Bioenergética

Bioenergética
Unidad XI
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
La descripción de la transición de un estado a otro en función de la
termodinámica puede darse en función de:
sistema
energía interna
(U)
energía total
entalpía
(H)
entropía
(S)
contenido
calórico
grado de
desorden
energía libre (G)
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
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
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
estado final
Gi
Gf
G= Gf- Gi
• 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.
Cambios de energía libre estándar: G0
aA + bB
cC + dD
ΔG  ΔG 0
(T y P constantes)
C D
 RT ln
A B
c
d
a
b
R: 2 cal/K mol
8.314 J/K mol
G0 : 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
C D
 RT ln
A B
c
d
a
b
ΔG 0  RT ln (Keq)  2.3RT log (Keq)
Muchas reacciones (especialmente las que ocurren en la naturaleza)
implican la presencia de H+ para lo cual se define G0’ a pH=7
A+B
C+D
Keq >>> 1
G < 0
estabilidad R < estabilidad P
conversión que produce E
A+B
C+D
Keq <<< 1
G > 0
estabilidad R > estabilidad P
conversión que requiere E
Para las reacciones de oxido-reducción
G0 = -nFE0 ó G0’ = -nFE0’
donde:
n: numero de moles de electrones transferidos
F: constante de Faraday (aprox 23000 cal/V)
E0= potencial de oxido-reducción estándar neto (V)
E0’= potencial de oxido-reduccion estandar neto a pH = 7 (V)
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
Las células para estar vivas y crecer dependen de la
absorción de los alimentos para obtener energía útil…
Reacciones degradativas
Alimentos
Reacciones sintéticas
Intermediarios
metabólicos
Carbohidratos
Lípidos
Proteínas
Ac. Nucleicos
Energía
+ Productos
de desecho
Energía
Transporte activo
de membrana y
otros proceso que
requieran energía
¿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
Reacciones degradativas
Alimentos
Reacciones sintéticas
Intermediarios
metabólicos
Carbohidratos
Lípidos
Proteínas
Ac. Nucleicos
Energía
+ Productos
de desecho
ADP
Energía
ATP
Pi
Transporte activo
de membrana y
otros proceso que
requieran energia
ADP (AMP)
Pi (Ppi)
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: MgATP2-, MgADP2- (en muchas reacciones
esta es la forma activa)
¿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 (Keq)  7.3 kcal
Valor a pH = 7 y T: 37ºC, exceso de iones Mg2+
ADP + HOH  AMP + Pi
ΔG 0  2.3RT log (Keq)  7.3 kcal
Ambas reacciones son exergónicas
¿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
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
E1
X-P + ADP  X + ATP
E2
ATP + Y  ADP + Y-P
La escala del grupo fosfato: potenciales de transferenc
Energía de hidrólisis
mayor que el ATP!!
Compuestos ricos
en energía
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
G0’ = -11.8 kcal (1,3-difosfoglicerato a 3-fosfoglicerato)
G0’ = -7.3 kcal (ATP a ADP)
El grupo fosfato tenderá a
moverse desde el fosfoglicerato al
ADP
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
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
G0’ = -2.2 kcal (hidrólisis del glicero-3-fosfato)
G0’ = -7.3 kcal (ATP a ADP)
hexoquinasa
ATP + D-glucosa
 ADP + D-glucoso-6-fosfato
La
reacciones
proceden
hacia la
derecha
G0’ = -3.3 kcal (hidrólisis del glicero-3-fosfato)
G0’ = -7.3 kcal (ATP a ADP)
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
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 PPi 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
G0’ 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
PPi + H2O  2Pi
G0’= -7.2 kcal
Esta hidrólisis secundaria es una etapa valiosa para asegurar que
ciertas reacciones biosinteticas se realicen completamente
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
Metabolismo intermediario: suma total de todas
las reacciones que tienen lugar en las células
Obtener
energía
química del
entorno
Funciones especificas
del metabolismo
Formar y degradar biomoleculas
necesarias para las funciones
celulares.
Convertir los
elementos nutritivos
exógenos en las
unidades estructurales
o precursoras de los
componentes de las
celulas
Reunir los
precursores para
formar proteínas,
ácidos nucleicos,
lipidos, polisacaridos,
El metabolismo tiene lugar a través de secuencias de reacciones
consecutivas catalizadas enzimáticamente
utilizando muchos
intermediarios químicos
METABOLISMO
Anabolismo
Catabolismo
Procesos de biosíntesis
Procesos degradativos
Funcionan simultáneamente
(equilibrio dinámico)
Metabolismo
Nutrientes
conteniendo
energía
Anabolismo
• Carbohidratos
• Lípidos
• Proteínas
METABOLISMO
Productos
finales
sencillos
Catabolismo
Catabolismo • CO2
• H2O
• NH3
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+-FADH2: favin-adenin-dinucleótido oxidado y reducido respectivamente
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!!
Ciclo energético de las células
Una segunda manera es en
forma de átomos de
hidrogeno o electrones
Combustible
oxidado
Combustible
reducido
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
CATABOLISMO
NADP oxidado
NADP reducido
RUTAS
BIOSINTETICAS
REDUCTORAS
Producto
biosintético
reducido
Precursor
oxidado
Fases del catabolism
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 CO2 sino
también proporciona los
precursores
de
PM
pequeño
para
el
anabolismo
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
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
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
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
METABOLISMO
DE LOS
HIDRATOS DE
CARBONO
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)
La glicólisis sirve es la principal ruta
catabólica que produce energía para
los sustratos obteniéndose etanol,
ácido láctico y glicerol como
productos finales
FERMENTACION
Aerobios
(presencia de oxigeno)
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 CO2
Ecuación general de la glicólisis
C6H12O6
Libre o proveniente del glicógeno
glicólisis
ATP (pequeña cantidad)
Condiciones anaerobias
fermentación
2 CH3CH2OH
etanol
O
2 CH3 C COOpiruvato
CO2
Condiciones aerobias
Ciclo de
ácido cítrico
OH
CH3 C COOH
lactato
(acido láctico)
6 CO2 + NADH (algo de FADH2)
ADP, Pi
O2
H2O
Fosforilación oxidativa
ATP
En mayor proporción que el
obtenido por la glicólisis
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
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
Glucosa
Glucosa-6-fosfato
Fase preparatoria o
de reunión
(Fosforilación de glucosa
y conversión a
gliceraldehido 3-fosfato)
Hexoquinasa
Fosfogluco
isomerasa
Fructosa-6-fosfato
Fosfofructo
quinasa
Fructosa-1,6-difosfato
Aldolasa
Triosofosfato
isomerasa
Gliceraldehido-3-fosfato
+
Dihidroxiacetona fosfato
Gliceraldehido-3-fosfato
+
Dihidroxiacetona fosfato
Gliceraldehido-3-fosfato (2)
Oxidación
y fosforilación
1,3-difosfoglicerato (2)
1ra 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)
fosfogliceromutasa
2-fosfoglicerato (2)
enolasa
Fosfoenolpiruvato (2)
2da formación
de ATP
piruvato (2)
piruvatoquinasa
Producción neta de ATP de la glicólisis
GANANCIA NETA: 2 ATP
“Fosforilacion a nivel de sustrato”
DESTINO DEL PIRUVATO
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 + HPO42-  (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
RUTAS
AFLUENTES DE LA
GLUCOLITICA
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