ENERGIA ATP. - alumnosmedicinaunahvs

BIOENERGETICA
ENERGIA
Objetivos:

Analizar los procesos de producción y
almacenamiento de energía

Reconocer los mecanismos por los cuales
la energía se almacena en forma de ATP
Resultado de Aprendizaje
Explicar la producción y
almacenamiento de energía
metabolica
ENERGIA: Capacidad para
realizar trabajo
•
•
Constituyente básico del universo.
Relación entre la materia y su energía
equivalente.
E=
2
mc
E = Energía total: Julios (kg m2/s2)
m =Masa : kg
c =Velocidad de la luz (3.0 x 10 elevado a la 8 m/s)
ENERGIA:
BIOENERGETICA
Rama de la termodinámica, que
se encarga del estudio
cuantitativo de las
transducciones o
transformaciones energéticas
que ocurren en los seres vivos
ENERGIA
TERMODINAMICA
Los sistemas biológicos cumplen con las leyes generales de la
termodinámica:
•
Primera ley:
La energia total de un sistema incluido su entorno
permanece constante (no se pierde ni se gana energia)
•
Segunda ley:
La entropía total de un sistema completo debe aumentar,
cuando un proceso físico y químico ocurre
espontáneamente aumenta la entropía
•
Tercera ley:
Al acercarse la temperatura de un cristal sólido perfecto
al cero absoluto (0 k) el desorden se aproxima a cero
ENERGIA
Primera ley de la termodinámica.
•
La energía no puede crearse ni destruirse.
•
Energía interna: la cantidad total de energía de un sistema y su
(entalpía) con el entorno debe ser la misma antes y después de
producirse un proceso.
•
Para cualquier proceso real o factible cambio de energía libre es
negativo.
•
El sistema tiene mas energía libre en el estado inicial que en el
estado final.
Delta G = G final – G inicial.
ENERGIA
Segunda ley de la termodinámica
•
Cambios espontáneos :
cuando se producen cambios físicos o químicos con
liberación de energía
•
Cambios no espontáneos:
cuando se requiere un aporte constante de energía para
mantener un cambio
•
Todos los procesos espontáneos se producen en dirección
que incrementa el desorden total del universo (un sistema
y su entorno)
•
La variación de entropía del universo es positiva para todos
los procesos espontáneos
ENERGIA
Para conservar los procesos vitales todos los
organismos deben obtener suministros de
energía libre a partir de su ambiente
A.
Organismos autótrofos:
procesos exergónicos simples ( energía de la
luz solar; vegetales verdes),( reacción Fe2+ ---Fe3+ + e- ,en bacterias)
B.
Organismos heterótrofos:
energía libre al acoplar su metabolismo con la
degradación de moléculas orgánicas complejas
de su entorno (trifosfato de adenosina ; ATP )
ENERGIA LIBRE
Tercera ley de la termodinámica:
ENERGIA GIBBS: (∆G)
Expresa la cantidad de energía capaz de
realizar trabajo durante una reacción a
temperatura y presión constante
Cuando la reacción ocurre de manera que se
libera energía libre, El sistema posee
menor cantidad de energia.
ENERGIA LIBRE
En las vías metabólicas existen dos tipos de
reacciones:
•
EXERGONICA: EL cambio de energía libre
∆G es negativo lo que significa que en el
sistema se pierde energía.
•
ENDERGONICA: EL cambio de energía
libre ∆G es positivo lo que significa que
en el sistema se gana energía.
ENERGIA LIBRE
Proceso ISORGONICO:
Cuando el cambio de energía libre ∆G es
igual a cero:
No se intercambia energía y prevalecen
en condiciones de equilibrio y proceso
ATP: Es un acoplamiento de las
reacciones endergonicas y exergonicas.
ENERGIA
REACCIONES ACOPLADAS

Los procesos endergonicos
proceden mediante el
acoplamiento con procesos
exergonicos

En la practica un proceso
endergonico no puede
existir independientemente
si no que debe constituir
un componente de un
sistema exergonicoendergonico

