Bioenergética PRINCIPIOS https://bioenergeticamaestria.wordpress.com/ Dra. Sobeida Sánchez Nieto Departamento de Bioquímica Facultad de Química, UNAM sobeida@unam.mx 1
Bioenergética Objetivo Entender los mecanismos por los cuales la energía puede obtenerse, ya sea por la oxidación de substratos, por absorción de la luz para llevar a cabo la síntesis de ATP, o para la acumulación de iones a través de la membrana. 2
Bioenergética Es la rama de la bioquímica que se dedica al estudio de las reacciones que involucran cambios de energía. 1950 s Cómo ocurría la síntesis de ATP ya sea por la oxidación de los sustratos o por las reacciones dependientes de la luz? Teoría QUIMIOSMÓTICA (1965-1980), surge la membrana como un componente esencial en los procesos de transducción o conversión de energía. 3
Las transformaciones energéticas en los organismos vivos siguen las leyes de la termodinámica 4
Leyes de la termodinámica 1ª Ley de la Termodinámica, conocida como "Ley de conservación de la energía" y que establece que hay cierta magnitud llamada "energía", la cual no varía con los múltiples cambios que ocurren en la naturaleza. 5
2ª Ley de la Termodinámica Establece que existe otra magnitud llamada "entropía", que permanece constante en algunas transformaciones y que aumenta en otras, sin disminuir jamás. Aquellas transformaciones en las cuales la entropía aumenta, se denominan "procesos irreversibles". 6
Entropía es la medida del desorden El proceso de descongelado del hielo hace que un sistema estructurado pase o se convierta en uno menos estructurado en el cuál las moléculas de agua líquida no tienen una posición fija 7
El flujo de agua en la cascada es irreversible 8
Energía libre Las reacciones químicas son influenciadas por 2 fuerzas: la tendencia para lograr el enlace más estable (entalpía, H) y la tendencia para lograr el mayor desorden, expresada como entropía (S). La fuerza neta de la reacción es el G o energía libre de Gibbs 9
Energía libre de Gibbs Es la energía que se encuentra disponible en un sistema para realizar trabajo. se puede estimar el cambio en la energía libre del sistema: G= H-T S 10
Glucosa (C 6 H 12 O 6 ) 6 CO 2 + 6H 2 O ~ 30-36 ATP A + B C + D Por ejemplo, en las reacciones químicas hay una gran energía de cambio cuando los reactantes son convertidos a productos. Y cuando están en equilibrio, no hay energía libre disponible para realizar trabajo. El desplazamiento de una molécula del equilibrio define su capacidad de realizar trabajo. Una reacción puede tener lugar espontáneamente sólo si G, es negativo. 11
Gráfica de energía libre de una reacción 12
Energía libre de Gibbs y la constante de equilibrio G= Gº + RT ln [C][D] [A][B] Entonces la G depende de la naturaleza de los reactantes y también de sus concentraciones R=1987 calmol -1 K -1 13
Energía libre estándar vs energía libre La energía libre estándar ( Gº) se presenta en reacciones a temperatura estándar T=25 C (298 K), ph=7.0 y 1M de sustratos y productos. Datos que para muchas reacciones se encuentran en tablas. G= Gº + RT lnk En el equilibrio K=Keq y G=0 Gº=-RTlnKeq 14
Efecto de la concentración de reactantes (Ay B) y los productos (C y D) sobre la espontaneidad de una reacción química Cociente de productos/ reactantes C][D] /[A][B] G= G + RTln [C][D]/[A][B] Características de la reacción 1/100 Negativo Espontánea 1 Cero En equilibrio 100/1 Positivo No espontánea 15
ATP Moléculas de combustible O 2 Respiración Biosíntesis Trabajo mecánico Transporte CO 2 + H 2 O ADP + Pi 16
