Introducción n al metabolismo

Transcripción

1 Objetivos; Tema 12.- Introducción n al metabolismo Ciclo de materia y flujo de energía en la biosfera Visión general del metabolismo: Catabolismo y anabolismo Variación de energía libre. Compuestos ricos en energía: ATP Oxidorreducción biológica. Sistemas de transporte electrónico. Fosforilación oxidativa: Estudio de la ATPasa mitocondrial. Fotofosforilación Conceptos sobre vías metabólicas: Catabolismo y anabolismo Significado del acoplamiento energético de reacciones enzimáticas: una R endergónica se produce si se acopla con otra R exergónica G T < 0. Comprender qué son los compuestos ricos en energía y calcular el potencial de transferencia de grupos fosfato. Función del ATP. Entender la función del NADH en la oxidación de nutrientes y como se efectúa el transporte de e- en los complejos de proteínas transmembrana con grupos red-ox activos. La Coenzima Q y el citocromo c son transportadores móviles de e- en la membrana. Los H+ son traslocados a través de la membrana interna por los complejos I, III y IV. La energía libre de la oxidación del NADH se conserva como un gradiente electroquímico de H+(fuerza protomotriz), que activa a la ATP-asa. 2NADH + 2H + + O2 transporte de 4e- 4 H2O Se traslocan 20 H + 2,5 ATP

2 Introducción n al metabolismo Metabolismo: Conjunto ordenado de reacciones enzimáticas que se producen en las células. Conjunto de reacciones que transforman la materia con intercambio de energía. ESQUEMA DEL METABOLISMO Las reacciones bioquímicas están organizadas en vías metabólicas. Las vías metabólicas son interdependientes y su actividad está regulada y coordinada Funciones del metabolismo: Degradar las moléculas de los nutrientes para obtener energía química (ATP) Sintetizar las biomoléculas componentes de las células, consumiendo energía (ATP).

3 Bioenergética: Las células y los organismos vivos son sistemas abiertos que intercambian materia y energía con su entorno. 1- Aprovechan la energía: tica: Bases termodinámicas micas de las reacciones bioquímicas: Variación n de energía a libre Gº A partir de la energía solar (org. autótrofos) A partir de componentes químicos (nutrientes) de su entorno (org. heterotótrofos) 2 - Utilizan la energía para la producción de un trabajo biológico. Biosíntesis (anabolismo) Trabajo mecánico (contracción muscular) Gradientes osmóticos (transporte contra gradiente) Trabajo eléctrico (transmisión del impulso nervioso) Bioenergética: estudio cuantitativo de la transferencia y utilización de la energía en los sistemas biológicos. La única energía que pueden utilizar las células vivas (P y T = ctes) es la energía libre Energía libre de Gibbs (G)

4 Principio de conservación de la energía Bioenergética Las reacciones metabólicas se rigen por las leyes de la termodinámica Aumento natural del desorden, al realizarse un trabajo, una parte de la energía se disipa en forma de calor. G = H - T S Energía libre de Gibbs (G): Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes Entalpía (H): contenido calórico del sistema H > 0 H < 0 Reacción endotérmica (absorbe calor) Reacción exotérmica (libera calor) Entropía (S): aleatoriedad o desorden del sistema S > 0 S < 0 Aumenta entropía en el sistema Disminuye entropía en el sistema

5 Energía a libre de Gibbs Cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a Tª y presión constantes Proporciona información sobre: La dirección de la reacción química Composición en el equilibrio La cantidad de trabajo desarrollado Variación de energía libre ( G) Predice si una reacción es factible o no Reactivos G R G = G P - G R Productos G P G = 0 G > 0 G < 0 Proceso en equilibrio Reacción endergónica, consume energía Reacción exergónica, genera energía (espontánea)

6 Relación n entre G, Gº y Keq G o = variación de E libre en condiciones estándar. Valor fijo para cada reacción G = variación de E libre real. Es variable, depende [R] y [P] y de la Tª G = G o + RT ln Si la reacción está en el equilibrio G = 0 [C] [D] [A] [B] 0 = G o + RT ln [C] eq[d] eq [A] eq [B] eq G o = - RT ln K eq Si la reacción es en condiciones fisiológicas (ph = 7) G o = - RT ln K eq