El cambio total es
exergonico
ENERGIA
REACCIONES ACOPLADAS
Formación de un intermediario:
mecanismo intrínseco para el control biológico
de la velocidad de los procesos
Control de resp. celular:
proceso que evita quemar las moléculas de
combustible fuera de control
Síntesis de un compuesto de alta energía:
para potenciar la reacción exergonica e
incorporar el nuevo compuesto en la reacción
endergonica (transferencia de energía libre)
METABOLISMO
El metabolismo puede subdividirse en dos
categorías:
El ANABOLISMO:
El metabolismo anabólico incluye los
procesos que se encargan de sintetizar
moléculas complejas, como lípidos,
polisacáridos y ácidos nucleicos, a partir
de moléculas simples.
METABOLISMO
Para lograrlo consume energía; dicha
energía proviene generalmente de
compuestos fosforilados:
ATP
• moléculas con poder reductor: NADH y el
FADH
•
METABOLISMO
EL CATABOLISMO:
Es la parte del metabolismo que incluye
los procesos relacionados con la
degradación de sustancias complejas a
sustancias más simples.
En estos procesos se genera energía.
ENERGIA
METABOLISMO
Catabolismo
• reacciones exergonicas
• Degradación u oxidación de las moléculas del
combustible
• Se genera energía
Anabolismo ;
 Reacciones de síntesis de moléculas complejas
 Reacciones endorgonicas, consume energía
Metabolismo;
o La suma de el anabolismo mas el catabolismo
ATP Y SU SINTESIS EN LA
CADENA RESPIRATORIA
¿ QUE ES EL ADENOSÍN
TRIFOSFATO (ATP)?
Las células heterótrofas obtienen la energía libre
a partir de las moléculas de nutrientes.
Esa
energía
es
convertida
por
medio
de
diferentes procesos en ATP, a partir de ADP
(adenosín difosfato) y Pi (fosfato inorgánico).
¿ QUE ES EL ADENOSÍN
TRIFOSFATO (ATP)?
El ATP es capaz de donar parte de su energía a las
reacciones endergónicas del metabolismo , para
la
síntesis
de
intermediarios
metabólicos
y
macromoléculas.
El ATP es utilizado en muchos procesos celulares y
fisiológicos que requieren un suplemento de
energía
Ej:
1.
Conducción
eléctrica
en
el
sistema
nervioso
2.
Transporte de sustancias a través de la
membrana en contra de gradiente de
concentración
3.
Contracción muscular.
ENERGIA
TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP)
ESTRUCTURA

Nucleótido formado por :
a)
Adenina
Ribosa
Unidad trifosfato
b)
c)

Los dos grupos fosfóriles
terminales están unidos por
enlaces fosfoanhidrido
estables en condiciones
intracelulares suaves

Enzimas especificas para la
hidrólisis del ATP de los
enlaces fosfoanhidrido
ENERGIA
ATP

Es un intermediario en
el flujo de energía
desde las moléculas
de alimento a las
reacciones de
biosíntesis del
metabolismo

Moneda de
intercambio
energético de los
seres vivos
ENERGIA
HIDRÓLISIS DEL ATP
Los productos de la hidrólisis del ATP
mas frecuentes son:
ADP
PI
En alguna ocasiones puede producirse
una hidrólisis que origina:
AMP
PPI(Pirofosfato)
La hidrolisis de ATP conduce ala
liberacion de -30,5 KJ/mol
COMPUESTOS RICOS EN ENERGIA
A pesar de que el ATP es “la moneda “ Rico- energetica de
la celula existen otras moleculas con una mayor energia
libre de hidrolisis como:
El fosfoenolpiruvato (PEP)
∆G = -61,9 KJ/mol
El 1,3 disfofoglicerato (1,3-DPG)
∆G = - 49,3 KJ/mol
La fosfocreatina (PC)
∆G = -43,0 kj/mol
Este ultimo es muy importante para el suplemento de
energía en el músculo esquelético
Los dos primeros forman parte de una de las vías
metabolicas de los carbohidratos
SINTESIS DE ATP
A partir de un sustrato:
Se sintetiza a partir de un compuesto mas
energético como:
Fosfoenolpiruvato (PEP)
• El 1,3-difosfoglicerato.
• Esta síntesis puede producirse de forma
aerobia o anaerobia.
•
COMPUESTOS RICOS EN
ENERGIA
ENERGIA
FOSFATOS DE ENERGIA
MONEDA ENERGETICA DE LA CELULA

