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Guzman, D. (2018, 12 febrero). Aplicaciones de La Termodinámica en La Bioquimica. Scribd. https://es.scribd.com/document/371297598/Aplicaciones-de-La-Termodinamica-en-La-Bioquimica
W.Ball, D. (2005). Físico-Química (1.a ed., Vol. 1). Cengage.

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Nomenclatura en las ecuaciones bioquímicas

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Nomenclatura en las ecuaciones bioquímicas

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Ninguna ecuación bioquímica debe contener H+.

Las especies iónicas se reemplazan por especies neutras.

Al escribir CO2 se entiende que es su fase gaseosa, para el CO2 disuelto se escribe TotCO2, que representa la mezcla del equilibrio de las especies.

Las especies NH3 y NH4+ se indican como amoníaco, que representa ambas especies en equilibrio.

La palabra cianuro representa CN- y HCN.

Nitrito sustituye a NO2- y nitrato a NO3-

Se usa Fe(ll) en lugar de Fe2+

Las formas oxidadas o reducidas de una especie se indican con los subíndices ox o red.

Ascorbato y urato reemplazan a ácido ascórbico y ácido úrico respectivamente,

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Las propiedades termodinámicas asociadas a las ecuaciones bioquímicas se las denomina propiedades transformadas y se simbolizan agregando un apóstrofe, que indica que lleva implícita los valores de T, P, pH, pMg e I.

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Ecuación bioquímica de la hidrólisis del ATP

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Ecuación química de la hidrólisis del ATP

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Las especies involucradas usualmente se encuentran en forma iónica, y de esta manera se define también su equilibrio 

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Las especies involucradas usualmente se encuentran en forma iónica, y de esta manera se define también su equilibrio 

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Tienen como base la diferencia entre ecuaciones químicas y ecuaciones bioquímicas, siendo esta el estado transformado bioquímico estándar, en donde se especifican los valores de T, P, pH, pMg e I.

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En 1994, se redactó una serie de recomendaciones para la nomenclatura y las tablas de datos termodinámicos de reacciones bioquímicas

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Recomendaciones de la IUPAC para reacciones bioquímicas (1994)   

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Recomendaciones de la IUPAC para reacciones bioquímicas (1994)   

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Mediante la termodinámica se pueden obtener datos relevantes en cuanto a la energética del proceso y a la factibilidad de que ocurra en función de los criterios de espontaneidad derivados de las mismas leyes termodinámicas.

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Estas condiciones por lo general son: pH de 7.0, pMg 3.0 y una fuerza iónica de 0.25 mol/kg.

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Bajo el punto de vista termodinámico, las reacciones bioquímicas son tratadas como reacciones químicas ordinarias, pero se considera que se dan en el medio celular, con unas condiciones específicas

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Los cambios de entropía y entalpía son aproximadamente directos proporcionalmente.

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Mayor bases en el oligonucleótido, más desfavorable sera el emsanblado desde una vista entrópica,, pero mayor será la compensación entálpica para que el proceso se produzca.

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La formación de la doble helice de ADN se asocia a un cambio negativo de entropía, por lo que el proceso necesita una compensación entálpica.

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Determinación experimental de las propiedades termodinámicas

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Determinación experimental de las propiedades termodinámicas

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La variación de las propiedades termodinámicas para el autoemsamblado de pares de bases ha sido calculado por Breslauer.

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La variación de las propiedades termodinámicas para el autoemsamblado de pares de bases ha sido calculado por Breslauer.

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Por tratarse de funciones de estado se forma igual las siguientes ecuaciones

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Por tratarse de funciones de estado se forma igual las siguientes ecuaciones

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Un camino adecuado es aquel donde hay un acercamiento de las dos hebras de ADN a una distancia donde estas tengan interacción y tengan asociadas un ∆G de iniciación.
Finalmente ocurre un proceso de autoensamblado en consideración de fuerzas de London y de Van Der Waals entre los pares de bases vecinos.

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Este proceso tiene asociado un ∆G que dependerá del estado inicial y final del sistema, cualquier camino para la formación de la doble hebra y siempre que el camino seguido implique como resultado global la reacción, el valor para ∆G será el mismo a una temperatura dada.

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Como segunda aproximación es considerar la formación de Base-Pair Nearest Neighbors (BPNN).

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Las propiedades termodinámicaspara la formación de doble hebra las cuales dependen de pares de bases de AT y GC que se forman.

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Para el análisis termodinámico de la formación de doble hebras de ADN se buscan patrones como:

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El proceso de formación de dobles hebras de ADN es específico y termodinámicamente favorable.

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Las propiedades termodinámicas de los ácidos nucleicos es fundamental el diseño de marcadores (primers)que permitan identificar enfermedades.

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Cudno la proteína mutante tiene estabilidad similar a la proteína nativa, quiere decir que el aminóacido no juega un papel fundamental en dicha estructura, esto ya que los mutantes determinan la importancia de los aminoácidos.

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La estabilidad de las proteínas se estudia mediante DSC.

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Los aminoácidos juegan un papel fundamental, estos son sustituidos por técnicas moleculares.