7 Compuestos ricos en energía a y Potencial de transferencia de P El acoplamiento de las reacciones endergónicas y exergónicas está mediado por intermediarios de alta energía Los compuestos ricos en energía: Liberan la energía mediante la hidrólisis de un enlace y transferencia de grupo (rotura de un enlace rico en energía ~) Transfieren la energía en una sola reacción Son aquellos que ceden una energía > 25 kj/mol (potencial de transferencia de grupo) Potencial de transferencia de grupo: Capacidad de un compuesto para de ceder el grupo a otra sustancia. Se mide por la energía libre desprendida en la hidrólisis del enlace del grupo a transferir (alta energía). Grupos transferidos en reacciones bioquímicas: Fosfato, Acilo, metilo, etc.

8 ATP: 5 -Adenosina trifosfato: estructura y función Enlace fosfoanhidro Enlace fosfoéster Adenina 5 -Adenosina trifosfato Ribosa ATP = Nexo entre los procesos dadores de energía y los procesos biológicos consumidores de energía. Desarrolla: - trabajo químico y - trabajo biológico

9 Compuestos fosfato ricos en energía Fosfoenolpiruvato 1,3-Bisfosfoglicerato Fosfocreatina piruvato + Pi 3-Fosfoglicerato + Pi Creatina + Pi Fosfoenolpiruvato 1,3-Bisfosfoglicerato G o = -63 kj/mol G o = -49,3 kj/mol G o = -43 kj/mol Flujo de grupos P G o de hidrólisis (kj/mol) ATP Fosfocreatina Compuestos Fosfato de alta energía Compuestos Fosfato de baja energía Glucosa-6-fosfato Glicerol-3-fosfato Dadores de P de alta energía ATP Aceptores de P de baja energía

10 Metabolismo = catabolismo + anabolismo Catabolismo Anabolismo

11 Ejemplo de acoplamiento energético: papel del ATP G o TOTAL = G o 1 + G o 2 = 13,8 + (-30,5) = = -16, 7 kj/mol ATP G o 2 = -30,5 kj/mol G o 1 = 13,8 kj/mol ADP Glucosa Glucosa 6-P Glucosa + Pi ATP + H 2 O Glucosa + ATP Glucosa 6-P + H 2 O ADP + Pi Glucosa 6-P + ADP Reacción global exergónica

12 El ATP es un índice de la carga energética celular La [ATP] + [ADP] + [AMP] en el interior celular es constante Carga energética celular = [ATP] + ½ [ADP] [ATP] + [ADP] + [AMP] Vía generadora de ATP Velocidad relativa Vía utilizadora de ATP Carga energética

13 T 12B.- Oxido-reducci reducción n biológica Las células oxidan los nutrientes orgánicos para generar ATP, necesario para su trabajo útil. Perdida de electrones = Oxidación Ganancia de electrones = Reducción El flujo de electrones en el metabolismo se canaliza a través de intermediarios metabólicos y de transportadores (COENZIMAS REDOX) que convierten la energía del flujo de e- ( Eo) en energía química ( G o ): ATP. Ejemplo: La glucosa es un nutriente reducido, una fuente de electrones. Su degradación producirá la coenzima reducida NADH A A + + e - reducido oxidado CO 2 NAD + FAD NADH FADH 2 Eo H 2 O ATP Go Go

14 Potencial de reducción: Eo Fe 2+ (donador) / Fe 3+ (aceptor): par redox conjugado NADH (donador) / NAD + (aceptor): par redox conjugado Potencial de reducción ( E ): tendencia de un reductor a ceder e - En condiciones estándar ( E o ): 25º C, 1 atm presión, [oxidante] y [reductor] = 1 M H + + e - ½ H 2 En condiciones fisiológicas ph = 7 ( E o ) E o = 0 V Patrón o par estandar E o(h+/1/2h2) = 0,42 V Tendencia a adquirir e - > par estándar E o + Mucha afinidad por e - -> OXIDANTE Tendencia a adquirir e - < par estándar E o - Poca afinidad por e - -> REDUCTOR Los e - fluyen desde las especies reductoras, con un E o más electronegativo (- E º ) a las especies oxidantes, con un E o más electropositivo (+ E º ).