El ATP tiene la capacidad de
actuar como donador de
fosfatos de alta energía

El ADP puede aceptar fosfato
de alta energía para formar
ATP

Los procesos generadores de
fosfato de alta energía se
conectan con los procesos
utilizadores de fosfato de alta
energía (ciclo ATP/ADP)

El ATP se consume y regenera
continuamente
La hidrólisis del ATP conduce a la liberación de 30,5
KJ/mol.
A pesar de que el ATP es “la moneda” ricoenergética de la célula, no es la molécula que
posee la mayor energía libre de hidrólisis en la
célula.
Existen otras moléculas con la mayor energía libre
de hidrólisis:



fosfoenolpiruvato (PEP), △G= -61,9 KJ/mol
1,3-difosfoglicerato(1,3-DPG),△G= -49,3 KJ/mol
y la fosfocreatina, △G= -43,0 KJ/mol.
El ATP se encuentra en
una posición energética
intermedia lo convierte en
una molécula central, que
puede ser sintetizada a partir
de moléculas más energéticas
que él, como el PEP, y puede
donar energía para que sucedan
que sucedan reacciones que
involucren una gran cantidad
de compuestos menos
energéticos que él, como la
glucosa.
En las células, la síntesis del ATP puede ocurrir de dos
formas diferentes:

La síntesis de ATP a partir de un sustrato, que se
conoce también como fosforilación a nivel de sustrato.

La síntesis de ATP en la cadena respiratoria
En la sintesis de ATP a partir de sustratos, el ATP se
sintetiza a partir de un compuesto más energético que
él, como el PEP o el 1,3-difosfoglicerato.
Síntesis de ATP a partir de sustrato, consiste en el
traspaso energético de una molécula más energética a
otra de menor energía.
se puede producir:

presencia de oxígeno (aerobia)

ausencia de oxígeno (anaerobia).

en diferentes sitios celulares como el citoplasma (o
citosol) y la mitocondria.
La síntesis de ATP en la cadena respiratoria, se
diferencia en la anterior en:

No requiere compuestos más energéticos que
el ATP, pues depende solo de procesos de
oxidación-reducción.

Se efectúa exclusivamente en presencia de
oxígeno y en la mitocondria.

Proceso más complejo que el que se da a
partir de sustratos rico-energéticos.
¿ QUE ES LA CADENA RESPIRATORIA?
Se puede definir como una secuencia de
proteínas que se ubican en la membrana
interna de la mitocondria y que se ordena
de acuerdo con su potencial de reducción
(E) para permitir el transporte de
electrones unidireccionalmente hasta el
oxigeno.
En general, en la cadena
respiratoria existen dos grandes
tipos de familia de proteína:
 Las que transportan hidrógenos
completos (protones con sus
electrones).
 Las que transportan
exclusivamente electrones.
Los electrones que viajan a lo largo de la
cadena respiratoria provienen de dos
fuentes principales, que son dos moléculas
con un alto poder reductor, el NADH y el
FADH como agentes reductores.
Estas moléculas se pueden originar
directamente en el ciclo de krebs o en
otras vías metabólicas que las producen
como metabolitos intermedios.
A partir de una
mol de NADH
A partir de una mol
de FADH2
2
2
Cant de protones liberados al
espacio intermembrana
10
6
Moléculas de O2 consumidas
½
½
Moléculas de agua producidas
1
1
Evento
e transportados hasta el O2
MITOCONDRIA

Función: respiración celular, proceso
mediante el cual la mitocondria produce
energía en forma de ATP. Este proceso
depende del O2.