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Las interacciones posibles entre aminoácidos conducen a la forma natativa y es muy grande.
En el proceso de formación espontánea de la estructura natativa se producen las mismas interacciones siempre.

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Termodinamicante para calcular este fenómeno únicamente se necesita la proteína nativa (N) y desnaturalizada (D).

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En el plegamiento de proteínas una cadena lineal de aminoácidos adquiere una estructura tridimensional determinada que le confiere a la proteína su actividad catalítica.

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Autoensablado de hebras de ADN: formación de la doble hélice.

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Autoensablado de hebras de ADN: formación de la doble hélice.

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Cuando se comparan los resultados de  ∆rG°298,m ' ∆rG298,m   y notamos que para algunas etapas de la ruta, los valores son muy diferentes las propiedades termodinámicas transformadas estándar predicen la espontaneidad de una etapa, mientras que en condiciones fisiológicas ocurre lo contrario, o viceversa.  importante dejar en claro las condiciones para las cuales son válidas las conclusiones a las que se llega en el análisis.

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La aproximación más realista al estudio de las reacciones bioquímicas consiste en aceptar que la Termodinámica Clásica no puede aplicarse estrictamente, puesto que los seres vivos no pueden considerarse sistemas cerrados

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En condiciones fisiológicas significa que la ruta glucolítica está fuera del equilibrio, y por lo tanto, desde el punto de vista termodinámico, ocurre espontáneamente.

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Análisis termodinámico de la vía glucolítica

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Análisis termodinámico de la vía glucolítica

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una de las rutas metabólicas más importantes del metabolismo

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El análisis termodinámico de las rutas metabólicas puede llevarse a cabo con diversos grados de refinamiento  en los cálculos de las propiedades termodinámicas considerando un sistema cerrado dependerá de la existencia de datos tabulados suficientes para poder llevar a cabo los mismos.

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ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LAS RUTAS METABÓLICAS

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ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LAS RUTAS METABÓLICAS

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Energía libre de Gibbs de formación estándar y entalpías de formación estándar transformadas para diferentes sustancias a 25ºC, pH=7, pMg=3, a distintos valores defuerza iónica.

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Energía libre de Gibbs de formación estándar y entalpías de formación estándar transformadas para diferentes sustancias a 25ºC, pH=7, pMg=3, a distintos valores defuerza iónica.

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Propiedades termodinámicas transformadas de las especies relacionadas con la hidrólisis del ATP en soluciones acuosas diluidas a pH=7, pMg=3, I=0.25.

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Propiedades termodinámicas transformadas de las especies relacionadas con la hidrólisis del ATP en soluciones acuosas diluidas a pH=7, pMg=3, I=0.25.

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Se ha medido los valores de las constantes de equilibrio para 500 reacciones bioquímicas. Con estos datos fue posible calcular los valores para las propiedades termodinámicas transformadas para muchas especies, las cuales se encuentran tabuladas (Alberty, 2000). 

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Se ha medido los valores de las constantes de equilibrio para 500 reacciones bioquímicas. Con estos datos fue posible calcular los valores para las propiedades termodinámicas transformadas para muchas especies, las cuales se encuentran tabuladas (Alberty, 2000). 

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Variación en la entropía molar estándar transformada

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Variación en la entropía molar estándar transformada

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Variación en la entalpía molar estándar transformada 

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Variación en la entalpía molar estándar transformada 

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Variación en la energía libre de Gibbs molar estándar transformada  

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Variación en la energía libre de Gibbs molar estándar transformada  

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Cuando se especifican los valores de pH y pMg, las propiedades termodinámicas G, H, S y Cp dejan de usarse, y se sustituyen por las propiedades termodinámicas transformadas, G’, H’, S’ y C’p

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Cuando se especifican los valores de pH y pMg, las propiedades termodinámicas G, H, S y Cp dejan de usarse, y se sustituyen por las propiedades termodinámicas transformadas, G’, H’, S’ y C’p

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Calculo de las propiedades termodinámicas

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Calculo de las propiedades termodinámicas

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Existen muchas formas matemáticas de rastrear los cambios de energía de un sistema.

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La energía total de un sistema aislado es constante. Si la energía total de un sistema cerrado cambia, puede manifestarse como trabajo o calor

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Se puede hablar de la primera ley de la termodinámica, la cual tiene que ver con la energía.

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Estas reacciones ocurren en las células

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Otra reacción imporatnte es la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) en difosfato de adenosina (ADP) y viceversa.

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Hidrólisis de trifosfato de adenosina (ATP) para formar difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgpanico. Esta es la reaccion inversa de la de la glucosa, por lo tanto su entalpía es 2799 kj por mol de glucosa oxidada

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La oxidación de la glucosa
el cambio de entalpía de esta reacción es de -2799 kj por mol de glucosa oxidad

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Algunos de los procesos bioquímicos importantes son los siguientes:

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El estudio de los seres vivos, se apoya en la química. Los sistemas

biológicos son muy complejos, sus reacciones químicas se rigen por los conceptos de la termodinámica.

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David Ball