Bioenergética. Unidad XI

Transcripción

1 Bioenergética Unidad XI

2 La descripción de la energía de cualquier sistema vivo o no vivo puede efectuarse a partir de la TERMODINAMICA la cual describe los cambios de energía que se realizan cuando un sistema experimenta una transformación de un estado a otro

3 La descripción de la transición de un estado a otro en función de la termodinámica puede darse en función de: sistema energía interna (U) entalpía (H) entropía (S) energía libre (G) energía total contenido calórico grado de desorden energía disponible para el trabajo útil Funciones de estado: solo dependen del estado inicial y final del sistema por lo que solo hablaremos de cambios: E, H, S, G

4 Para aplicaciones bioquímicas G: energia libre cantidad máxima de energía química potencialmente disponible para hacer un trabajo útil T y P constantes Permite predecir la probabilidad de una reacción

5 Energía libre La función G esta relacionada directamente con la energía química total del sistema y por lo tanto con la estabilidad química del sistema Reactivos Productos estado inicial G i estado final G f G= G f - G i G < 0 (G reactivos > G productos) reacción será exergónica (libera E) estas reacciones son termodinamicamente favorables, la energia liberada puede utilizarse para realizar un trabajo. G > 0 (G reactivos < G productos) reacción será endergónica (necesita E) y su valor será positivo:, estas reacciones son termodinamicamente desfavorables.(debe realizarse trabajo) G = 0? Los procesos directos e inversos en un sistema reversible están ocurriendo a la misma velocidad y el sistema esta en equilibrio, no hay tendencia a experimentar ningún cambio neto posterior.

6 Cambios de energía libre estándar: G 0 aa + bb cc + dd (T y P constantes) ΔG ΔG 0 RT ln c d C D A a B b R: 2 cal/k mol J/K mol G 0 : cambio de energia libre estandar, concentracion = 1M solo depende de los cambios en T y P Cuando el sistema esta en equilibrio: G =0 y: ΔG 0 RT ln c d C D A a B b ΔG 0 RT ln(k ) 2.3RT log(k eq eq ) Muchas reacciones (especialmente las que ocurren en la naturaleza) implican la presencia de H + para lo cual se define G 0 a ph=7

7 A + B C + D K eq >>> 1 G < 0 estabilidad R < estabilidad P conversión que produce E A + B C + D K eq <<< 1 G > 0 estabilidad R > estabilidad P conversión que requiere E Para las reacciones de oxido-reducción G 0 = -nfe 0 ó G 0 = -nfe 0 donde: n: numero de moles de electrones transferidos F: constante de Faraday (aprox cal/v) E 0 = potencial de oxido-reducción estándar neto (V) E 0 = potencial de oxido-reduccion estandar neto a ph = 7 (V)

8 ACOPLAMIENTO ENERGETICO Si una reacción exergónica ocurre en presencia de una reacción endergónica la producción de energía de la primera serviría como energía para llevar a cabo la segunda: ACOPLAMIENTO ENERGETICO

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10 Las células para estar vivas y crecer dependen de la absorción de los alimentos para obtener energía útil Reacciones degradativas Reacciones sintéticas Alimentos Energía + Productos de desecho Intermediarios metabólicos Energía Carbohidratos Lípidos Proteínas Ac. Nucleicos Transporte activo de membrana y otros proceso que requieran energía

11 Cuál es la moneda energética de las células? El adenosin trifosfato (ATP): al formar ATP las células conservan la energía química liberada en las reacciones química que producen energía y luego por degradación del ATP utilizan esta bioenergia para mantener los eventos de sintesis que la requieren y otros procesos celulares

12 Reacciones degradativas Reacciones sintéticas Alimentos Energía + Productos de desecho Intermediarios metabólicos Energía Carbohidratos Lípidos Proteínas Ac. Nucleicos Transporte activo de membrana y otros proceso que requieran energia ADP ATP ADP (AMP) P i P i (Pp i )

13 Localización y propiedades del ATP, ADP y AMP Están presentes en todas las células ATP + ADP + AMP 5-15 mm Las proporciones relativas varían dependiendo del estado metabólico de la célula A ph 7 tanto el ATP como el ADP se hallan como aniones Existen acomplejados con Mg: MgATP 2-, MgADP 2- (en muchas reacciones esta es la forma activa)