Está rodeada por dos membranas:
Externa: lisa, permeable.
Interna: forma crestas,
impermeable, necesita transportes
especializados.
ENERGIA
MITOCONDRIA

METABOLISMO
AEROBIO;
Mecanismo mediante
el cual la energía del
enlace químico de las
moléculas del
alimento se captura y
se utiliza para
impulsar la síntesis
dependiente de
oxigeno de la
adenosina trifosfato
(ATP)(RESPIRACION
CELULAR)
ENERGIA
LA CADENA DE TRANSPORTE ELECTRONICO
(CADENA RESPIRATORIA)
COMPONENTES
Membrana mitocondrial
interna.
Cuatro complejos;
A.
B.
C.
D.
El complejo I (complejo
NADH deshidrogenosa).
El complejo II (complejo
succinato
deshidrogenosa).
El complejo III (complejo
citocromo bc).
El complejo IV
(citocromo oxidasa).
COMPLEJOS PROTEICOS
Complejo
 Complejo
 Complejo
 Complejo

I
II
III
IV
Cada uno de los anteriores tiene parte de
la secuencia respiratoria. El complejo V
cataliza la síntesis de ATP a partir de ADP.
ENERGIA
CANTIDADES DE ATP Y ADP DENTRO DE LAS
MITOCONDRIAS
Controladada :
Proteínas de transporte de
membrana interna;
A.
Translocalizador ADP-ATP (
antiporte ADP/ATP),
(nucleótido translocasa o ATP
translocasa)
proteína responsable del
intercambio 1:1 de ATP
intramitocondrial por ADP
producido en el citoplasma
B.
Translocasa de fosfato:
el transporte de H2PO4junto con un protón se
producen por simporte H2PO4/H+
A partir de estos hallazgos, en 1973,
Peter Mitchell, formulo lo que se conoce
como la teoría quimiosmotica de la
fosforilacion oxidativa.
Esta teoría enuncia que la síntesis de ATP en la
cadena respiratoria se da gracias a la creación
de un gradiente electroquímico, creado por la
diferencia en la concentración de protones
entre la matriz mitocondrial y el espacio
intermembrana.
Como la membrana interna es tan impermeable,
los protones no pueden pasar simplemente a
través de ella; deben hacerlo a través de una
proteína especifica. Esta proteína es la subunidad
Fo de la ATP-sintetasa.
Los protones pasan por la subunidad Fo hacia la
matriz cuando llegan a la subunidad F1, producen
cambios conformacionales complejos en sus
subunidades proteicas, y estimulan la síntesis de
ATP t su liberación a la matriz mitocondrial.
La síntesis de ATP en la cadena
respiratoria solo se produce por
la
energía
que
genera
el
gradiente
electroquímico
de
protones
entre
la
matriz
mitocondrial
y
el
espacio
intermembrana.
La Teoría Quimiosmotica De La
Síntesis Del ATP
Para poder entender la relación entre el
funcionamiento de la cadena respiratoria y
la síntesis de ATP, es necesario tener
presente algunos aspectos importantes:
1. La creación del gradiente de
protones por la cadena
respiratoria entre la matriz
mitocondrial y el espacio
intermembrana.
2. La presencia en la membrana
interna de un complejo proteico
que va a permitir, a partir de dicho
gradiente, la sintesis de ATP.
La ATP sintetasa es un
complejo que se divide en dos
subunidades funcionales :
1. Subunidad Fo:
canal de protones.
2. Subunidad F1:
actividad catalítica
Subunidad Fo:
canal de protones.
 Constituido por mas de
10 proteínas
 Atraviesa la membrana
celular de lado a lado
 Establece
una
comunicación
directa
entre
la
matriz
mitocondrial y el espacio
intermembrana.
1.
2.Subunidad F1:
actividad catalítica
 compuesta
por
9
de
síntesis de ATP.
la
proteínas
 responsable
 esta
localizada en la
matriz mitocondrial.
Fosforilacion Oxidativa

El acople entre el transporte de electrones
y la síntesis de ATP en la cadena
respiratoria, a partir de ADP + Pi (fosfato
inorgánico), se conoce con el nombre de
“Fosforilacion Oxidativa”.

