiempo. La velocidad de una reacción depende de la vía que sigue entre el estado inicial y el estado final (las líneas moradas de los diagramas siguientes), mientras que la espontaneidad solo depende de los estados inicial y final. Veremos las velocidades de reacción con más detalle cuando estudiemos la energía de activación.

3. TIPO DE REACCIONES SEGÚN LA ENERGÍA (LIBERACIÓN O USO DE ELLA). Reacciones exergónicas. Un ∆G negativo significa que los reactivos o el estado inicial, tienen más energía libre que los productos o estado final. A las reacciones exergónicas también se les llama reacciones espontáneas porque pueden ocurrir sin la adición de energía. Reacciones endergónicas. En este caso, los productos o el estado final, tienen más energía libre que los reactivos o estado inicial. Las reacciones endergónicas no son espontáneas, lo que significa que debe añadirse energía antes de que puedan proceder. Reacciones endotérmicas: Que son las reacciones químicas que absorben calor, siendo, por tanto, la energía final (entalpía) de los productos, mayor que la energía inicial de los reactivos. De esta forma la variación de energía es positiva. Reacciones exotérmicas: Son las reacciones químicas que liberan calor, siendo por tanto la energía final (entalpía) de los productos, menor que la

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

6

energía inicial de los reactivos. De ello se concluye que la variación energética va a ser negativa. 4. IMPORTANCIA DE LA GLUCOLISIS A NIVEL DE LAS CÉLULAS DEL ORGANISMO VIVIENTE. (CEREBRO, HIGADO, MUSCULO, GLÓBULO ROJO) A NIVEL DEL CEREBRO: este tejido tiene una necesidad absoluta de glucosa y procesa la mayor parte de la misma a través de la via glugolítica. A continuación el piruvato obtenido se oxida completamente a CO2 y H2O en las mitocondrias del cerebro. El cerebro humano adulto utiliza aproximadamente 120 gr diarios de glucosa con el fin de satisfacer sus necesidades extraordinarias de ATP. El cerebro utiliza ampliamente la glucolisis como medio para preparar el carbono de la glucosa para su oxidación completa. A NIVEL DEL GLOBULO ROJO: en general la glucolisis del eritrocito no muestra diferencias cualitativas notables con las de otros tejidos, aunque se distingue por la alta actividad de dos enzimas de la derivación del 2,3BPG. La misión de esta derivación es producir 2,3 BFG el cual disminuye la afinidad de la hemoglobina por el O2. Carecen de mitocondrias por tanto, La glucolisis es su única fuente de energía. A NIVEL DEL HIGADO: la glucolisis en el hígado se utiliza principalmente para la síntesis de triglicéridos (lipogénesis), que serán enviados a los tejidos periféricos en forma de lipoproteinas de muy baja densidad (VLDL). Los triglicéridos pueden formarse totalmente a partir de la glucosa: los ácidos grasos se elaboran a partir de ACETIL CoA. Los triglicéridos sintetizados en el hígado son exportados al tejido adiposo donde se almacenan. A NIVEL DEL MUSCULO: Las células musculares se alimentan principalmente de glucosa de sus reservas glucogénicas y sobre todo de la que llega a través de la circulación sanguínea procedente del hígado. Durante el trabajo muscular, en presencia de una gran actividad glucogenolítica anaerobia, se producen grandes cantidades de lactato, que difunde a la sangre para ser llevado al hígado. Ello es debido a que las células musculares carecen de la enzima glucosa-6-fosfatasa, por lo que la glucosa fosforilada no puede salir a la circulación. El lactato en el hígado es convertido nuevamente en glucosa por gluconeogénesis, retornando a la circulación para ser llevada de vuelta al músculo. Representa la integración entre la glucólisis y gluconeogénesis de diferentes tejidos del cuerpo.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

7

5. REVISE TEXTOS, UBIQUE EL VALOR DE LA ENERGÍA LIBRE ESTÁNDAR DE CADA UNA DE LAS REACCIONES DE LA GLUCOLISIS QUE HEMOS DESARROLLADO EN LA ULTIMA CLASE. En la mayoría de los tejidos, bajo condiciones del estado estacionario. La glucolisis opera una forma continua aunque el flujo glagolítico puede variar para satisfacer las necesidades del organismo. La dilucidación del mecanismo de control del flujo de una vía determinada, como la glucolisis comúnmente involucra tres pasos: 1. La identificación del paso(S) determinante de la velocidad de la vía por medio de la medición in vivo del G DE cada reacción. Las enzimas operan lejos del equilibrio son los puntos posibles de control. 2. La identificación in vitro de los modificadores alostéricos de las enzimas que catalizan las reacciones determinantes de la velocidad. Los mecanismos mediantes los cuales actúan estos compuestos se determinan a partir de sus efectos sobre las cinéticas enzimáticas. 3. La medición de los niveles en vivo de los reguladores propuestos bajo varias condiciones para establecer si estos cambios en la concentración son consecuentes con el mecanismo de control propuesto. Examinaremos la termodinámica de la glucolisis en el musculo y nos centraremos en la comprensión de sus mecanismos de control. Gº y

G para las reacciones de la glucolisis en el musculo cardiaco.