14 Porque el ATP esta tan bien adecuado para ser la moneda energética de la célula? El ATP puede experimentar hidrólisis enzimática de su grupo fosfato terminal: ATP + HOH ADP + Pi ΔG 0 2.3RT log(k eq ) 7.3 kcal Valor a ph = 7 y T: 37ºC, exceso de iones Mg 2+ ADP + HOH AMP + Pi ΔG 0 2.3RT log(k eq ) 7.3 kcal Ambas reacciones son exergónicas

15 Porque el ATP es un compuesto termodinámicamente inestable? La molécula de ATP contiene la energía química suficiente para contrarrestar las características estructurales que tienden a actuar como fuerzas desestabilizadoras Cuáles son estas fuerzas? 1- Repulsión electrostática: al ph fisiológico el ATP existe como tetra-anión y la agrupación de cargas negativas iguales origina repulsión electrostática 2- Resonancia opuesta: competencia entre los átomos de fósforo vecinos por el par de electrones no compartidos de los átomos de oxigeno intercalados

16 Principio del intermediario común en las transferencias de energía Las reacciones del metabolismo tienen lugar a lo largo de cadenas secuenciales o consecutivas unidas por intermediarios comunes A + B C + D D + E F + G En la célula el intermediario común es el ATP E 1 X-P + ADP X + ATP E 2 ATP + Y ADP + Y-P

17 La escala del grupo fosfato: potenciales de transferenc Energía de hidrólisis mayor que el ATP!! Compuestos ricos en energía

18 Transferencia de grupos fosfatos desde el ATP Los compuestos fosforilados ricos en energía son los formados durante la degradación enzimática de las moléculas de combustibles Los dos mas importantes: 1-1,3-difosfoglicerato 2- fosfoenolpiruvato Se forman durante la degradación anaerobia de la glucosa a ácido láctico en la que se libera energía 1,3-difosfoglicerato + ADP 3-fosfoglicerato + ATP G 0 = kcal (1,3-difosfoglicerato a 3-fosfoglicerato) G 0 = -7.3 kcal (ATP a ADP) El grupo fosfato tenderá a moverse desde el fosfoglicerato al ADP

19 El sistema ATP-ADP actúa como transportados intermediario obligatorio de grupos fosfato originados a partir de los compuestos ricos en energía hacia los que se hallan por debajo de el en la escala POTENCIAL DE TRANSFERENCIA DE GRUPOS FOSFATO

20 Transferencia de grupos fosfatos de energía elevada al ADP La mayoría de los compuestos que se encuentran por debajo del ATP son esteres del ácido fosfórico y de alcoholes orgánicos. gliceroquinasa ATP + glicerina ADP + L-glicero-3-fosfato G 0 = -2.2 kcal (hidrólisis del glicero-3-fosfato) G 0 = -7.3 kcal (ATP a ADP) hexoquinasa ATP + D-glucosa ADP + D-glucoso-6-fosfato G 0 = -3.3 kcal (hidrólisis del glicero-3-fosfato) G 0 = -7.3 kcal (ATP a ADP) La reacciones proceden hacia la derecha De esta manera la energía química transferida originalmente de la degradación de la glucosa puede transmitirse a la glicerina, a la glucosa o a otros dadores de fosfato con el ATP desempeñando el papel de intermediario

21 Papel del AMP y del pirofosfato Existen algunas reacciones que utilizan el ATP en la célula en la que los dos grupos terminales del ATP se eliminan conjuntamente en forma de PP i quedando como producto AMP ATP + RCOOH + CoA-SH AMP + PPi + RCO-S-CoA Ac. Graso Acil-CoA del ac graso La reacción es una escisión pirofosfatolitica del ATP a diferencia de la ruptura habitual, escisión ortofofatolitica en la que el ATP pierde un solo grupo ortofosfato El pirofosfato inorgánico es un fosfato de nivel energético elevado cuyo G 0 de hidrólisis es comparable al del enlace fosfato terminal del ATP. Se hidroliza por acción de la pirofosfata para dar dos moléculas de ortofosfato inorgánico PP i + H 2 O 2Pi G 0 = -7.2 kcal Esta hidrólisis secundaria es una etapa valiosa para asegurar que ciertas reacciones biosinteticas se realicen completamente