Debe haber suplemento constante de ADP
y Pi para que se logre la síntesis de ATP.
En resumen se necesitan:

ADP.
 Pi.
e
 Gradiente de
protones
Transportadores relacionados con la
Fosforilacion Oxidativa
La ATP Sintasa:
Permite entrada de protones y
ATP.
síntesis de
El
Antiporte
ADP/ATP
o
Nucleótido
Translocasa:
Transporta 2 sustancias al mismo tiempo en
direcciones opuestas
.
El Simporte H+/Piruvato:
Transporta dos sustancias en la misma

La translocasa y el simporte
proveen la materia prima ADP Pi
respectivamente
 la
ATP sintasa los conjuga para
sintetizar el ATP en la mitocondria.
 La
translocasa permite la salida de
ATP de la mitocondria para que esta
molécula pueda ser utilizada en otras
partes de la célula.
El Control De la Síntesis De
ATP
En este proceso participan
metabólicas que generan
necesarios para síntesis de
el poder reductor en forma
FADH2.
todas las vías
los elementos
el ADP, el Pi y
de NADH o de
De esta manera se determina la velocidad
de síntesis.
La relación entre ADP/ATP es importante para
determinar la velocidad con que ocurre la
cadena respiratoria:
Relac
ADP/ATP
Relac
ADP/ATP
Veloc. Cadena
Respiratoria
Veloc. Cadena
Respiratoria
Es importante la relación ADP/ATP: si la
relación , la cadena respiratoria aumenta
su velocidad.
Matriz mitocondrial
Citoplasma
ATP
 La act. celular
La síntesis de ATP 
El gradiente de protones 
La vel de la cadena resp 
Se gasta ATP
La relación ADP/ATP
Se produce ADP
El ADP aumenta
Los Agentes que afectan la
Fosforilacion Oxidativa
Existen muchos agentes que pueden alterar
la síntesis de ATP asociada a la cadena
respiratoria.
Si se detiene la cadena Respiratoria por medio de
venenos como el cianuro o el CO, se detiene
también la SINTESIS DE ATP.
Los Agentes que afectan la
Fosforilacion Oxidativa
De acuerdo con sus mecanismos de acción
se clasifican en:
Desacoplantes
 Inhibidores del transporte de electrones
 Inhibidores de la ATP-Sintasa
 Inhibidores de la ATP-Translocasa

Los Desacoplantes
Son sustancias que evitan el acople entre el
transporte de electrones y la fosforilacion
de ADP para sintetizar ATP.
Hay desacoplantes exógenos(que no son
sintetizados por el organismo) como:

Antibióticos:
Ej: Valinomicina, que funciona como un
transportador de iones potasio (K+).
 Compuestos
quimicos:
Provocan el mismo efecto final, uno de
ellos es el 2,4dinitrofenol,se diferencia
de la valinomicina en que no transporta
iones potasio, sino protones.
 Desacoplantes
biológicos:
La termogenina o proteína
desacoplante, que se encuentra en el
tejido adiposo pardo o grasa parda.
Los Inhibidores Del
Transporte De Electrones
Algunos compuestos, como la antimicina,
impiden el paso de electrones entre el
complejo III (complejo citocromo bc).
El complejo IV (citocromo oxidasa) al
unirse a algunas de las proteínas que los
componen.
Otros como la rotenona, se unen al
complejo I (complejo NADH
deshidrogenasa) e inhiben el paso de
electrones al complejo III (complejo
citocromo bc).
Los Inhibidores Del
Transporte De Electrones
Quizás los mas conocidos son:
 El cianuro o acido cianhidrico( HCN )
 El monóxido de carbono ( CO ).
Estos compuestos inhiben el paso de
electrones al complejo IV el ultimo de la
cadena, como resultado la cadena
respiratoria se detiene también.
Los Inhibidores De La ATPSintasa (Fo/F1)
La oligomicina, otro antibiótico, inhibe la
actividad de la ATP-Sintasa y a pesar de
que los protones pasen a través de ella, la
actividad enzimática de F1 se encuentra
bloqueada y no se sintetiza la molécula
energética.
Los Inhibidores De La ATPTranslocasa
El atractosilo es un compuesto capaz de
inhibir el transportador de la ATPtranslocasa
entonces
detiene
la
exportación del ATP y la entrada de ADP.