15 Potencial de reducción n e Gº (ejemplo) Los potenciales de reducción estándar de los compuestos permiten calcular la Gº de la reacción redox Piruvato + NADH + H + Lactato + NAD + Semirreacciones: Piruvato + 2H + + 2e - NADH - 2H + - 2e - NAD+ Lactato E o = -0,19 V E o = -0,32 V G o = - n F E o n = nº de e - cedidos = 2, F = 96,48 kj/mol V E o = E o (aceptor e-) E o (donador e-) E o = E o (oxidante) E o (reductor) E o = -0,19 (-0,32) = 0,13 V Piruvato acepta e- del NADH G o = -2 (96,5 kj/mol V) (0,13 V) = -25,09 kj/mol La reacción es espontánea en condiciones estándar: [ ]= 1M, 25ºC y ph 7

16 Respiración n mitocondrial Las células aeróbicas consumen O2 y lo reducen a H 2 O con los e- procedentes de la oxidación de nutrientes (NADH, FADH 2 ). TRANSPORTE ELECTRÓNICO MITOCONDRIAL: Se da en la membrana interna mitocondrial a través de una serie de transportadores de e- (componentes de la cadena respiratoria) que llevan los e- desde las coenzimas reducidas (NADH, FADH2) hasta el O2. Membrana interna Es impermeable a casi todos los iones,se pliega en crestas Contiene los componentes de la cadena de transporte de e-, desde el NADH hasta el O2. y la ATP sintasa Durante la transferencia de e- desde el NADH, o el FADH 2, hasta el O 2 se genera un bombeo de H+ hacia el espacio intermembranoso, originando una fuerza protomotriz (H + -motriz) que activa a la ATP-sintasa. La fosforilación oxidativa consiste en la fosforilación del ADP hasta ATP por la ATP-sintasa, activada por los H+ (fuerza proton-motriz). constituye la fuente más importante de ATP en los organismos aerobios

17 La oxidación n del NADH se produce en la cadena respiratoria mitocondrial Formada por complejos proteicos y otros transportadores 1.- Transporte de electrones desde el NADH Complejo I: NADH CoQ oxidorreductasa Complejo III: Ubiquinol citocromo c oxidorreductasa Complejo IV: Citocromo c oxidasa 2.- Transporte de electrones desde el FADH 2 Compuestos redox Complejo II: Succinato CoQ reductasa Otras proteínas similares: - glicerol-p-deshidrogenasa - acil-coa-deshidrogenasa

18 Otros componentes de la cadena respiratoria Transportadores de electrones Coenzimas: NAD + NADP + FMN FAD Coenzimas SOLUBLES de enzimas deshidrogenasas UNIDAS covalentemente a flavoproteínas (grupo prostético) Quinonas: Transportadores en medio lipídico (membranas) Ubiquinona = Co Q = Q Citocromos: Proteínas con grupo prostético hemo Centros ferro-sulfurados Proteínas con Fe asociado a átomos de S algunos transportadores de e- están asociados a proteínas y forman lo que llamamos Complejos: I, II, III y IV

19 Coenzimas transportadoras de e- e : DINUCLEOTIDOS DE ADENINA y NICOTINAMIDA NADH (coenzima soluble) o NAD + (oxidado) Adenina NADH (reducido) NAD + + 2H + + 2e - NADH + H + AH 2 + NAD + A + NADH + H + Coenzima de oxidorreductasas o deshidrogenasas Responsable entrada e - por el complejo I

20 MONONUCLEOTIDOS DE FLAVINA y DINUCLEOTIDOS DE FLAVINA y ADENINA FMN FAD FMN y FAD (coenzimas NO solubles, ligadas a proteínas) Anillo de isoaloxazina FAD FMN FADH. (FMNH. ) (semiquinona) FADH 2 (FMNH 2 ) (totalmente reducido) FAD + 2H + + 2e - FADH 2 FMN + 2H + + 2e - FMNH 2 FMN presente en complejo I FADH2 entrada de e- por el complejo II

21 COENZIMA transportadora de e- e : Ubiquinona,, Coenzima Q, CoQ Unidades de ISOPRENO Ubiquinoa (Q) Totalmente oxidada Lípido isoprenoide Radical Semiquinona Parcialmente oxidado QH o Difunde libremente por la membrana No está ligado a ninguna proteína Ubiquinol Totalmente reducido QH 2 Puede transferir 1 e - o 2 e - Método: Extraible con isooctano

