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BioenergéticaPRINCIPIOS
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https://bioenergeticamaestria.wordpress.com/
Dra. Sobeida Sánchez Nieto
Departamento de Bioquímica
Facultad de Química, UNAM
sobeida@unam.mx
BioenergéticaObjetivo
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.
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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 TermodinámicaEstablece 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
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El flujo de agua en la cascada es irreversible
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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-TS
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A + B C + D
Por ejemplo, en las reacciones químicas hay una gran energíade cambio cuando los reactantes son convertidos aproductos.
Y cuando están en equilibrio, no hay energía libre disponiblepara realizar trabajo.
El desplazamiento de una molécula del equilibrio define sucapacidad de realizar trabajo.
Una reacción puede tener lugar espontáneamente sólo si G,es negativo.
Glucosa (C6H12O6) 6 CO2 + 6H2O
~ 30-36 ATP
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Gráfica de energía libre de una reacción
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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=25C (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]
Características de la
reacción
1/100 Negativo Espontánea
1 Cero En equilibrio
100/1 Positivo No espontánea
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Respiración
Moléculas de
combustible
O2
CO2 + H2O
ATP
ADP + Pi
BiosíntesisTrabajo
mecánico Transporte
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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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ATP es la principal fuente de energía de los seres vivos. El ATPalimenta casi todas las actividades celulares, entre ellas elmovimiento muscular, la síntesis de proteínas, la división celulary la transmisión de señales nerviosas.
Trifosfato de adenosina (ATP)
Carga neta -4
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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 sustratoLA GLUCOLISIS Y EL CICLO DE KREBS
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glucólisis
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Glucólisis1. 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
ReacciónEnzima
G0'
(kcal/mol)
G
(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
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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
Concluye con
2 moléculas de 3C
Se invierte energía
2 ATPs
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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
Concluye con
2 moléculas de 3C
Se invierte energía
2 ATPs
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Los productos de la hidrólisis de la fructosa 1,6 fosfato por la aldolasaEn la primera etapa se produce gliceraldehído- 3 fosfato y dihidroxiacetonafosfato
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
Triosa fosfato isomerasa
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Resumen de la primera parte de la glucólisis
Gliceraldehído-3- fosfato (G3P)
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Gliceraldehído-3 fosfato dehidrogenasa
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!!!
SEGUNDA FASE
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PRIMERA Fosforilación a nivel de sustrato en la segunda parte de la glucólisis
SEGUNDA FASE
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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 fosfatodeshidrogenasa
Fosfoglicerato mutasa
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Formación de ATP
1. Fosforilación a nivel de sustrato.
Glucólisis
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Glucólisis
Compuesta de 10 reaccionesenzimáticas (la oxidación parcial dela glucosa).
Sustrato: Glucosa
2 reacciones usan ATP
1 produce 1 NADH
2 reacciones producen ATP
Productos: 2Piruvato, 2ATP y 2NADH
-2ATP
+4ATP
Total 2ATP44
Dependiendo de las condiciones: aerobias o anaerobias será el destino del carbono y el nivel energético de la célula
citoplasma
mitocondria
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La glucosa se oxida produciendo CO2 y en el camino ATP y NADH
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Piruvato deshidrogenasa
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Piruvato
Acetil-CoA
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Complejo de la piruvato deshidrogenasa
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Adenosín-3´-fosfato
P
O
O
O
NH
C O
HOH
CH3C
O
S
NH
C O
CH3
CH3
OP
O
O
O
CH2
H
N
NN
N
NH2
O
H H
OHPO3
H
Acetilo
ß-mercaptoetilamina
Acido pantoténico
Molécula de acetil-CoA
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 Krebs1. 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
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El GTP se puede reconvertir reversiblemente en ATP
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La oxidación parcial de la glucosa produce compuestos con enlaces de alta energía
GTP
Enzima membranal
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
MITOCONDRIA
CITOSOL
Fosforilaciónoxidativa y fotofosforilaciónINTRODUCCIÓN
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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
synthaseAt 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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