Bioenergética FOSFORILACIÓN NIVEL SUSTRATO

Bioenergética
PRINCIPIOS
https://bioenergeticamaestria.wordpress.com/
Dra. Sobeida Sánchez Nieto
Departamento de Bioquímica
Facultad de Química, UNAM
[email protected]
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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.
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Las transformaciones energéticas en los organismos
vivos siguen las leyes de la termodinámica
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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.
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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".
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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
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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
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Glucosa (C6H12O6)
6 CO2 + 6H2O
~ 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.
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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-1K-1
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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
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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]
1/100
Negativo
Espontánea
1
Cero
En equilibrio
100/1
Positivo
Características de la
reacción
No espontánea
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ATP
Moléculas de
combustible
O2
Respiración
Biosíntesis
Trabajo
mecánico
Transporte
CO2 + H2O
ADP + Pi
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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
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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
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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.
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El ATP es un compuesto de alta energía
e inestable
1. La repulsión
electrostática
entre las cargas
negativas de
los grupos
fosfato del ATP
favorecen su
hidrólisis.
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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.
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PEP presenta el más
alto valor de energético
en la célula
ATP un valor
intermedio
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Reacciones de transferencia de fosforilo
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Cómo se produce el ATP?
Hay tres métodos básicos:
1. La fosforilación a nivel de sustrato
2. La fosforilación oxidativa
3. La fotofosforilación
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Fosforilación a
nivel de sustrato
LA GLUCOLISIS Y EL CICLO DE KREBS
26
27
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
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Energética de la glucólisis
1
Hexoquinasa o Glucoquinasa
G0'
(kcal/mol)
- 4.0
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
Reacción
Enzima
G
(kcal/mol)
- 8.0
30
31
El ATP puede ceder su grupo fosforilo.
Primera reacción en la glucólisis
Espontáneo
No espontáneo
Espontáneo
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Primera etapa de la glucólisis
Se
comienza
con 6C
Se invierte energía
2 ATPs
Concluye con
2 moléculas de 3C
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Reacción irreversible la
fosforilación de la fructosa 6
fosfato por la fosfofructo cinasa 1
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Primera etapa de la glucólisis
Se
comienza
con 6C
Se invierte energía
2 ATPs
Concluye con
2 moléculas de 3C
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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
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Resumen de la primera parte
de la glucólisis
Gliceraldehído-3- fosfato (G3P)
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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!!!
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SEGUNDA FASE
PRIMERA Fosforilación a nivel de sustrato
en la segunda parte de la glucólisis
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Segunda fase
1. Oxidación de las
Gliceraldehído-3 fosfato
deshidrogenasa
moléculas de
carbono
2. Producción de 2
intermediarios de
alta energía (1,3
bifosfoglicerato y
fosfoenolpiruvato)
Fosfoglicerato mutasa
3. Producción de 2
moléculas de ATP
por cada
gliceraldehído -3
fosfato
40
Formación de ATP
Glucólisis
1. Fosforilación a nivel de sustrato.
41
42
43
Glucólisis
-2ATP
Compuesta de 10 reacciones
enzimáticas (la oxidación parcial de
la glucosa).
Sustrato: Glucosa
2 reacciones usan ATP
1 produce 1 NADH
+4ATP
2 reacciones producen ATP
Productos: 2Piruvato, 2ATP y 2NADH
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
S
C CH3
ß-mercaptoetilamina
NH
C O
Adenosín-3´-fosfato
NH
Acido pantoténico
NH2
C O
HO
H
N
N
H3C
CH3
O
O
N
N
O
P O P O CH2 O
O
O
H H
H
H
PO3 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).
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
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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 + 2H2O + 3NAD+ + Pi + GDP + FAD  2CO2 +
3NADH + GTP + CoA-SH + FADH2 + 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
1FADH2
Regulación de la
oxidación de la
glucosa
CITOSOL
MITOCONDRIA
Fosforilación
oxidativa y
fotofosforilación
INTRODUCCIÓN
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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.
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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.
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