Reacción

Enzima

Gº (KJ-mol-1)

G (kJ-mol-1)

1

Hexocinasa

-20.9

-27.2

2

PG1

+2.2

-1.4

3

PFK

-17.2

-25.9

4

Aldosa

+22.8

-5.9

5

TIM

+7.9

-0

6+7 8

GAPDH+PGK PGM

-16.7 +4.7

-1.1 -0.6

9 10

Enolasa PK

-3.2 -2.3

-2.4 -13.9

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

8

6. REVISE EN LA BIBLIOGRAFIA LA OXIDACIÓN COMPLETA DE UNA MOLÉCULA DE GLUCOSA DETALLELA EN SU TRABAJO Y HAGA UN COMENTARIO DE SU USO EN LA CÉLULA. La oxidación es un proceso químico que, vagamente definido, implica la eliminación de los electrones de áreas particulares de una molécula. En los procesos bioquímicos, la oxidación generalmente resulta en la liberación de energía. Como tal, cuando se "quema" la glucosa para obtener energía, las células se oxidan en realidad la molécula de glucosa para producir el dióxido de carbono y agua productos. Glucosa La molécula de glucosa contiene energía almacenada en sus enlaces, así como otras moléculas de nutrientes hacen, incluyendo almidón, proteínas y grasas. Cuando se consumen alimentos que contienen glucosa, a digerir los alimentos y absorber la glucosa en el torrente sanguíneo. A partir de ahí, las células absorben la glucosa y, o bien lo almacenan para su uso posterior o químicamente queman para proporcionar energía. La oxidación de la glucosa es análoga a leña de muchas maneras: Se libera la energía química. La glucólisis El proceso de oxidación completa de la glucosa comienza con una división de células una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, explican los Dres. Reginald Charles Garrett y Grisham en su libro "Bioquímica". Esto tiene lugar a través de una serie de 10 reacciones llamadas colectivamente la glucólisis. La división de la glucosa en piruvato representa una oxidación parcial de la glucosa y se produce con la liberación de una pequeña cantidad de energía. la oxidación completa de la glucosa, sin embargo, requiere reacciones adicionales. Los pasos de este proceso son: Paso 1: El grupo fosfato terminal se traspasa del ATP al carbono localizado en la posición 6 de la glucosa, convirtiéndose en glucosa 6-fosfato. Paso 2: La molécula obtenida se cambia por la intervención de la enzima fosfohexosaisomerasa, y la glucosa se convierte en fructuosa 6-fosfato. Paso 3: La fructuosa 6-fosfato gana un nuevo electrón proveniente de otro ATP, produciendo 1,6 bifosfato. Paso 4: Fosfato 1,6 bifosfato es separado por las enzimas, transformándose en dos moléculas de tres carbonos: la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído fosfato.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

9

Paso 5: Las moléculas de gliceraldehído fosfato pierden los electrones de hidrógeno y el NAD+ se reducen NADH y H+. La energía de esta reacción de oxidación se almacena formando un enlace fosfato de malta energía, uniéndose a un ion fosfato que se coloca en la posición 1 del gliceraldehído fosfato. Paso 6: El fosfato se libera de la molécula de bifosfoglicerato, reacciona con una molécula de ADP transformándola en ATP. Paso 7: El grupo fosfato remanente se transfiere a la posición 3 hacia la 2. Paso 8: Se elimina una molécula de H2O el compuesto de tres carbonos. Paso 9: El fosfato se transfiere a una molécula de ADP y se forma otra molécula de ATP. Ciclo de Krebs El resto de oxidación de la glucosa se produce a través de una serie de reacciones llamado Ciclo de Krebs. Estas reacciones modifican piruvato para producir una molécula llamada acetil-CoA, que luego se somete a una serie de ocho reacciones adicionales, explican los Dres. Mary Campbell y Shawn Farrell en su libro "Bioquímica". Al final del ciclo de Krebs, la glucosa se oxida completamente y toda la energía disponible de la molécula de glucosa original ha sido liberada y recogida por la célula. Productos Los productos de la oxidación completa de la glucosa son el dióxido de carbono y agua. Debido a que estas moléculas representan los productos de una extracción de energía a fondo, son esencialmente productos de desecho celulares - la célula no puede utilizar para proporcionar energía adicional. Las células reciclan el agua producida por la oxidación de la glucosa. El dióxido de carbono, sin embargo, se difunde en el torrente sanguíneo y viaja a los pulmones. A partir de ahí, lo que exhala. En esencia, cuando se consumen y quemar la glucosa, que exhala los productos de oxidación de la glucosa. Este proceso es preámbulo de respiración aeróbica y anaeróbica. En este proceso se descompone una molécula de glucosa de 6 carbonos, esta es oxidada y se descompone en, dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato). Durante esta reacción, se obtienen dos moléculas de ATP y se reducen dos portadores de electrones NADH. El número de carbonos se mantiene constante (6 en la molécula inicial de glucosa, 3 en cada una de las moléculas de ácido pirúvico).Este proceso ocurre en el citosol de la celula.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

10

Características:    



Ocurre en células procariotas y en eucariotas (Presente en los 5 reinos) Ocurre en el Citosol de la célula. Consiste en la degradación de la glucosa hasta producir Piruvatos o Ácidos Pirúvicos. Es un proceso anaeróbico que implica inversión de energía (2ATP), para obtener mayor producción (4ATP) y ocurre la reducción de 2NADH2. Es el primer paso en el metabolismo celular.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL

Capítulo 1

11

7. BIBLIOGRAFIA Hernández M. sastre A. (1999) tratado de nutrición, ediciones Díaz de santos (Madrid). Soriano J. (2006). Nutrición básica humana. Universidad de valencia. Voet D. Judhit V. Pratt. W. (2006) FUNDAMENTOS DE BIOQUIMICA. La vida a nivel molecular. Editorial media panamericana (Madrid).

Meyertholen, E. (s.f.). Gibbs free energy (Energía libre de Gibbs). En Bioenergetics. Endergonic reaction (Reacción endergónica). (24 de abril, 2016). Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., y Jackson, R. B. (2011). Free energy, stability, and equilibrium (Energía libre, estabilidad y equilibrio). En Campbell biology (10° ed., págs. 145-146). San Francisco, CA: Pearson.

ENERGIA Y GLUCOLISIS | BIQUIMICA GENERAL