Las dos fases del metabolismo: Catabolismo oxidación de sustratos a moléculas simples para la producción de energía Anabolismo el uso de precursores simples y energía para la biosíntesis de macromoléculas 17
Compuestos de alta energía La alta energía de un compuesto no es sinónimo de estabilidad del enlace químico de este, ni se refiere a la energía requerida para romper los enlaces. Los compuestos de alta energía son aquellos que al romperse hidrolíticamente tienen un producto más estable que el compuesto original 18
Trifosfato de adenosina (ATP) Carga neta -4 ATP es la principal fuente de energía de los seres vivos. El ATP alimenta casi todas las actividades celulares, entre ellas el movimiento muscular, la síntesis de proteínas, la división celular y la transmisión de señales nerviosas. 19
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El ATP es un compuesto de alta energía 1. La repulsión electrostática entre las cargas negativas de los grupos fosfato del ATP favorecen su hidrólisis. e inestable 21
2. Los productos de su hidrólisis, el ADP y el Pi se solvatan más que el ATP, por lo que se estabilizan más. 3. Los productos tienen más formas de resonancia que el ATP. 22
PEP presenta el más alto valor de energético en la célula ATP un valor intermedio 23
Reacciones de transferencia de fosforilo 24
Cómo se produce el ATP? Hay tres métodos básicos: 1. La fosforilación a nivel de sustrato 2. La fosforilación oxidativa 3. La fotofosforilación 25
Fosforilación a nivel de sustrato LA GLUCOLISIS Y EL CICLO DE KREBS 26
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glucólisis 28
Glucólisis 1. Proceso de oxidación o catabólico de la glucosa (6C) para su conversión a piruvato (3C) 2. Diez enzimas participan en la vía 3. Se divide en dos etapas 4. En la primera etapa se invierte energía y no hay pérdida de carbonos 5. En la segunda se produce energía en forma de ATP y poder reductor en forma de NADH 6. Se realiza un proceso oxidativo sin pérdida del número de carbonos 29
Energética de la glucólisis Reacción G Enzima 0' G (kcal/mol) (kcal/mol) 1 Hexoquinasa o Glucoquinasa - 4.0-8.0 2 Fosfoglucoisomerasa + 0.4-0.6 3 Fosfofructoquinasa-1-3.3-5.3 4 Fructosa-1,6-bis-fosfato aldolasa + 5.7-0.3 5 Triosa-fosfato isomerasa + 1.8 + 0.6 6 Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa + 1.5-0.4 7 Fosfoglicerato quinasa - 4.5 + 0.3 8 Fosfoglicerato mutasa + 1.06 + 0.2 9 Enolasa + 0.4-0.8 10 Piruvato quinasa - 7.5-4.03 30
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El ATP puede ceder su grupo fosforilo. Primera reacción en la glucólisis Espontáneo No espontáneo Espontáneo 32
Primera etapa de la glucólisis Se comienza con 6C Se invierte energía 2 ATPs Concluye con 2 moléculas de 3C 33
Reacción irreversible la fosforilación de la fructosa 6 fosfato por la fosfofructo cinasa 1 34
Primera etapa de la glucólisis Se comienza con 6C Se invierte energía 2 ATPs Concluye con 2 moléculas de 3C 35
Los productos de la hidrólisis de la fructosa 1,6 fosfato por la aldolasa En la primera etapa se produce gliceraldehído- 3 fosfato y dihidroxiacetona fosfato Triosa fosfato isomerasa La isomerasa, la triosa fosfato isomerasa es una enzima muy eficiente, al removerse el gliceraldehído-3 fosfato para continuar en la vía glicolítica la dihidroxiacetona fosfato es convertida a gliceraldehído 3-fosfato Por lo que al final se tiene que de la primera parte de la glucólisis se producen 2 moléculas de gliceraldehídro 3P 36