22 Proteínas con transportadores de e- e : Citocromos (HEMO) Proteínas con un grupo hemo Transfieren 1 e - mediante la oxidorreducción del Fe (2+, 3+) Clasificación según su espectro de absorción: a, b, c Citocromos a y b están en LOS complejos III y IV Citocromo c es una proteína soluble, se asocia con la membrana interna

23 Proteínas con centros ferro-sulfurados Proteínas con Fe en forma NO HEMO sino asociado a átomos de S de los residuos de cisteína en las proteínas Transfieren 1 e- mediante la oxidorreducción del Fe Fe-S 2Fe-2S 4Fe 4S

24 NADH CoQ reductasa Transfieren 2 e- desde diversos sustratos (succinato, glicerol-3-p, Acil-CoA) que son oxidados por estas enzimas, y los e- van a través de FAD y por grupos ferrosulfurados hasta la CoQ Transfiere 2 e- desde el NADH hasta la CO Q, pasando por FMN y por grupos ferosulfurados (Fe-S) en el complejo proteico Enzimas tipo complejo II succinato CoQ reductasa Glicerol-3-P deshasa Acil-CoA deshasa

25 CoQ cit c reductasa Cit c oxidasa Transfiere 2 e- desde la CO Q hasta el cit c, pasando por los cit b y c1 y por grupos ferosulfurados Los e- se transfieren aquí de 1 en 1 Transfiere e- desde el citocromo c (4 viajes) hasta el O2, pasando por dos grupos de Cu y por los citocromos a y a 3. A) 2NADH 4e- O2 2H2O Bombean 20 H+ 5 ATP B) 2FADH2 4 e- O2 2H2O Bombean 12 H+ 3 ATP

26 Potenciales de reducción n de los pares red-ox transportadores de e-e en la cadena respiratoria REACCIÓN E 0 NAD + / NADH + H + Flavoproteina-FMN (ox) / Flavoproteina-FMNH2 (red) Piruvato / Lactato Acetaldehido / Etanol Oxalacetato / L - malato [ H + ] FADH 2 Coenzima Q (ox) / Coenzima Q (red) Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) Citocromo a3 (ox) / citocromo a3 (red) ½ O 2 / H 2 O [ H + ] [ H + ]

27 Determinación n de la secuencia con Inhibidores del transporte electrónico NADH FMN FADH 2 Impiden el paso de e- a través de los transportadores de la cadena respiratoria, interrumpiendo en consecuencia la forforilación oxidativa. CoQ cit b cit c 1 cit c cit a cit a 3 O 2 Transportadores reducidos y transportadores oxidados Rotenona barbitúricos Amital Azida

28 Teoría quimiosmótica de Mitchel: Los Complejo I, III, y IV generan un gradiente de H+ (fuerza protón-motriz) que que activa la ATP sintasa La FUERZA PROTÓN- MOTRIZ, en el espacio intermembranoso, tiene dos componentes El gradiente de carga potencial eléctrico = Ψ El gradiente de [ H+ ] potencial químico = f(ph) BALANCE: A) 2NADH 4e- O2 Bombean 20 H+ 5 ATP B) 2FADH2 4 e- O2 Bombean 12 H+ 3 ATP

29 Agentes desacoplantes p-dnf p-dinitrofenol DISIPAN LA FUERZA PROTÓN-MOTRIZ y desacoplan la fosforilación n oxidativa del TEM, por tanto bajan el rendimiento de la síntesis s de ATP Los agentes desacoplantes son sustancias que introducen H+ desde el espacio intermembranoso hacia el interior mitocondrial. El p-dnf entra en las células en estado molecular y en el interior se disocia. En el espacio intermembranoso (ph inferior) se protona y entra a la mitocondria, en el interior hay un ph superior y se disocia. La gramicidina A es un ionóforo

30 ATP sintasa: la subunidad F 0 la ancla a la membrana y la F 1 en la matriz mitocondrial El anillo c gira con el paso de H+ El giro de γε γε provoca cambios conformacionales en las subunidades αβ F 1 = α 3 β 3 γ δ ε F 0 = a b 2 c 12 Las 3 unidades β de la ATP sintasa no son equivalentes, la rotación de γ ε las cambia la conformación. Según va girando el complejo por el paso de H+ las unidades β cambian de conformación: L: une ADP y Pi; T: sintetiza ATP; O: libera ATP

