Bioenergética y reacciones bioquímicas

Bioenergética

• La bioenergética es la rama de la termodinámica que estudia las transformaciones energéticas en los seres vivos.

Cambios de energía libre en sistemas biológicos

• La ecuación para el cambio de energía libre es: ΔG = ΔH – TΔS
  • ΔG = cambio de energía libre
  • ΔH = cambio de entalpía
  • T = temperatura (en Kelvin)
  • ΔS = cambio de entropía

Reacciones bioquímicas

• En una reacción bioquímica, la reacción para predecir el sentido de la ecuación es: aA + bB ⇌ cC + dD
• La ecuación de equilibrio para calcular la variación de la energía libre (ΔG) es: ΔG = ΔG°' + RT ln Q
  • ΔG°' es la variación de energía libre estándar
  • R es la constante de los gases ideales
  • T es la temperatura (en Kelvin)
  • Q es el cociente de reacción

Significado de ΔG

• Cuando ΔG es negativo, significa que la reacción puede proceder de forma espontánea.
• Cuando ΔG es positivo, significa que la reacción no es espontánea.
• Cuando ΔG es igual a cero, significa que el sistema está en equilibrio.

Entalpía y Entropía

• Entalpía: cantidad de calor de un sistema.
• Entropía: medida del desorden de los átomos o moléculas de un sistema.

Tipos de reacciones

• Reacción exotérmica: reacción química en la que existe una liberación de calor (reacción espontánea).
• Reacción endotérmica: reacción química que requiere energía para llevarse a cabo (reacción no espontánea).

Reacciones exergónicas y endergónicas

• Reacción exergónica: ΔG < 0, la reacción es espontánea y libera energía.
• Reacción endergónica: ΔG > 0, la reacción no es espontánea y necesita energía para ocurrir.

Obtención de energía en el organismo

• Las reacciones químicas en el organismo para obtener energía son predominantemente de óxido-reducción, que ocurren en las mitocondrias.

Metabolismo basal (BMR)

• El metabolismos basal es la suma de todas las reacciones en el organismo.
• El BMR, se mide por calorimetría directa (midiendo el calor total liberado por un ser vivo en un tiempo determinado) o calorimetría indirecta (midiendo el consumo de O₂).

Valores del BMR

• El valor de BMR del hombre es de 7500 kJ/día (1800 kcal/día).
• El valor de BMR de la mujer es de 5400 kJ/día (1300 kcal/día).

Parámetros para la medición del BMR

• Dormir por 8 horas
• Posición reclinada
• Post-absorción (12 horas de ayuno)

Metabolismo en reposo (RMR)

• Es similar al BMR, pero con condiciones menos restrictivas.
• Es la medida del gasto mínimo de energía en condiciones de reposo.

Estados de la oxidación de combustibles

• La producción de coenzimas de nucleótidos reducidas (NADH, FADH₂).
• El empleo de la energía libre obtenida por la oxidación para producir ATP.

Estructura e importancia del ATP

• La oxidación de combustibles metabólicos es esencial para la vida.
• Los hidratos de carbono y los lípidos se biotransforman en el organismo para formar H₂O, CO₂ y ATP (trifosfato de adenosina).

Características del ATP

• El ATP posee dos enlaces fosfoanhidro de alta energía.
• Durante el trabajo metabólico, estos enlaces se rompen y la molécula de ATP se transforma en ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina).
• La energía liberada de los enlaces fosfoanhidro de ATP se usa para impulsar o favorecer reacciones que de otra manera no serían posibles.

Síntesis del ATP

• Se lleva a cabo principalmente en las mitocondrias usando la energía del gradiente de protones.

Sistema mitocondrial de transporte de electrones

• Es la cadena respiratoria, que se encuentra en la membrana mitocondrial interna.
• Está formada por complejos proteicos y dos componentes independientes (ubiquinona y citocromo c), que facilitan el transporte de electrones.
• El O₂ es el aceptor final de electrones.

Complejos proteicos

• Los electrones se mueven a través de una secuencia definida desde coenzimas a O₂.
• El transporte se impulsa mediante cambios en la energía libre que genera bombas de protones.
• Los electrones pasan del componente que tiene potencial de reducción más negativo al potencial más positivo.

Paso de electrones

• Los electrones son transportados por flavoproteínas.
• El complejo I contiene FMN, y los otros complejos contienen FAD, reduciendo la ubiquinona.
• Este proceso sigue por Q, complejo III, citocromo c y complejo IV.

Ubiquinona (Coenzima Q10)

• Es un compuesto liposoluble en la membrana mitocondrial interna.
• Es capaz de transportar 1 ó 2 electrones.
• La ubiquinona lleva electrones del complejo I y II al complejo III.

Complejo III (citocromo C reductasa)

• Acepta electrones de la ubiquinona, y bombea protones a través de la membrana interna.
• Los electrones viajan por los citocromos b, centros FeS, citocromo c1 y finalmente, al citocromo c.

Citocromo c

• Es una proteína periférica de membrana que transporta electrones desde el complejo III al complejo IV.
• Cada citocromo c transporta solo un electrón.
• Necesita 4 moléculas de citocromos c reducido para poder reducir O₂ en 2 H₂O.

Complejo IV

• Conocido como citocromo c oxidasa o citocromo oxidasa.
• Se encuentra como dímero en la membrana mitocondrial interna.
• Transfiere electrones al O₂ para reducirlo a H₂O (4 electrones).

Complejo V (ATP sintasa)

• Está conformado por dos complejos (Fo y F1) principales.
• Fo es el motor impulsado por protones en la membrana interna.
• F1 sintetiza el ATP a partir de ADP y Pi, 3 ATP por vuelta.
• Usa la energía de la fuerza protónica generada por la cadena de transporte de electrones para sintetizar ATP.

Efectos sobre la cadena respiratoria

• Rotenona, Antimicina A, Cianuro, CO (monóxido de carbono) y Oligomicina.

Lanzaderas de electrones

• Se encargan de permitir la transferencia de electrones del citosol a la matriz mitocondrial, sin necesidad de atravesar la membrana mitocondrial interna, hay dos lanzaderas importantes: la del glicerol 3P y la lanzadera del malato-aspartato.

• Lanzadera del glicerol 3P: transfiere electrones del citosol a la ubiquinona (Coenzima Q), reduciendo una molécula de FAD a FADH2.

• Lanzadera del malato-aspartato: permite la transferencia de electrones del NADH citoplasmático a la matriz mitocondrial, reduciendo oxalacetato a malato, y este atraviesa la membrana interna para convertirse de nuevo en oxalacetato, permitiendo la oxidación del NADH.

Energía de activación

• Es la energía mínima necesaria para que una reacción química ocurra.
• En las reacciones catalizadas, la energía de activación es menor que en las reacciones sin catalizador.