22 El AMP puede retornan al ciclo de la energía por acción de la adenilato quinasa la cual cataliza la refosforilación del AMP a ADP: ATP + AMP ADP + ADP OTROS NUCLEOTIDOS-5 -TRIFOSFATOS DE NIVEL ENERGETICO ELEVADO Los 5 -trifosfatos de guanosina, de uridina y de citidina (GTP, UTP y CTP).Participan tambien en el metabolismo intermediario. Aunque el ATP es el principal transportador de grupos fosfato los demás trifosfatos desempeñan papeles importantes

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24 Metabolismo intermediario: suma total de todas las reacciones que tienen lugar en las células Obtener energía química del entorno Funciones especificas del metabolismo Convertir los elementos nutritivos exógenos en las unidades estructurales o precursoras de los componentes de las celulas Formar y degradar biomoleculas necesarias para las funciones celulares. Reunir los precursores para formar proteínas, ácidos nucleicos, lipidos, polisacaridos,

25 El metabolismo tiene lugar a través de secuencias de reacciones consecutivas catalizadas enzimáticamente utilizando muchos intermediarios químicos METABOLISMO Anabolismo Procesos de biosíntesis Catabolismo Procesos degradativos Funcionan simultáneamente (equilibrio dinámico)

26 Metabolismo Nutrientes conteniendo energía Carbohidratos Anabolismo Lípidos Proteínas METABOLISMO Catabolismo Catabolismo Productos finales sencillos CO 2 H 2 O NH 3 energía química macromoleculas Proteínas Polisacáridos Lípidos Ácidos Nucleicos Anabolismo Moléculas precursoras aminoácidos azucares ácidos grasos bases nitrogenadas NAD + -NADPH: nicotinamida-adenin-dinucleótido oxidado y reducido respectivamente FAD + -FADH 2 : favin-adenin-dinucleótido oxidado y reducido respectivamente

27 Ciclo energético de las células Las moléculas orgánicas complejas (glucosa, etc) tienen mucha energía potencial a causa de su elevado grado de ordenación estructural Cómo puede transformarse esa energía? (transportarse desde las rutas catabólicas a anabólicas) Un modo es sintetizando ATP!!

28 Ciclo energético de las células Una segunda manera es en forma de átomos de hidrogeno o electrones Combustible reducido Combustible oxidado Esto se realiza a través de coenzimas específicos, NADP y FAD los cuales transportan electrones ricos en energía de igual manera que el ATP es un transportador de grupos fosfato NADP oxidado CATABOLISMO RUTAS BIOSINTETICAS REDUCTORAS NADP reducido Producto biosintético reducido Precursor oxidado

29 Fases del catabolismo Las rutas catabolicas se indican con flechas negras y las anabolicas con flechas rojas La fase III es anfibótica no solo constituye la ruta final de degradación de los alimentos a CO 2 sino también proporciona los precursores de PM pequeño para el anabolismo

30 Moléculas de los elementos nutritivos Moléculas componentes Las pentosas, hexosas y la glicerina se convierten en este azúcar fosforilado de 3 átomos de C Especie de 2 átomos de carbono, producto comun final de todas las especies Producto final del catabolismo

31 Las rutas catabólicas convergen hacia una ruta final común Las rutas anabólicas divergen desde una ruta final común Las rutas catabólicas son exergónicas, mientras que las anabólicas son endergónicas

32 Diferencias entre anabolismo y catabolismo Diferencias en metabolitos intermediarios y enzimas que catalizan las etapas intermedias Ej: la degradación de glucosas implica una secuencia de 11 enzimas especificas, pero la síntesis solo utiliza 9 y las otras dos etapas son completamente diferentes) La ruta catabólica es imposible energéticamente para el anabolismo Localización intracelular Ej: la oxidación de ácidos grasos (catabolismo) tiene lugar por acción de un conjunto de enzimas localizado en la mitocondrias, mientras que la síntesis se realiza en el citoplasma extramitocondrial. Esto permite que los procesos ocurran de modo independiente y simultaneo. Diferencias en las enzimas reguladoras las rutas son reguladas por distintas enzimas reguladoras, esto confiere a la célula una gran flexibilidad metabólica

33 REGULACION DEL METABOLISMO INTERMEDIARIO Las células operan bajo el principio de máxima economía La velocidad del catabolismo no es controlada por la cantidad de combustible presente sino por la demanda de energia en forma de ATP La velocidad del anabolismo esta ajustada a las necesidades inmediatas (ejemplo: en las células en crecimiento la síntesis de aminoácidos ocurre a una velocidad para abastecer la síntesis de proteínas MODELOS DE REGULACION 1- Enzimas alostéricas: en las rutas catabólicas que conducen a la formación de ATP es este mismo el que actúa con frecuencia como un inhibidor alostérico, en las rutas anabólicas el producto biosintético final es el que habitualmente funciona como inhibidor alostérico 2- Control de la concentración de una enzima determinada 3- Sistemas endocrinos (organismos multicelulares superiores) hormonas que estimulan o inhiben las actividades metabólicas