31 Transportadores de iones a través s de la membrana interna mitocondrial El ATP sintetizado en el interior mitocondrial debe de exportarse al citoplasma para cumplir allí con las necesidades propias -Esto se hace con un sistema antiporte: 1 ATP sale y 1ADP entra a refosforilarse - Hay otro sistema simporte que importa Pi y H+ Espacio intermembranoso Traslocasa de nucleotidos de adenina (antiporte) ATP sintasa DENTRO de la Matriz Traslocasa de fosfato (simporte)

32 La síntesis de materia orgánica en la biosfera (glúcidos: Gal-3-P; F-6-P) se efectúa en base a la energía hν en los organismos fotosintéticos. FOTOSÍNTESIS: se produce en los cloroplastos que poseen un sistema de membranas altamente organizado, los tilacoides, dentro del estroma. En la FOTOSÍNTESIS se pueden diferenciar dos tipos de procesos: 1- FOTOFOSFORILACIÓN: conversión de la energía lumínica en energía química: ATP Y NADPH. 2- SÍntesis de glúcidos. Ciclo de Calvin. 1.- En las membranas tilacoides de los cloroplastos hay pigmentos que absorben la luz y toman e- del H 2 O, los activan y los transportan hasta generar NADPH. Además, el paso de e- por algunos complejos transportadores procura un gradiente de H + entre el interior tilacoidal y el estroma. La fuerza protón-motriz activa a la ATP-asa y se obtiene ATP.

33 LOCALIZACIÓN DE LA FOTOFOSFORILACIÓN La fotofosforilación se produce en los fotosistemas y los complejos proteicos situados en las membranas tilacoides. Las reacciones del ciclo de Calvin o fase oscura se producen en el estroma. ESTRUCTURA y MICROGRAFÍA DE UN CLOROPLASTO Localización de los componentes que realizan la fotofosforilación. Se distribuyen en las regiones apiladas de las membranas tilacoides

34 1) FOTOFOSFORILACIÓN = Generación de energía química: ATP y de NADPH En los cloroplastos existen 2 fotosistemas (I y II) compuestos por pigmentos: clorofilas y otros. Iluminados los dos funcionan de forma concertada, así que: ESQUEMA EN Z.- - los fotosistemas absorben los fotones y se activan - en los sistemas activados, la energía se utiliza para extraer los e- del H 2 O - los e- se transportan hasta generar NADPH - con el transporte de e- se impulsan los H + a través de la membrana tilacoide. - el gradiente de H + generado activa a la ATPasa para producir ATP.

35 Los pigmentos fotosintéticos (clorofilas, carotenoides, etc.) absorben fotones debido al sistema de dobles enlaces conjugados Esquema de los fotosistemas en los fotosistemas ESPECTROS DE ABSORCIÓN de las CLOROFILAS a y b

36 Los e- fluyen desde el FS II al FS I y atraviesan el complejo citocromo bf, que es una bomba de H+. TRANSPORTADORES: Ph: feofitina; Qa y Qb: plastoquininas y PC: plastocianina En el FS I, la absorción de luz induce la transferencia de e- desde el H2O a través del P700 a la ferredoxina-reductasa por una C.T.E. TRANS.: clorofila, una quinona y complejos 4Fe-4S.

37 Los dos fotosistemas tienen que funcionar, absorbiendo fotones, para que se produzca un flujo ininterrumpido de e- desde el H 2 O hasta el NADP +. SE GENERA NADPH Y ATP en el estroma Estroma

38 FOTOFOSFORILACIÓN cíclica y no cíclica (generación de ATP) Fotofosforilación cíclica: Absorbe fotones sólo el FS I y la Ferredoxina reducida puede pasar los e- a la cadena PQ, cyt bf, PC y de nuevo caer los e- al propio FS I, cerrando el ciclo. Al pasar los e- por el complejo cyt bf se produce el bomneo de H+, que permite activas a la ATP-asa Se genera ATP Fotofosforilación no cíclica, cuando los dos fotosistemas absorben luz simultáneamente Se genera ATP y NADPH