Resumen de la primera parte de la glucólisis Gliceraldehído-3- fosfato (G3P) 37
Gliceraldehído-3 fosfato dehidrogenasa SEGUNDA FASE 1. Formación del primer intermediario de alta energía 1,3 BIFOSFOGLICERATO 2. Primera oxidación: SE OXIDA EL GLICERALDEHÍDO 3- FOSFATO 3. Se produce NADH PODER REDUCTOR!!! 38
SEGUNDA FASE PRIMERA Fosforilación a nivel de sustrato en la segunda parte de la glucólisis 39
Segunda fase 1. Oxidación de las moléculas de carbono 2. Producción de 2 intermediarios de alta energía (1,3 bifosfoglicerato y fosfoenolpiruvato) 3. Producción de 2 moléculas de ATP por cada gliceraldehído -3 fosfato Gliceraldehído-3 fosfato deshidrogenasa Fosfoglicerato mutasa 40
Formación de ATP Glucólisis 1. Fosforilación a nivel de sustrato. 41
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Glucólisis Compuesta de 10 reacciones enzimáticas (la oxidación parcial de la glucosa). Sustrato: Glucosa 2 reacciones usan ATP 1 produce 1 NADH 2 reacciones producen ATP Productos: 2Piruvato, 2ATP y 2NADH -2ATP +4ATP 44 Total 2ATP
Dependiendo de las condiciones: aerobias o anaerobias será el destino del carbono y el nivel energético de la célula citoplasma mitocondria 45
La glucosa se oxida produciendo CO2 y en el camino ATP y NADH 46
Piruvato deshidrogenasa 47
Piruvato Acetil-CoA 48
Complejo de la piruvato deshidrogenasa 49
Molécula de acetil-coa Acetilo O ß-mercaptoetilamina S C CH 3 NH C O Acido pantoténico NH C O HO H H 3 C CH 3 O O P O O O P O Adenosín-3 -fosfato O N N CH 2 O H H NH 2 H N PO 3 OH El Ac-CoA es un compuesto de alta energía. G para la hidrólisis de su enlace tioéster es de 31.5kJ/mol, más exergónica que la hidrólisis del ATP ( 1 kj mol -1 ). N H
Resumen ciclo de Krebs 1. Comienza con una molécula de dos carbonos activada Acetil-CoA 2. Hay cuatro deshidrogenaciones: Se producen 3NADH y FADH2 3. Ocurre 1 fosforilación a nivel de sustrato se produce GTP 51
FOSFORILACIÓN A NIVEL DE SUSTRATO Succinil-CoA sintasa 52
El GTP se puede reconvertir reversiblemente en ATP 53
La oxidación parcial de la glucosa produce compuestos con enlaces de alta energía
Enzima membranal GTP
La estequiometría de oxidación de acetil-coa en ciclo de Krebs Acetyl-CoA + 2H 2 O + 3NAD + + Pi + GDP + FAD 2CO 2 + 3NADH + GTP + CoA-SH + FADH 2 + 2H + Una vuelta en el ciclo del ácido citrico genera: Un enlace fosfato de alta energía a través de fosforilación a nivel de sustrato. 3 NADH 1FADH 2
Regulación de la oxidación de la glucosa CITOSOL MITOCONDRIA
Fosforilación oxidativa y fotofosforilación INTRODUCCIÓN 59
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Fosforilación oxidativa o fotofosforilación. 1. En ambos se genera un gradiente de concentración de protones a través de la membrana. 2. La descarga de ese gradiente se encuentra acoplada enzimáticamente a la formación de ATP a partir de ADP y Pi (en el proceso inverso de la hidrólisis de ATP). 3. En el metabolismo oxidativo, este proceso se denomina fosforilación oxidativa, mientras que en la fotosíntesis se denomina fotofosforilación. 61
The electrochemical proton gradient and ATP synthase At the inner mitochondrial membrane, a high energy electron is passed along an electron transport chain. The energy released pumps hydrogen out of the matrix space. The gradient created by this drives hydrogen back through the membrane, through ATP synthase. As this happens, the enzymatic activity of ATP synthase synthesizes ATP from ADP. 62
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