34 METABOLISMO DE LOS HIDRATOS DE CARBONO

35 Glucólisis: desintegracion del azucar Proceso mediante el cual los organismos degradan la glucosa en piruvato con la producción concomitante de ATP Ocurre en el citosol Condiciones de crecimiento Anaerobios (ausencia de oxigeno) Aerobios (presencia de oxigeno) La glicólisis sirve es la principal ruta catabólica que produce energía para los sustratos obteniéndose etanol, ácido láctico y glicerol como productos finales FERMENTACION La glicólisis comprende una fase inicial de degradación de carbohidratos uniéndose a otro conjunto de reacciones: el ciclo del ácido cítrico La combinación de ambas fases produce la oxidación completa de la hexosa a CO 2

36 Ecuación general de la glicólisis C 6 H 12 O 6 Libre o proveniente del glicógeno Condiciones anaerobias 2 CH 3 CH 2 OH etanol OH fermentación CO 2 CH 3 C COO- H lactato (acido láctico) glicólisis 2 O CH 3 C piruvato ATP (pequeña cantidad) COO- Condiciones aerobias Ciclo de ácido cítrico 6 CO 2 + NADH (algo de FADH 2 ) O 2 H 2 O ATP ADP, Pi Fosforilación oxidativa En mayor proporción que el obtenido por la glicólisis

37 Glicólisis Características 1- Todos los intermediarios tienen seis o tres carbonos 2- Los compuestos de seis carbonos son derivados de la glucosa o la fructosa 3. Los compuestos de tres carbonos son derivados de la dihidroxiacetona el gliceraldehido, gliceratos y piruvato

38 Glicólisis Tipos de reacciones que tienen lugar 1- Transferencia intermolecular de grupos fosfato 2- Transferencia intramolecular de grupos fosfato 3- Isomerización 4- Deshidratacion 5- Escisión aldólica

39 Glucosa Glucosa-6-fosfato Fructosa-6-fosfato Fructosa-1,6-difosfato Fase preparatoria o de reunión (Fosforilación de glucosa y conversión a gliceraldehido 3-fosfato) Hexoquinasa Fosfogluco isomerasa Fosfofructo quinasa Aldolasa Triosofosfato isomerasa Gliceraldehido-3-fosfato + Dihidroxiacetona fosfato

40 Gliceraldehido-3-fosfato + Dihidroxiacetona fosfato Gliceraldehido-3-fosfato (2) Oxidación y fosforilación 1,3-difosfoglicerato (2) 1 ra formación de ATP Triosofosfato isomerasa Fase II: ruta final común Conversión oxidativa de gliceraldehido-3-fosfato a piruvato y formación de ATP y NADH Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa fosfoglicerato quinasa 3-fosfoglicerato (2) 2 da formación de ATP 2-fosfoglicerato (2) Fosfoenolpiruvato (2) fosfogliceromutasa enolasa piruvatoquinasa piruvato (2)

41 Producción neta de ATP de la glicólisis GANANCIA NETA: 2 ATP Fosforilacion a nivel de sustrato

42 DESTINO DEL PIRUVATO

43 RUTAS AFLUENTES DE LA GLUCOLITICA Además de la glucosa, otros carbohidratos pueden incorporarse a la secuencia glicolitica mediante la acción consecutiva de dos enzimas: la glicógeno-fosforilasa o fosforilasa de almidón para las plantas y la fosfoglucomutasa (Glucosa) n + HPO 4 2- (glucosa) n-1 + glucosa-1-fosfato Luego, la glucosa-1-fosfato se transforma en glucosa-6-fosfato por accion de la fosfoglucomutasa Glicógeno o almidón + glicógeno-fosforilasa o fosforilasa de almidón

44 RUTAS AFLUENTES DE LA GLUCOLITICA

45 Regulación de la glicólisis La glicólisis tiene dos funciones: Generar energía en forma de ATP. Suministrar los monómeros para las reacciones biosintéticas La velocidad del proceso tiene que estar regulada para cubrir estas dos necesidades